안녕하세요 
어릴때 많이 생각해보고 질문을 받았던 하늘은 왜 파랄까?라는 질문과 비슷해보이는 태양광판은 왜 파랄까가 오늘의 주제입니다. 그래서 오늘은 태양전지에 대해서 이야기해볼까 합니다.
태양전지의 원리와 공정순서를 살펴보고 제목처럼 왜 태양전지는 파란색을 나타내는지 살펴보겠습니다.
우선, 기본적인 원리를 설명하기 앞서 알고 가야 하는 내용이 있습니다.
바로 반도체에 대한 이해입니다.
반도체에 대해서 다들 들어보셨으리라 생각됩니다.
초등학교수준에서는 도체, 반도체, 부도체로 구분하여 전기가 흐르는 물질, 전기가 흐르지 않는 물질 그리고 반도체는 전기가 흘렀다 안 흘렀다 하는 물질이라고 배웁니다.
즉, 반도체가 전기의 흐름을 제어하는 특징을 가진 물질이라고 생각을 할 수 있습니다.
이런 반도체의 특성을 가지는 이유에 대해 이해하고자 한다면 밴드갭이라는 개념에 대해 살펴보아야 합니다.
이를 이해하기 위해서는 양자역학적인 접근이 필요합니다.
원자의 구조를 살펴보겠습니다.
원자와 그 주위에 돌고 있는 전자들..
이 전자들은 연속적으로 존재하지 못하고 특정 에너지궤도에서만 존재합니다. 이러한 이해는 러더퍼드의 산란실험을 근간으로 한 러더퍼드 원자모델을 수정한 보어에 의해 주장되었고 검증되었습니다.
다시말해 전자는 특정 에너지 궤도에만 존재하게 됩니다.
그리고 이 전자의 궤도는 원자핵과 가까운 궤도일수록 더 큰 힘을 원자로부터 받습니다. 즉, 안쪽 궤도일수록 안정적인 상태를 가지며 가장 안쪽의 에너지 궤도의 상태를 바닥상태라고 합니다.
이러한 에너지궤도 사이에는 전혀 관계가 없는 것이 아닌 전자의 이동이 발생합니다.
불연속적인 에너지궤도 사이를 특정 에너지를 받으면 여기되어 이동하고 여기된 전자는 다시 안정화가 되려 하며 에너지를 방출하며 원래의 안정된 궤도로 돌아가려고 합니다.
이때 돌아가면서 방출하는 에너지는 빛의 형태로 방출됩니다.
다시 본론으로 들어가 밴드갭을 알아보겠습니다.
기본적으로 위에서 소개한 에너지궤도는 특정한 궤도가 여러 개 있다고 말했지만 사실은 미세구조로서 자세히 살펴보면 완전히 하나의 궤도가 아닌 갈라짐이 발생한 상태입니다.
즉, 아래의 그림처럼 일직선이 아닌 여러 줄이 합쳐진 모습으로 상상하시면 되겠습니다.
이러한 이유는 전자의 각운동량과 상대론적 보정, 제만효과등에 의해 에너지궤도가 정확히 일치하지 않게 되고 이러한 갈라짐은 에너지궤도를 에너지밴드띠의 형태로 보이게 됩니다.
그럼 이러한 원자들이 하나가 아닌 2개, 3개 100개, 1몰, ~kg의 양만큼 모여있다고 합시다.
이때 원자의 최외각 전자들이 가진 에너지 궤도들은 전체적으로 밴드를 형성하는 것과 같은 효과가 발생합니다. 이 밴드를 valance band라고 합니다.
그럼 이레벨보다 높은 에너지 레벨로 올라가게 되면 어떻게 될까요?
그럼 전자는 더 이상 원자의 구속을 받지 않게 됩니다.
이러한 전자를 자유전자라하고 이 전자들에 의해 전류가 흐르게 됩니다.
이 전자들이 가지는 에너지 밴드를 conduction band라고 합니다.
여기서 이 두밴드, valance band와 conduction band의 에너지 차이를 밴드갭이라고 합니다.
즉, 밴드갭은 전류가 흐르게 되려면 필요한 에너지 레벨이라는 말입니다.
이러한 밴드갭을 충분히 가진 물질들을 반도체라고 할 수 있습니다.
대표적인 물질이 실리콘과, 게르마늄이 있습니다.
