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태양 광 : 이론 및 실습을 통한 태양 전기 및 태양 전지

단어   광전지   빛에 대한 헬라어 단어와 물리학자인 알레산드로 볼타의 이름의 조합입니다. 그것은 태양 전지를 통해 햇빛을 에너지로 직접 변환하는 것을 나타냅니다. 변환 과정은 Alexander Bequerel이 1839 년에 발견 한 광전 효과를 기반으로합니다. 광전 효과는 빛이 표면에 닿으면 고체 상태에서 양전하 및 음전하 캐리어가 방출되는 것을 의미합니다.

태양 전지는 어떻게 작동합니까?

태양 전지는 다양한 반도체 물질로 구성됩니다. 반도체는 빛이나 열이 공급되면 전기 전도성을 갖지만 저온에서는 절연체로 작동하는 물질입니다.

전 세계적으로 생산되는 모든 태양 전지의 95 % 이상이 반도체 소재 인 실리콘 (Si)으로 구성됩니다. 지구의 지각에서 두 번째로 가장 풍부한 원소로서, 실리콘은 충분한 양으로 이용 가능하다는 장점이 있으며, 추가로 재료를 처리하는 것이 환경에 부담을주지 않습니다. 태양 전지를 생산하기 위해 반도체는 오염되거나 "도핑"된다. "도핑 (doping)"은 화학 물질의 의도적 인 도입으로, 반도체 재료로부터 양전하 캐리어 (p- 전도 반도체 층) 또는 음 전하 캐리어 (n- 전도 반도체 층)의 잉여를 얻을 수있다. 상이한 2 개의 오염 된 반도체 층이 결합되면, 소위 pn 접합이 층의 경계를 초래한다.

  • 결정질 태양 전지의 모델

이 접합부에서 내부 전계가 형성되어 빛에 의해 방출되는 전하 캐리어가 분리됩니다. 금속 접점을 통해 전하를 도청 할 수 있습니다. 소비자가 연결되어 있음을 의미하는 외부 회로가 닫히면 직류가 흐릅니다.

실리콘 셀은 약 10cm × 10cm 크기 (최근에는 15cm × 15cm)입니다. 투명 반사 방지 필름은 셀을 보호하고 셀 표면의 반사 손실을 줄입니다.

태양 전지의 특성

  • si- 태양 전지의 전류 - 전압 라인

태양 전지의 사용 가능한 전압은 반도체 재료에 따라 다릅니다. 실리콘에서는 약 0.5V에 이릅니다. 단자 전압은 광 방사에 약하게 의존하고 전류 밝기는 광도가 높을수록 증가합니다. 예를 들어, 100 cm² 실리콘 셀은 1000 W / m²로 방사 될 때 약 2 A의 최대 전류 강도에 도달합니다.

태양 전지의 출력 (전기와 전압의 곱)은 온도에 따라 달라집니다. 셀 온도가 높을수록 출력이 낮아져 효율성이 떨어집니다. 효율 수준은 방사 된 광량 중 사용 가능한 전기 에너지로 변환되는 양을 나타냅니다.

다른 세포 유형

결정의 유형에 따라 3 가지 세포 유형, 즉 단결정, 다결정 및 비정질을 구별 할 수 있습니다. 단결정 실리콘 셀을 생산하려면 절대적으로 순수한 반도체 물질이 필요합니다. 단결정 봉은 녹은 실리콘에서 추출한 다음 얇은 판으로 톱질합니다. 이 생산 공정은 상대적으로 높은 수준의 효율성을 보장합니다.  
다결정 셀의 생산은 비용면에서 효율적입니다. 이 과정에서 액체 실리콘을 블록에 붓고 나중에 블록을 톱으로 자른다. 재료가 고형화되는 동안, 다양한 크기의 결정 구조가 형성되고, 그 경계에서 결함이 나타난다. 이러한 결정 결함의 결과로, 태양 전지는 덜 효율적이다.  
실리콘 막이 유리 또는 다른 기판 재료 상에 증착되는 경우, 이것은 소위 비정질 또는 박층 셀이다. 층 두께는 1μm (인간의 머리카락의 두께 : 50-100μm) 미만이므로 자재 비용이 낮기 때문에 생산 비용이 낮습니다. 그러나 비정질 세포의 효율은 다른 두 세포 유형의 효율보다 훨씬 낮습니다. 이 때문에 주로 저전력 장비 (시계, 포켓 계산기) 또는 외관 요소로 사용됩니다.

