J-V 곡선 읽는 법

태양전지 성능은 곡선 하나에 다 들어 있습니다. 전류밀도 J를 인가전압 V에 대해 그린 것 — 이게 J-V 곡선입니다. 스튜디오가 계산하는 다른 모든 것은 이 곡선의 해석이거나, 이 곡선이 왜 그 모양인지에 대한 설명입니다.

곡선의 모양

빛을 받는 셀의 J-V 곡선은 왼쪽 위에서 시작해 오른쪽에서 급격히 떨어집니다.

왼쪽 끝 (V = 0) — 단자를 그냥 단락시킨 상태. 전압은 0인데 전류는 최대.
오른쪽 끝 (J = 0) — 단자를 열어둔 상태. 전류는 0인데 전압은 최대.
그 사이 — 전압과 전류가 둘 다 0이 아닌 구간. 여기서만 전력이 나옵니다.

전력은 P = V × J이므로, 양 끝에서는 전력이 정확히 0입니다. 최대 전력점은 그 사이 어딘가입니다.

네 개의 숫자

Jsc — 단락전류밀도 (mA/cm²)

V = 0에서의 전류. 얼마나 많은 광자를 전자로 바꿔 수집했는가입니다.

지배 요인: 흡수층 두께, 흡수계수 α, 밴드갭(좁을수록 광자를 많이 잡음), 그리고 수집 효율.

실리콘 셀은 대략 35–43 mA/cm², 페로브스카이트는 20–25 mA/cm² 정도가 나옵니다. 페로브스카이트가 낮은 것은 밴드갭이 넓어서(1.6 eV) 잡을 수 있는 광자가 애초에 적기 때문이지, 나쁜 셀이라는 뜻이 아닙니다.

Voc — 개방전압 (V)

J = 0에서의 전압. 캐리어 하나당 뽑아낼 수 있는 최대 전압입니다.

Voc는 밴드갭에서 시작해 재결합이 깎아낸 나머지입니다. 재결합이 하나도 없어도 Voc가 Eg/q에 닿지는 않습니다 — 복사 재결합은 끌 수 없어서, 완벽한 셀도 밴드갭보다 대략 200~400 mV 아래에 머뭅니다. 밴드갭이 넓을수록 이 차이도 커집니다. 그 하한이 손실 분해 패널이 보여주는 복사 한계 Voc,rad이고, 비복사 재결합이 여기서 더 끌어내립니다. 그래서

Voc는 셀의 품질 지표이고, Jsc는 셀의 광학 지표입니다.

계면을 개선했을 때 제일 먼저 올라가는 숫자가 Voc입니다.

FF — 충전율 (fill factor, 무차원 0–1)

곡선이 얼마나 사각형에 가까운가입니다. 정의는

FF = Pmax / (Jsc × Voc)

즉 실제 최대 전력을, "곡선이 완벽한 직각이었다면 나왔을 전력"으로 나눈 것입니다.

이상적인 다이오드도 FF가 1이 될 수는 없습니다 — 지수 함수라서 모서리가 둥급니다. Voc가 높을수록 이론적 FF 상한도 올라가고, 보통 0.80–0.89 사이입니다.

FF가 이보다 낮으면 원인은 셋 중 하나입니다: 직렬저항, 전압에 따라 수집이 나빠지는 현상, 또는 큰 이상계수(재결합이 나쁜 종류라는 뜻).

이 중 첫 번째는 이 모형에 존재하지 않습니다 — 직렬·병렬 저항이 없습니다 (한계). 따라서 여기서 FF가 낮다면 나머지 둘 중 하나입니다. 실제로 측정한 셀에서는 직렬저항을 가장 먼저 의심합니다.

손실 분해 패널은 여기서 한 단계 더 좁혀 줍니다. 암전류나 Suns-Voc 실행으로 이상계수를 한 번 측정하고 나면, 패널이 비교하는 기준선이 그 셀의 실제 이상계수에서 계산되므로 이상계수 몫은 이미 빠져 있습니다. 그 차이에 남는 것은 수집 효율입니다.

효율 η (%)

η (%) = Pmax / (입사 광 파워) × 100 = Jsc [mA/cm²] × Voc [V] × FF

1 sun에서 입사 파워가 100 mW/cm²이고, mA/cm² 단위의 Jsc에 볼트 단위의 Voc를 곱하면 이미 mW/cm²이므로, 세 값을 곱하면 퍼센트가 바로 나옵니다. (SI 단위로 쓰면 η = Jsc [A/m²] × Voc × FF / 1000 W/m² × 100.)

세 숫자의 곱입니다. 그래서 하나만 좋아서는 소용이 없습니다.

최대 전력점 (Pmax)

곡선 위에서 V × J가 최대가 되는 점입니다. 차트에 검은 점으로 표시됩니다. 실제 태양광 인버터는 이 점을 계속 추적합니다(MPPT). 이 점의 전압이 Vmp, 전류가 Jmp이고 Pmax = Vmp × Jmp입니다.

효율만 보면 안 되는 이유

19.5%라는 숫자 자체로는 아무것도 알 수 없습니다.

밴드갭 1.7 eV 셀이라면 훌륭합니다 (이론 한계가 약 30.0%이므로 65% 달성).
밴드갭 1.1 eV 실리콘이라면 평범합니다 (이론 한계가 약 33%).

그래서 스튜디오는 효율 옆에 항상 효율의 천장을 함께 보여주고, 그 차이를 광학 손실 / 전압 손실 / 충전율 손실 세 항목으로 쪼개 줍니다. 그 워터폴이 "다음에 무엇을 고쳐야 하는가"에 대한 답입니다.

부호 규약

이 스튜디오는 광전류를 양수로 놓습니다. V = 0에서 J가 양수이고, Voc에서 0을 지나 그 위로는 음수(순방향 주입 전류)가 됩니다. 동작 사분면은 V·J > 0인 영역입니다.

논문에 따라 부호가 반대인 경우도 많습니다. 곡선이 뒤집혀 보인다면 그 차이입니다. 물리는 같습니다.