태양전지의 작동 원리

태양전지는 네 단계로 일합니다. 하나라도 실패하면 전기가 안 나옵니다. 이 스튜디오가 계산하는 모든 숫자는 결국 이 네 단계 중 어디서 얼마나 손해를 보는지에 대한 답입니다.

1단계 — 빛을 흡수한다

광자가 반도체에 들어와 원자에 묶여 있던 전자를 떼어냅니다. 떼어내려면 광자 에너지가 밴드갭 Eg보다 커야 합니다.

여기서 이미 근본적인 딜레마가 생깁니다. 밴드갭을 좁히면 광자를 많이 잡지만 한 개당 뽑는 전압이 낮고, 넓히면 전압은 높지만 잡는 광자가 적습니다. 이 줄다리기의 최적점이 효율의 천장입니다.

전자가 떠난 자리에는 정공(hole) 이 남습니다. 양전하처럼 행동하는 빈자리이고, 전자와 똑같이 소자 안을 돌아다닙니다. 그래서 미지수가 n과 p 두 개입니다.

여기가 핵심입니다. 그냥 두면 전자와 정공은 다시 만나 사라집니다(재결합). 전기를 얻으려면 만나기 전에 반대쪽 단자로 보내야 합니다.

그 일을 하는 것이 내부 전기장입니다. 소자 양쪽 끝을 서로 다르게 만들어 두면 — 한쪽은 전자를 좋아하고 한쪽은 정공을 좋아하게 — 내부에 전위 기울기가 생깁니다. 이 기울기가 전자를 왼쪽으로, 정공을 오른쪽으로 밉니다.

만드는 방법이 소자 구조를 결정합니다.

p-i-n이 페로브스카이트에서 흔한 이유는, 진성층 전체에 전기장이 걸려서 어디서 생긴 캐리어든 끌려 나오기 때문입니다. 단순 p-n에서는 접합 근처에서 생긴 캐리어만 확실히 수집됩니다.

떼어놓았어도 단자까지 가야 합니다. 캐리어를 미는 힘은 두 가지입니다.

이 둘을 합친 것이 이름 그대로 드리프트-확산 모형입니다. 가는 도중에 결함에 붙잡혀 재결합하면 그 캐리어는 손실입니다. 얼마나 오래 살아남는지가 수명 τ이고, 얼마나 빨리 가는지가 이동도 μ입니다.

τ와 μ의 곱이 실질적으로 "캐리어가 죽기 전에 갈 수 있는 거리"를 정합니다. 이것이 흡수층 두께의 상한입니다 — 빛을 더 잡으려고 두껍게 만들어도, 캐리어가 단자까지 못 가면 소용이 없습니다. 스튜디오의 소자 두께 스케일 스윕이 바로 이 균형점을 찾습니다.

마지막으로 캐리어가 접촉면을 넘어가야 합니다. 여기서 계면 재결합이 기다립니다. 층과 층의 경계에는 결함이 많고, 그 자리에서 전자와 정공이 만나면 그대로 손실입니다.

실제 페로브스카이트 셀에서 개방전압을 깎는 지배적 손실이 바로 이것입니다. 스튜디오의 계면 재결합속도 입력이 이 손실의 세기이고, 0에서 1000 m/s로 올리면 Voc가 무너지는 것을 직접 볼 수 있습니다.

각 지표가 정확히 무엇인지는 J-V 곡선 읽는 법에서 다룹니다.