자료

% 실험실의 효율성 수준

% 생산량의 효율성 수준

단결정 실리콘

약. 24

14 ~ 17

다결정 실리콘

약. 18

13 ~ 15

비정질 실리콘

약. 13

5 ~ 7

셀에서 모듈로

다양한 애플리케이션에 적합한 전압 및 출력을 제공하기 위해 단일 태양 전지가 상호 연결되어 더 큰 단위를 형성합니다. 직렬로 연결된 셀은 전압이 높고 병렬로 연결된 셀은 더 많은 전류를 생성합니다. 상호 연결된 태양 전지는 일반적으로 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 프레임이 장착 된 투명한 Ethyl-Vinyl-Acetate에 묻혀 있으며 전면에 투명 유리로 덮여 있습니다.

이러한 태양 전지 모듈의 일반적인 전력 등급은 10Wpeak와 100Wpeak 사이입니다. 특성 데이터는 섭씨 25 도의 셀 온도에서 1000W / ㎡ 태양 복사의 표준 테스트 조건을 참조합니다. 제조업체의 10 년 또는 그 이상의 표준 보증 기간은 상당히 길며 오늘날의 제품에 대한 높은 품질 표준 및 예상 수명을 보여줍니다.

자연의 한계

  • 표준 조건에서 다양한 태양 전지의 이론적 최대 효율 효율

생산 공정을 최적화하는 것 외에도 태양 전지 비용을 낮추기 위해 효율성 수준을 높이기위한 작업도 진행되고 있습니다. 그러나 다른 손실 메커니즘이 이러한 계획에 한계를 설정하고 있습니다. 기본적으로, 상이한 반도체 재료 또는 조합은 특정 스펙트럼 범위에만 적합하다. 따라서 광량 (photons)이 전하 캐리어를 "활성화"시키는 데 충분한 에너지를 갖지 않기 때문에 복사 에너지의 특정 부분을 사용할 수 없습니다. 반면에 일정량의 잉여 광자 에너지는 전기 에너지가 아닌 열에 변환됩니다. 그 외에도 유리 표면과의 접촉을 통한 세포 표면의 그림자 또는 세포 표면에서 들어오는 광선의 반사와 같은 광학 손실이 있습니다. 다른 손실 메커니즘은 반도체 및 연결 케이블의 전기 저항 손실입니다. 그러나 물질 오염, 표면 효과 및 결정 결함의 파괴적인 영향도 중요합니다.  
단일 손실 메커니즘 (너무 적은 에너지의 광자는 흡수되지 않고 잉여 광자 에너지는 열로 변형 됨)은 재료 자체가 부과하는 고유 한 물리적 한계로 인해 더 이상 개선 될 수 없습니다. 이론적 인 최대 수준의 효율, 즉 결정 실리콘의 경우 약 28 %가됩니다.

새로운 길 찾기

반사 손실을 줄이기위한 표면 구조화 : 예를 들어 피라미드 구조의 셀 표면을 구성하여 들어오는 빛이 표면에 여러 번 도달하도록합니다. 새로운 재료 : 갈륨 비소 (GaAs), 카드뮴 텔루 라이드 (CdTe) 또는 구리 인듐 셀렌화물 (CuInSe²).

직렬 또는 적층형 셀 : 넓은 스펙트럼의 방사선을 사용할 수 있도록하기 위해 서로 다른 스펙트럼 범위에 적합한 서로 다른 반도체 재료가 하나씩 배치됩니다.

농축기 세포 :   더 높은 광도는 거울과 렌즈 시스템의 사용에 의해 태양 전지에 집중 될 것이다. 이 시스템은 항상 직접 복사를 사용하여 태양을 추적합니다.

MIS 반전 층 셀 :   내부 전계는 pn 접합에 의해 생성되는 것이 아니라 반도체에 대한 얇은 산화물 층의 접합에 의해 생성된다.

Grätzel 셀 :   전해액으로 이산화 티타늄을 함유 한 전기 화학 액체 셀 및 빛 흡수를 향상시키는 염료.

독일 에너지 재단 (German Energy for Solar Energy)의 허락하에 사용 된 텍스트 및 일러스트레이션 (Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie eV)

태양열 및 태양 광 발전의 기본 개념에 대한 간결하고 이해하기 쉬운 설명은 Solar-Lexicon에서 찾아 볼 수 있습니다.

혁신적인 시스템 및 제품에 대한 프레젠테이션뿐만 아니라 기술, 비즈니스 및 정치에 대한 보고서는 Solar Magazine에서 찾을 수 있습니다.