안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
태양전지가 빛을 전기로 변환하는 과학적 원리는 광전 효과와 p-n 접합 반도체의 특성에 있습니다. 반도체에 빛을 쬐었을 때 빛 에너지가 전기에너지로 직접 변환되는 과정에 대해 설명해 드리도록 하겠습니다.
태양전지는 주로 규소 원소에 불순물을 섞어 만든 두 종류의 반도체인 n형 반도체와 p형 반도체를 접합시킨 구조로 n형 반도체는 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 많고, p형 반도체는 전자가 부족해 생긴 빈자리인 양공이 많습니다. 두 반도체가 만나는 접합면에는 n형 쪽에서 p형 쪽으로 향하는 내부 전기장이 자연스럽게 형성됩니다. 햇빛이 태양전지 표면에 비추면, 빛을 구성하는 입자인 광자가 반도체 내부로 들어가고, 광자가 구속되어 있던 전자에게 에너지를 전달하면 전자가 튕겨 나가면서 자유 전자가 되고, 전자가 빠져나간 자리에는 양공이 남게 됩니다. 자유 전자와 양공이 생성되면, p-n 접합부의 내부 전기장에 의해 전자는 n형 반도체 쪽으로, 양공은 p형 반도체 쪽으로 서로 반대 방향으로 밀려나면서 전하가 서로 섞이지 않고 뚜렷하게 분리됩니다. 전자는 n형 쪽에, 양공은 p형 쪽에 점점 쌓이면서 전지의 양 끝단 사이에 전압가 생깁니다. 전지 표면의 금속 전극과 외부 전선을 연결해 주면, n형 쪽에 몰려 있던 전자들이 전선을 따라 p형 쪽으로 거침없이 이동하기 시작하는데, 이 전자의 연속적인 흐름이 바로 우리가 사용하는 직류 전기입니다.