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태양광 전지는 어떻게 햇빛으로 전기를 만들어 내나요?

안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.최외곽 전자가 4개인 실리콘을 아주 순수하게 만들면, 실리콘 원자들이 최외각 전자들을 서로 공유하며마치 최외곽 전자가 8개인 것처럼 됩니다. 이 상태를 진성 반도체라고 하죠. 이렇게 최외곽 전자가 8개가되면 자유 전자가 없기 때문에 전류가 흐르지 못하는 부도체가 됩니다. 즉 진성반도체는 부도체입니다.여기에 최외각 전자가 5개인 불순물을 진성 반도체에 도핑하면 여기는 최외각 전자들은 8+1개의 전자를갖게 되고, 이것을 N형 반도체라고 합니다. 즉, 과잉 전자를 가지는 반도체죠.반면에 최외곽 전자가 3개인 물질을 도핑하면 최외곽 전자는 7개가 되면서 1개의 전자가 부족한 공간이생기는데 이 빈공간을 정공이라 하고, 이것을 P형 반도체라고 합니다. 정공을 가지는 반도체죠.그런데, 여기서 유의할 점은 P형이나 N형 모두 애초부터 전기적으로는 중성인 상태라는 점입니다.그래서, P, N 반도체를 서로 접합시키면 N형의 과잉 전자가 P형으로 넘어가 정공과 결합하면서 N형은넘겨준 전자의 수만큼 +로 대전되고 P형은 받은 전자의 수만큼 - 로 대전되게 됩니다.따라서, 어느 정도 전자가 P, N 접합면을 넘어가고 나면, 이 대전된 부분 때문에 더 이상 전자가 넘어가지못하고, 전자의 농도 차에 의한 확산력과 전자의 월담을 막으려는 전기력이 서로 평형을 이루게 됩니다.그런데, 이때 P, N 접합면에 빛 에너지를 공급하면 정공과 결합돼 있던 전자가 에너지를 얻어 다시 과잉전자 상태로 분리돼 N형 반도체로 돌아가게 됩니다, 빛 에너지가 넘어간 전자를 회수하려 하는 전기력을도와 주는 상황이 되는 것이죠.그럼, N형으로 돌아온 전자는 N형 반도체 쪽에 붙어 있는 전극으로 나와 외부로 전력을 공급한 다음 다시P형 반도체에 붙어 있는 전극으로 돌아와 P형 반도체의 정공과 재결합하게 됩니다. 이렇게, 전자는 N형반도체에서 나와 P형 반도체로 되돌아가는 순환을 계속하게 되고, 이것이 바로 태양 전지의 원리입니다..

학문 / 화학

23.02.03

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