반도체(12) 태양전지, LED

여기서는

빛을 전기로 바꾸거나 전기를 빛으로 바꾸는 특성을 알아보려고 하는데 그렇다면

 

반도체의 특성부터 알아보자

 

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반도체의 광학적 특성을 알아보자

 

Complex Refractive Index(복소 굴절률) : 반도체의 광학적 특성은 복소 굴절률로 나타내어 질 수 있다.

Refractive index (nr) : 통상 사용되는 굴절률

 

++굴절률이야 고등학교 물리시간에 배웠다

 

 

Extinction coefficient (ke) : 흡수 계수(absorption coefficient)를 결정

 

** 흡수계수 : Eg 보다 큰 에너지를 갖는 photon(광자)는 흡수된다. 이에 따라, 빛의 세기는 반도체 깊이 x 에 따라서 지수함수적으로 감쇄한다. 감쇄 정도는 흡수계수에 의해서 결정된다.

++(1/α : the light penetration depth)

 

 

반도체에서 흡수계수는 wave length or photon energy의 함수이다.

 

 

 

 

direct 와 indirect 는 이전에 설명했던 개념인데 그림을 보고  알아보자

 

 

 

 

(a) : allowed direct transition (주로 이런식으로 일어남)
(b) : forbidden direct transition (잘 안일어남)
(c) : indirect transition involving phonon (k값이 변한다는 것)

 

 

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기본적 특성을 알아봤는데 그렇다면 이름만 들었던 태양 전지 (solar cell)에 대해서 알아보자

 

 

 

태양전지 동작 : PN접합에 빛을 비출 때, 접합으로부터 확산 거리 이내에 생성된 소수 캐리어들이 접합으로 확산하고, 내부 전위(built-in potential)에 의해 접합을 가로질러 각각 양쪽으로 쓸려 나감으로써 전류를 발생시킨다.

 

 

 

 

 

++ Dark는 빛이 없을 때를 말한다.

 

 

 

그렇다면 태양전지에서의 전류도 알아야  써먹겠지??

 

 

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태양 전지 전류를 유도해보자

 

단락 회로 전류 유도하기 위해, 빛에 의해서 전자-정공 쌍이 생성되고 있는 경우에서의 전류 연속 방정식을 살펴보자.

 

 

 

 P+N 태양전지가 매우 얇은 P+층을 갖는다고 가정하고, G/s·cm3의 균일한 비율로 N 영역에서 전자-정공 쌍이 생성된다고 가정하자.

 

 

전류 유도 및 태양전지 특징

 

확산 길이 이내의 체적 A·Lp 내에서 생성된 정공만이 PN 접합에 의해 수집되고

단락 회로 전류에 기여한다는 것을 알 수 있다.

 

접합으로부터 먼 곳에서 생성된 캐리어들은 접합에 도달하지 못하고 재결합으로 인해 사라지고 만다.

(확산 거리가 중요한 이유)

태양전지의 성능을 위해서는 캐리어 확산 길이가 큰 것 (긴 캐리어 수명)이 좋다.

Trap 이 있을 경우에는 재결합 센터로 작용하여, 재결합을 촉진시키게 되므로(SRH  recombination) 결함과 불순물이 적은 것이 중요함.

 

요약하자면

 

 

** 위의 전류식은 알고 있어야한다. 밑에거는 몰라도

 

개방회로 전압 : I=0 의 조건으로부터 다음과 같이 구할 수 있다.

 

 

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태양 전지는 빛을 흡수해서 전기 에너지를 만드는 것인데 

빛의 흡수에 대해서 좀 더 알아보자

 

 

위에서 흡수계수가 나온 이유다. 반도체 소자마다반도체의 흡수계수 및 침투 깊이를 나타내는 그래프이다.

 

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그럼 태양전지가 할 수 있는 일..? 출력은 어떻게 될까?

 

태양전지의 출력전력 : 태양전지 IV 곡선 상에 출력 전력 |I×V| 을 최대화시키는 특별한 동작점이 존재한다.

보통, 그 지점에서 전지가 동작되도록 동작 회로가 설계된다.