하지만, 대표적으로 태양전지에 사용되는 물질은 실리콘이 되겠습니다.
전기를 생산하는 입장에서 생산되는 전력의 효율과 경제적인 요인을 고려했을 때 가장 적합하기 때문입니다.
여기까지가 기본적인 반도체에 대한 설명입니다.
여기서 정리하고 다음이야기를 하면 좋겠지만, 아직 핵심적인 내용들이 남았습니다.
태양전지의 구동을 위해서는 반도체의 특성을 가진 실리콘을 가져온다고 되는 것이 아니기 때문이죠.
이를 위해 우리는 P형 반도체와 N형 반도체에 대해서 알아야 합니다.
N형 반도체는 negative를 떠올리며 잉여 음전하가 존재하는 반도체라고 생각하면되고 P형 반도체는 Positive를 떠올리며 전자가 하나 필요함을 떠올리면 됩니다.
이를 si을 기준으로 설명하지면 si은 14족 원소로 최외각 전자가 4개이고 이 최외각전자들은 불안정한 상태입니다. 이러한 이유로 보통 안정적인 상태를 유지하기 위해 다른 원자와 결합을 하게 되고 si같은 경우는 주변의 si4개와 전자하나씩 공유결합을 형성합니다.
이러할 때 N형은 인과 같은 15족 불순물을 함유시킵니다. 그럼 인의 입장에서는 주변 si원자와 공유결합을 하지만 전자가 하나더 많은 인은 전자가 하나 남게 됩니다.
마찬가지의 이유로 P형은 보른과 같은 13족 원소를 첨가해 전자하나가 모자라게 결합을 합니다.
이때, 전자하나가 모자란 빈공간을 정공이라고 합니다.
이렇게 하게 되면 잉여 전자와 정공이 각각 존재하는 반도체가 생기게 됩니다.
이제 이 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시킵니다.
접합을 시키게 되었을 때 P형 반도체에는 정공이 많은 상태고 N형 반도체에는 전자가 많은 상태입니다.
그럼 이때 생각해봅시다. N형반도체의 잉여전자는 말 그대로 잉여입니다.
이 전자들은 P형반도체의 정공자리로 매우 가고 싶을 겁니다.
그래서 PN접합면에서는 전자들이 정공으로 이동하는 확산이 발생합니다.
이런한 확산으로 접합면을 기준으로해서 전자와 정공이 존재하지 않는 공핍층이 생성됩니다.
그런데 이러한 확산이 지속될까요?
그렇지않습니다. 접합면에서 공핍층이 생성되고 나면 전자를 보내준 N형 반도체는 전자를 잃었기 때문에 전기적으로 양성이 되며 마찬기지로 전저를 받은 P형 반도체는 전기적으로 음성이 됩니다.
이렇게 되면 더 이상 전자 정공 확산은 일어날 수가 없습니다.
왜냐하면 N형 반도체에 있는 전자들은 P형 반도체 쪽의 공핍층에 형성된 음전하에 의해 척력이 발생하기 때문입니다.
그래서 결과적으로는 PN반도체는 접합면에 자유전자가 존재하지 않는 공핍층이 존재합니다.
이 PN반도체가 태양전지의 구조입니다.
태양전지의 구동 메커니즘은 간단하게 다음과 같습니다.
N형 쪽에 -부하와 P형쪽에 +부하를 걸어 줍니다.
이 상태에서 태양광이 들어와 공핍층에 존재하는 si에 광전효과를 일으키며 전자를 발생시킵니다.
이때 태양광은 si의 밴드갭보다 에너지가 큰 빛이 들어와야 하며 가시광선은 이 밴드갭보다 에너지가 크기 때문에 광전효과를 일으키게 됩니다.
발생된 전자와 정공은 각각 전자-정공 확산에 의해 전자는 n형으로 정공은 p형으로 확산되고 전류가 흐르게 됩니다.
간단하게 지금까지 태양전지의 원리와 구동 방식에 대해 살펴보았습니다.
그럼 지금부터는 이 태양전지를 만드는 과정을 그림을 따라가며 살펴보겠습니다.
우선 태양전지를 만들기 위해서는 실리콘 웨이퍼를 먼저 만들어야 합니다.
