태양광 전지 원리와 페로브스카이트 구조 *페로브스카이트 태양전지 원리?

 

 

 

 태양광 전지에 대부분은 실리콘을 기반으로 한다. 실리콘(Si)은 모래의 성분인 실리카(SiO2)에서 산소를 떼어내 만든 것이며, 1,000℃ 이상의 고온이 필요하다. 공정이 다소 복잡하지만, 기술의 개발로 생산이 더 용이해졌고 가격이 싸졌다. 게다가 구하기도 쉬우며, 효율도 괜찮다. 산업에 쓰이기 딱이다.

 

 

 

 태양광 전지란?

 

 태양광 전지는 광전효과를 이용한다. '광전효과'란 빛이 특정한 물질과 부딪히면 전자를 발생시키는 원리이다.

 

 기본식은 '1/2mv^2=hf-w'로 m=전자의 질량, v=전자의 속도(전압), h=플랑크 상수, f=쬐여진 빛의 진동수, w=금속의 일함수(한 개의 전자를 고체 밖으로 빼내는 데 필요한 에너지)를 말한다. 

 

 이 식은 금속의 전자는 핵의 인력 때문에 고체 내 붙어있는데, 빛의 진동수가 핵의 인력보다 클 경우 자유전자가 된다는 말을 식으로 써놓은 것이다.

 

 

 

 

 태양광 전지의 구조와 원리는?

 

source : youngji.medium.com/

 

 

1. 태양 빛으로 인해 전지에 빛이 들어오면(광흡수) '광전효과'에 의해 빛이 자유전자와 정공으로 나뉜다.

 

2. 자유전자와 자유정공으로 나눠진 뒤, 자유전자는 n타입 실리콘으로, 자유정공은 p타입 실리콘으로 수집된다. 이후 자유전자는 저항이 pn 접합보다 작은 외부 회로를 통해 나가 +쪽으로 흐른다. 전류는 이와 반대로 흐르므로 이런 식으로 에너지가 생성된다.

 

3. 빛을 쬐여지지 않을 때는 pn 접합면에선 n형 자유전자가 p형으로 넘어가게 되면서 공핍층 및 전위차를 형성하게 되므로, 전류가 흐르지 않는다.

 

4. 단, 전지라는 이름과 달리 태양광전지는 에너지를 생산만 가능하지, 저장은 되지 않는다. 또한, 빛이 전지 내에서 반사되어 전지 밖으로 나가는 것을 방지하고자, 전극 밑에 반사방지막이 있다.

 

 태양광전지에서 중요한 것은 '광전효율'이다. '광전효율'은 빛을 전기로 전환할 때의 효율을 나타낸다. 분리된 전자와 정공은 재결합을 하려고 하는 성질이 있으므로, 외부 회로 밖으로 나오게 하는 것이 효율을 결정하는 관건이다.

 

 현재 실리콘 태양전지의 효율은 약 20%다. 100의 빛을 받으면 20만 전기로 전환이 되는 것이다.

 

 

 

 

 페로브스카이트의 구조와 사용하려는 이유

 

 현재 이러한 상황 때문에 실리콘보다 효율을 더 높이고, 유연하며 장점을 더 많이 가진 차세대 전지의 유망한 후보로서 '페로브스카이트' 구조를 이용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 관련된 연구들은 한국에서 특히 많이 이루어지고 있는 것으로 알고 있다.

 

 페로브스카이트 구조에 대해선 전기변색 파트에서 잠깐 다룬 적이 있는데, 페로브스카이트 아래 사진과 같은 구조를 지녔다.

 

• 2020.10.31 - [과학과 공학 이야기/전기변색과 배터리] - 전기변색(Electrochromic) 5 번째 : WO₃ 삼산화텅스텐의 구조

전기변색(Electrochromic) 5 번째 : WO₃ 삼산화텅스텐의 구조

 

source : Google

 

 페로브스카이트의 특징, 페로브스카이트 장단점

 

- 특징은 아래와 같다.

ㆍABX3 : 크기가 다른 양이온과 음이온 비율 1:1:3

ㆍ전자와 정공의 수명과 확산 거리가 길다. = 엑시톤 결합 에너지 ↓

 

 상이 안정적이고, 전자와 정공이 멀리 떨어져 있어서, 결합 에너지가 낮다. 전자와 정공이 재결합할 확률이 낮기 때문에 태양전지에서도 지속적으로 연구 중인 구조다.

 

 그동안은 음이온 자리에 산소가 들어간 형태의 페로브스카이트를 주로 연구해왔지만, 최근엔 산소 자리(X)에 할로젠화물(halide)에 들어간 형태의 연구가 진행되고 있다.

 

 할로젠화물은 반응성이 크며, 결합해도 안정적이라는 장점이 있다. 또한, 양이온 자리에 금속과 같은 무기물과 유기물이 들어가고, 음이온 자리에 할로젠 화합물이 들어갈 경우 유/무기물을 모두 가진 하이브리드 형태의 페로브스카이트가 된다.

 

 페로브스카이트 구조는 반도체 특성도 가지고 있으며, 광흡수 계수가 높아 광전효율이 높다. 위와 같이 광흡수율도 높지만, 전자와 정공의 재결합률도 낮아 효율이 좋다.

 

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 다만, 환경에 취약하다는 단점이 있어 당장의 상용화는 어렵다. 특히 습기에 약한 모습을 보이는데, 습기에 노출될 경우 결정구조가 변해 효율이 떨어질 수 있다. 구조 자체도 좀 더 안정성을 보완해야 한다.

 

 추가로 현재 이루어지는 페로브스카이트 구조는 납을 사용하고 있다. 납이 들어갔을 때 효율이 좋지만, 독성 물질로서 상용화의 한계가 있다. 납을 대체할 물질을 찾는 것도 큰 숙제이다. 단점들이 보완된다면, 디스플레이와 반도체, 태양전지 등 다양한 분야에서 사용될 것으로 보인다.