 

**충진 인자, FF (fill factor) : ISCXVOC 에 대한 최대 |I×V| 값의 비율을 말한다.

 

 

++ 2020년 지금 실리콘으로 만든 태양전지는 15%-20% 효율을 보인다. (높은거다)

 

 

그렇지만 더 높은 효율을 위한 것이 있었으니..

Tandem solar cells gets 35% eficency using large and small Eg materials tailored to the short and long wavelngth 
solar light. 

 

한글로 해주겠다.

효율을 증대 시키기 위해서 각기 다른 밴드갭을 가지는 두 태 양전지를 직렬로 연결한 태양전지.

 

즉 앞에 위치한 재료는 큰 값의 Eg를 갖고 있어 태양 복사의 단파장 부분을 흡수하여 전기로 변환시키고, 뒤에 위치한 상대적으로 더 작은 Eg를 갖는 다른 재료는 첫 번째 재료에 의해 흡수되지 않은 태양 복사를 흡수한다.

 

 

 

 

** 결국 태양 전지의 효율은 무엇이 정하는가?

 

태양전지의 출력전력을 높이기 위한 방법
- 도핑 농도 증가로 VOC 증가
- 광 집속기 사용으로 G 증가
- 전지의 효과적인 냉각으로 ni 감소
- 적당한 밴드갭 물질 사용 (밴드갭이 클수록 ni 값을 감소시킬 수 있긴 하지만 밴드갭이 너무 클 경우에는 장파장 영역의 광자들을 흡수하지 못해 G 가 감소됨.)

 

 

 

 

++태양전지의 효율(Efficiency) : 태양으로부터의 입력된 에너지(전력)와 태양전지의 출력 에너지(전력)의 비율. 태양전지의 효율은 AM1.5 태양광 조건과 25도에서 측정되어 진다.

 

 

 

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태양전지를 살짝 알아봤으니까

우리가 귀가 아프도록 들었던 LED를 알아보자

 

Light emiting diodes 의 약자인 것을 알았다면 굿굿

 

어떻게 작동하는지를 알아보자

 

 

LED 동작 원리 : PN 접합을 만들고, 정 바이어스를 인가한다. 주입된 소수 캐리어가 다수 캐리어들과 재결합할 때 광자가 방출된다. 그 빛은 모든 방향으로 방사된다.

 

직접 갭 반도체 : direct-gap semiconductor에서 전자와 정공은 정합된 파동 벡터를 가지므로 빠르게(~ns) 재결합 하여 빛을 발생 즉 ”radiative recombination”

 

간접 갭 반도체 : Indirect-gap semiconductor에서는 광자보다는 포논을 생성하는 트랩-경유-재결합

(SRH recombination)이 우세한 재결합 과정이 된다. 

 

 

 

 

++여기서도 direct, indirect가 나오니까 그림으로 반복 함 해보까?

 

 

 

그건 그렇고 저렇게 빛이 나오는 것은 알겠는데? 어떻게 여러가지 색깔이 나오는거지??

그걸 알아보자

 

광자 에너지 : 일반적으로 광자 에너지와 파장의 관계는 이렇다.

응용하면?? 

 

++에너지 갭을 이용하면 여러가지 색을 만들 수 있고 자외선 적외선도 저기 보인다.

 

 

++ LED를 우리 실생활에 어떻게 이용하냐 살짝 보면

 

 

 

LED 디스플레이 : 적색, 녹색, 청색 LED를 작은 그룹으로 묶어 픽셀(pixel)을 형성한다. 그리고, 디스플레이 화면은 수천~수만 개의 픽셀로 구성된다. 이 후, 각각의 픽셀마다 R,G,B의 전압을 조정하여 빛의 합성을 통해서 원하는 빛을 만들어 낼 수 있게 된다.