그래서 실리콘원석을 채굴하고 이를 다양한 불순물을 제거하여 순도 99.999999%의 si을 뽑아냅니다. 이때의 순도는 9가 8개의 순도인데 컴퓨터에 사용되는 반도체의 순도가 9가 21(?)개 정도의 순도를 필요로 한다고 하니 이에 비교하면 매우 높은 순도까지는 아니지만, 그래도 충분히 높은 순도를 가진 실리콘을 사용한다고 볼 수 있겠죠?
이다음에는 결정을 성장시키는데 결정이라함은 배열이라고 생각하시면 됩니다. 즉, 단결정이라고 하면 하나의 결정으로 존재하여 잘 정돈된 상태임을 말하고 다결정이라고 하면 여러 단결정들이 경계를 이루고 존재함을 말하고 비정질인 상태는 제대로 된 결정을 이루지 않은 복잡한 상태라고 생각하시면 됩니다.
우리는 전류를 올바르게 흘려줄 필요가 있기 때문에 단결정 혹은 다결정을 가진상태로 성장시킬 필요가 있습니다.
어쨌든, 성장시킨 실리콘을 필요한 크기로 자르고 이를 절단면의 연마, 웨이퍼 평탄화, 삭각, 불순물제거의 과정을 거쳐 웨이퍼를 완성합니다.
완성된 웨이퍼를 보면 우리는 이 웨이퍼에 문제가 있음을 깨닫게 됩니다.
웨이퍼를 쳐다보면 바로 알 수 있습니다.
아시겠나요?
웨이퍼는 거울과도 같습니다. 왜냐하면 연마와 평탄화과정을 거치면서 표면은 매우 말끔히 정리되게 때문에 빛을 잘 반사시킵니다.
이러한 반사를 잘 시키는 특성은 태양전지의 입장에서는 치명적입니다.
왜냐하면 태양전지는 빛을 흡수해야 전기를 생산하기 때문이죠.
따라서 우리는 태양전지로 사용하기 위해 다음과 같은 과정을 진행해야 합니다.
우선 P형 실리콘 웨이퍼를 준비합니다.
그다음 기존의 웨이퍼들과 달리 표면을 그림처럼 난반사를 하도록 제작해줍니다.
그런 다음 P형 반도체를 인을 포함한 기체와 산소를 같이 넣고 고온에서 가열합니다.
이렇게 하면 산소와 실리콘이 반응해 날라가며 이 빈자리를 인이 채우게 됩니다.
그래서 P형반도체의 표면에 얇게 N형 반도체가 도핑됩니다.
이런 다음 우리의 궁금증!!
왜 파란색인가의 이유가 나옵니다.
위에서 표면을 난반사가 잘 일어나도록 제작을 했지만 아직은 뭔가 부족합니다.
그래서 반사도를 줄여주는 질화실리콘 필름을 코팅해줍니다. 이 질화실리콘이 파란빛을 나타내기 때문에 우리가 보는 태양광패널들이 파란색을 나타내게 됩니다.
파란빛을 나타내는 이유는 파란빛은 반사하지만 다른 빛은 흡수해버리기 때문입니다. 검은색은 모든 빛을 흡수하여 검은색옷을 입으면 더 더운것과 마찬가지의 이유죠.
아무튼, 이 다음 공정은 전자를 뽑아낼 수 있는 전극을 심어주고 열처리를 하여 전기가 흐르지 않는 질화실리콘 내부로 삽입시켜 줍니다.
이제 마지막으로 끝부분인 edge를 잘라줍니다. 여기서 잘라주는 이유는 N타입이 위아래로 연결되어 있기 때문에 쇼트가 일어나는 것을 막기위해 짤라줍니다.
이렇게 만들어진 태양전지는 하나의 solar cell입니다.
우리가 흔히보는 태양광발전기에 있는 넓은 태양광패널은 이 cell들을 직, 병렬로 연결하여 모듈화합니다.
물론, 외부의 환경에 오래있기 때문에 solar cell의 수명을 길게 유지하기 위해 아래 그림과 같이 밀봉을 시켜줍니다.
제목은 태양광판은 왜 파랄까였지만, 사실, 전반적인 태양전지에 관한 소개였습니다.
이번학기에 태양전지를 가지고 실험하는 수업을 수강하기에 관심이 생겨 이것 저것 찾아보았습니다.^^
실험을 하면서도 새로 알게 되는 내용이 있다면 정리해서 올려보도록 하겠습니다.
특히, 페로브스카이트 태양전지도 한번 찾아봐야겠습니다.!!
오늘은 여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!