광전효과: 실리콘(Si)의 광흡수원리

모든 고체는 원자의 배열, 반지름 길이, 결합방식 등에 따라서 각각 다른 밴드 갭을 형성하고 있다. 밴드 갭의 크기에 따라 광을 흡수하는 성질이 달라진다. 실리콘(Si)의 경우 그림1과 같이 1.12eV의 밴드갭을 가진다.

 

 

그림1. 실리콘(Si)의 밴드모형(Band diagram)과 광전효과(photoelectric effect)

 

다음 플랑크 식에 의해서 물질의 밴드 갭을 이용해 파장을 구할 수 있다.

 

 

Eg는 물질의 밴드 갭, h는 플랑크 상수이다. 실리콘의 경우 위 식의 밴드갭(Eg)에 1.12eV를 대입하여 파장을 구해보면 1100nm의 길이를 가진 파장값이 나온다. 1100nm보다 긴 파장이 실리콘과 만나게되면, 실리콘은 그 파장들을 흡수하지 못하여 통과하고 1100nm보다 짧은 파장들만 흡수하여 전도 띠(Conduction Band)와 원자 가띠(Valence Band)에 각각 전자와 홀 쌍을 생성시킨다. 그리고 1100nm보다 더 짧은 파장일수록 실리콘에 흡수되면서 대부분 열에너지로 손실된다. 결과적으로 그림 2와 같이 실리콘 웨이퍼에 입사된 빛의 분광 조사강도(Solar spectral irradiance) 보다보다 더 낮은 출력을 낸다.

 

 

그림2. 분광조사강도(Solar spectral irradiance)

 

참고자료 

[1] 김건영, "[캡스톤디자인]전자공학과 학사 졸업논문 - 주제 : M-S접합 태양전지(최우상작)", (2019)
[2] 김건영, "[캡스톤디자인]전자공학과 학사 졸업발표 - 주제 : M-S접합 태양전지(최우상작)", (2019)
[3] Fraunhofer ISE