 

 

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LED에 대해서 무릎까지 담궈보자

 

LED 의 공정 방법 : LED는 주로 애피택시 증착(Epitaxial growth)을 이용하여 단결정의 박막을 주로 이용한다. 폴리실리콘이나 비정질의 경우에는 결함이 발생하게되고, 결함들은 빛이 방출되지 않는 재결합(SRH 재결합)을 촉진하기 때문이다.(이 경우 빛 발생 x)

 

 

 

 양자 웰(Quantum well) LED : AlInGaP 박막을 GaP 사이에 삽입한 구조를 살펴 보자. AlInGaP 박막은 GaP 보다 작은 밴드 갭을 가지고 있어 다음과 같은 quantum well을 형성하게 된다. 이 웰 내에서는 캐리어가 갇혀서 모이게 되므로,  전자와 정공의 농도가 매우 높아 재결합 및 방출에 유리하다.  (well은 우물을 뜻함)

 

 

 

MQW(Multi Quantum Well) : 서로 다른 반도체를 여러 층으로 반복하여 쌓은 구조도 사용되고 있다.

 

이런 구조도 심심치 않게 쓰인다.

 

 

 

 

++ LED보다는 요즘 OLED, AMOLED를 쓰는데 그것도 살짝 보고만 넘어가자

 

OLED(Organic LED, 유기 발광 다이오드) : 전압을 가하면 빛을 방출하는 유기 분 자나 폴리머(polymer)로 만든 물질을 2~3개 층으로 형성한 소자.

 

OLED 동작 : 양극(anode)과 음극(cathode)사이에 전압을 가하면, 양극에서는 정공이 conductive layer로 주입되고, 음극에서는 전자가 emissive layer로 주입된다.  organic material에서는 정공이 mobility가 크므로, emissive layer에서 주로 전자 와 정공이 만나서 재결합이 일어나 에너지가 빛의 형태로 방출되면서, 투명한 음극을 통과한다.

 

 

 

 

 

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빛하면 레이저가 가장 생각나는데.. 나만 그런가 어렸을 때 레이저가지고 놀지 않았나??

그러니까 이번엔 다이오드 레이저에 대해 알아보자

 

Diode Laser : 다이오드 레이저는 레이저 중 가장 작고 저렴한 레이저이다.
Laser 특징 : 단일 주파수, 작은 초점(퍼지지 않음.), 빛의 세기가 크다.

//빛의 세기가 크니까.. 낮에도 잘 가지고 놀았지 ㅎㅎ 추억

 

++ Laser 는 "light amplifcation  by stimulated emision of radiation" 란 뜻을 가지고 있다.

알면 유식해보임

 

원리는 이렇게 된다.

 

 

유도 흡수 : 광자가 입사하여 가전자 대역의 전자가 입사된 광자를 흡수하여 전도대 대역으로 올라가는 과정.

 

유도 방출(stimulated emission) :  적절한 에너지를 갖는 광자가 입사하여 전도 대역의 전자를 자극하여

이 전자가 가전자 대역으로 떨어지면서 두 번째 광자를 방출하는 과정. 

 

**동일한 주파수를 가지면서 파동의 세기가 증폭. (light amplification)

 

 

 

또한 이런 용어가 있는데

 

점유 반전(Population Inversion)

 

(d)낮은 에너지 상태의 전자가 많은 경우 : 유도 흡수 우세.

 

(e)높은 에너지 상태의 전자가 많은 경우 : 유도 방출 우세.  즉 “점유 반전(밀도 반전)”

 

**점유 반전은 레이저 동작을 위한 필요 조건이다.

 

 

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그래서 결국 PN diode에서 어떻게 작동하느냐?? 를 알아보면

 

 

다시 말해서

다이오드 레이저는

큰 정 바이어스 전압을 가함으로써 점유 반전을 형성하여, 유도 방출에 의해 빛을 증폭시킬 수 있다

 

또한 

양자-웰 다이오드(Quantum-well diode) 를 이용해서 레이저를 만드는데

 

넓은 갭을 갖는 두 반도체 사이에 상대 적으로 좁은 갭을 갖는 하나의 얇은 반도체 층을 삽입한 형태의 다이오드 특성을 이용한다  // 양자 웰은 매우 좁은 영역에 한정하여 점유 반전이 발생.

 

좁은 양자 웰은 부피가 작으므로, 점유 반전을 달성하기 위해 필요한 과잉 캐리어 의 농도가 상대적으로 더 낮아지게 되고, 따라서 외부에서 주입해야 할 캐리어 개수가 작다.

 

**레이징을 위한 문턱 전류가 작음을 의미.