p-n 접합 반도체에 밴드갭보다 더 큰 에너지의 빛이 조사되면 전자-홀 쌍이 생성되고 전자-홀 쌍의 수는 빛의 강도에 비례한다. 이온화된 불순물 이온에 의한 공핍층내의 전기장이 공핍층에서 전자를 n쪽으로, 홀은 p쪽으로 이동시킨다(drift). 이와 같은 캐리어 분리는 외부선이 단락되었을 때 n형에서 p형으로 전류를 발생시킨다.
공핍층 가장자리로 부터 확산 거리 안에 생성된 전자-홀 쌍이 광전류에 기여한다. 왜냐하면 초과 캐리어의 확산은 공간 전하 영역과 관계 있기 때문이다.
광이 조사된 p-n 접합이 개방 회로(open-circuited)(그림 (b))일때, 전하 분리에 의해 전압이 만들어지는데 이 전압을 개방 전압(open-circuit voltage) Voc라 한다. 만약 단락 회로(short-circuited)이면, 전자는 n형으로, 홀은 p형으로, 외부 회로로 흐르는 전류를 단락 전류(short-circuit current) Isc라 부른다. 만약 직렬 저항이 0이면 Isc는 광생성 전류 I(L)과 똑같다.
광이 조사된 p-n 접합의(단위면적일때) 전류-전압 특성은 다음과 같이 표현된다.
I = I0 ( exp( q V/nkT ) - 1 ) - Isc
개방 회로일때는 I = 0 이므로
nkT Isc
Voc = ----- ln [ ----- + 1 ]
q I0
태양전지가 동작될 때 최대 전력을 주는 전압과 전류가 각각 Vm과 Im 일 때 fill factor는 다음과 같이 정의 된다.
Vm Im
FF = --------------
Voc Isc
태양전지의 변환 효율은 생산된 최대 전력을 최대 입사광 강도 Pin 으로 나눈 값이다.
Vm Im Voc Isc FF
η = --------- = --------------------
Pin Pin
⦿ p-n 접합 태양전지의 출력 변수
출력 변수는 Voc, Isc, FF, 그리고 η 를 뜻한다.
단락전류 밀도의 상한 값은
Jsc = q ∫ (λmin -> λmax) F(1-R)dλ, 여기서 F는 단위 시간당 단위 면적당 입사된 포톤의 수로 정의된 입사 photon flux다. 적분이 λmin에서 흡수 한계에 대응되는 λmax = 1.2398/Eg 까지 이루어지기 때문에 Jsc는 밴드갭이 감소할수록 증가한다(반사율이 0% 일때).
하지만 Voc는 밴드갭이 증가할수록 증가한다. FF는 Voc가 증가 할수록 증가하고 η는 밴드갭 에너지의 함수로써 다음과 같은 그래프를 그릴 수 있다.
그래프에 의하면 AM1.5와 1sun일 때 최대 효율은 30% 정도이며 밴드갭이 1.4~1.6 eV를 만족할때 이다.
참고: nanostructured materials for solar energy conversion, Tetsuo Soga
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