태양전지의 작동 원리

태양전지의 작동은 빛의 흡수, 전자와 정공의 분리, 수송, 수집의 네 단계로 나눌 수 있다. 각 단계에서 발생하는 손실이 전류와 전압을 결정한다. 스튜디오는 이 과정과 손실을 계산해 셀의 성능 지표로 나타낸다.

그림 · 태양전지의 네 단계. 광자 흡수, 전자-정공 분리, 단자까지의 수송, 접촉면에서의 수집이 순서대로 이루어진다. 각 단계의 손실은 Jsc, Voc, FF에 서로 다른 영향을 주며, 결과 화면의 지표로 이를 확인할 수 있다.

1단계 — 빛을 흡수한다

반도체가 광자를 흡수하면 원자에 묶여 있던 전자가 자유롭게 이동할 수 있는 상태로 전이한다. 이때 광자 에너지가 밴드갭 Eg보다 커야 한다.

밴드갭이 좁으면 더 많은 광자를 흡수하지만 얻을 수 있는 전압이 낮다. 밴드갭이 넓으면 전압은 높아지지만 흡수할 수 있는 광자가 줄어든다. 두 효과가 균형을 이루는 최적점은 31. 단일접합 태양전지의 효율 한계에서 다룬다.

전자가 떠난 자리에는 정공(hole)이 남는다. 정공은 양전하처럼 거동하는 빈자리로, 전자와 함께 소자 내 전하 수송에 관여한다. 따라서 전자 밀도 n과 정공 밀도 p를 각각 구해야 한다.

생성된 전자와 정공이 다시 만나 소멸하는 과정을 재결합이라 한다. 전류를 얻으려면 재결합하기 전에 전자와 정공을 서로 반대쪽 단자로 보내야 한다.

내부 전기장이 이 분리에 관여한다. 소자의 한쪽은 전자를, 다른 쪽은 정공을 선택적으로 수송하도록 구성하면 내부에 전위 기울기가 형성된다. 그림에서는 이 전기장에 의해 전자가 왼쪽으로, 정공이 오른쪽으로 이동한다.

그림 · 내부 전기장에 의한 전하 분리. 흡수층에서 광자가 전자-정공 쌍을 만들면 소자 내부의 전위 기울기에 의해 전자는 전자 선택층(ETL) 쪽으로, 정공은 정공 선택층(HTL) 쪽으로 이동한다. 재결합 전에 두 캐리어를 분리하는 과정을 나타낸다.

내부 전기장과 선택적 수송을 구현하는 방식에 따라 소자 구조가 달라진다.

페로브스카이트에 흔히 쓰이는 p-i-n 구조에서는 진성층 전체에 걸친 전기장이 캐리어 수집을 돕는다. 단순 p-n 구조에서는 접합 근처에서 생성된 캐리어를 전기장으로 수집한다.

분리된 캐리어는 단자까지 이동해야 한다. 캐리어 수송에는 두 가지 기구가 관여한다.

두 기구를 함께 다루는 것이 드리프트-확산 모형이다. 수송 도중 결함에 포획되어 재결합한 캐리어는 전류에 기여하지 못한다. 수명 τ는 재결합까지의 시간 척도이고, 이동도 μ는 전기장에 대한 이동 속도를 결정한다.

τ와 μ의 곱은 재결합 전에 캐리어가 이동할 수 있는 거리에 영향을 준다. 따라서 흡수층 두께에도 제약이 생긴다. 빛을 더 흡수하려고 층을 두껍게 하더라도 캐리어가 단자에 도달하지 못하면 수집 손실이 커진다. 스튜디오의 소자 두께 스케일 스윕은 이 관계를 비교한다.

캐리어를 수집하려면 접촉면을 통과시켜야 한다. 층과 층의 경계에는 결함이 많으며, 이곳에서 전자와 정공이 만나면 계면 재결합에 의한 손실이 발생한다.

계면 재결합은 실제 페로브스카이트 셀의 개방전압을 낮추는 주요 손실이다. 스튜디오의 계면 재결합속도 입력은 이 손실의 크기를 조절한다. 값을 0에서 1000 m/s로 높이면 Voc가 감소하는 양상을 확인할 수 있다.

각 지표의 정의는 J-V 곡선 읽는 법에서 다룬다.