Sunlight to current.
광기전 효과 (photovoltaic effect), 빛 알갱이 하나가 전류가 되기까지
Photovoltaic effect — how a single photon becomes electric current
맑은 날 지붕 위의 검푸른 태양전지판은 아무 소리도, 움직임도 없이 그저 햇빛을 받고만 있습니다. 그런데 그 안에서는 1초에 수없이 많은 일이 벌어지고 있습니다. 햇빛은 사실 광자라는 빛 알갱이의 소나기인데, 그 알갱이 하나하나가 실리콘 결정에 부딪혀 전자를 두드려 깨우고 있는 것이지요. 소리 없는 판 위에서 어떻게 전기가 만들어지는 걸까요. 그 비밀은 빛이 입자라는 사실과, 반도체 접합이라는 작은 구조에 있습니다.
On a clear day, the dark blue-black solar panel on a rooftop sits in silence — no sound, no visible motion, just absorbing sunlight. Yet inside, an enormous number of events are unfolding every second. Sunlight is in fact a shower of tiny energy packets called photons, and each one collides with the silicon crystal and knocks electrons loose. How does electricity emerge from a panel that appears to do nothing? The secret lies in the particle nature of light and in a tiny semiconductor structure called a junction.
광자 한 개가 실리콘 안으로 들어가면 전자 한 개를 제자리에서 떼어 내, 자유로운 전자와 그 자리에 남은 빈 구멍(정공)을 한 쌍 만듭니다. 문제는 이 둘이 그대로 두면 곧 다시 만나 사라진다는 것입니다. 여기서 PN 접합의 내부 전기장이 등장해 전자와 정공을 서로 반대쪽으로 떼어 놓고, 그 덕분에 전자가 바깥 회로를 한 바퀴 돌아 흐르게 됩니다. 이렇게 빛에서 곧바로 전류를 뽑아내는 현상을 광기전 효과 (photovoltaic effect)라고 부릅니다.
When a single photon enters silicon it dislodges one electron from its bound state, creating a free electron and a vacant site — a hole — as a pair. Left alone, the two would quickly find each other again and annihilate, returning nothing useful. This is where the internal electric field of the PN junction intervenes: it pushes the electron one way and the hole the other, keeping them apart long enough for the electron to travel around the external circuit and deliver current. The direct conversion of light into current through this mechanism is called the photovoltaic effect.
이 한 문장 안에 사실 두 챕터의 이야기가 포개져 있습니다. 광자가 전자에 에너지를 준다는 것은 아인슈타인의 광전효과(Ch.09)이고, 전자와 정공을 갈라놓는 내부 전기장은 PN 접합(Ch.11)의 작품입니다. 태양전지는 이 두 발견이 한 장의 얇은 실리콘 위에서 만나는 자리인 셈이지요. 아래 시뮬레이션에서 햇빛의 세기와 부하 저항을 직접 바꿔 가며, 태양전지의 성격을 한눈에 보여 주는 I-V 곡선이 어떻게 그려지고 출력이 가장 커지는 지점(MPP)이 어디인지 직접 찾아보세요.
Two chapters of physics converge in this one process. A photon transferring its energy to an electron is Einstein's photoelectric effect (Ch.09); the internal electric field that separates the resulting pair is the work of the PN junction (Ch.11). A solar cell is the meeting point of those two discoveries on a single thin wafer of silicon. Use the simulation below to adjust sunlight intensity and load resistance, and see for yourself how the I-V curve is drawn and where the maximum power point (MPP) sits.
광자 한 개가 전자 한 개를 깨운다.
One photon wakes one electron.
아무것도 움직이지 않는 검은 판이 어떻게 전기를 만들까요?
먼저 햇빛이 무엇인지부터 다시 봐야 합니다. 우리 눈에는 햇빛이 그저 밝고 따뜻한 무언가로 보이지만, 물리학의 눈으로 보면 햇빛은 광자(photon)라는 작은 에너지 알갱이가 쏟아지는 소나기입니다. 1905년 아인슈타인은 빛이 알갱이처럼 행동한다는 것을 보이며, 광자 한 개가 가진 에너지가 진동수 $\nu$에 비례해 $E = h\nu$로 정해진다는 사실을 밝혔습니다. 바로 이 광자 하나가 실리콘 결정 속으로 파고 들어가 전자 하나를 그 자리에서 떼어 내는 것이, 태양전지에서 일어나는 모든 일의 출발점입니다.
실리콘에서 전자가 떨어져 나가면, 묶여 있던 전자 한 개(자유전자)와 그 전자가 빠져나간 빈 자리(정공) 한 개가 한 쌍으로 생겨납니다. 이것을 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이라고 부릅니다. 그런데 이 쌍을 그냥 내버려 두면 곧 서로를 다시 찾아 만나 사라지고 (이를 재결합이라 합니다), 그러면 애써 만든 에너지가 헛되이 빛이나 열로 흩어집니다. 전류를 얻으려면 둘이 다시 만나기 전에 재빨리 갈라놓아야 하는데, 그 일을 해 주는 것이 바로 PN 접합의 내부 전기장입니다. 전자는 한쪽으로, 정공은 반대쪽으로 밀려나 결국 바깥 회로를 통해 전자가 흐르게 되지요.
How does a silent black panel generate electricity?
We must first revisit what sunlight actually is. To the naked eye it appears simply bright and warm, but through the lens of physics it is a downpour of tiny energy packets called photons. In 1905 Einstein showed that light behaves like particles, and that the energy of a single photon is proportional to its frequency $\nu$: $E = h\nu$. It is precisely this one photon boring into a silicon crystal and knocking one electron free that starts every event inside a solar cell.
When an electron is dislodged from silicon, a free electron and the empty site it left behind — a hole — are created as a pair, called an electron-hole pair. Left undisturbed, the pair quickly re-finds each other and recombines (disappearing), wasting all that energy as light or heat. To extract current, the two must be separated before recombination occurs, and this is exactly what the internal electric field of the PN junction does. The field pushes the electron one way and the hole the other, so the electron is forced around the external circuit and a current flows.
Q1 모든 햇빛이 다 전기로 바뀌는 건 아니라던데, 왜 그럴까요?
Q1 Why doesn't all sunlight get converted into electricity?
Q2 전자와 정공은 왜 굳이 갈라놓아야 하나요?
Q2 Why must the electron and hole be separated at all?
실리콘이 광자를 흡수해 전자-정공 쌍을 만들려면 광자의 에너지가 밴드갭 이상이어야 합니다. 즉 $h\nu \geq E_g$일 때만 흡수가 일어나며, 이를 파장으로 옮기면 $\lambda \leq hc/E_g$가 됩니다. 실리콘($E_g \approx 1.12$ eV)에 넣어 계산하면 약 1107 nm까지의 빛(근적외선 이하)을 흡수할 수 있다는 뜻입니다. 다행히 우리 눈에 보이는 가시광선(약 400~700 nm)은 에너지가 1.77~3.1 eV로 모두 이 문턱을 넘기 때문에, 실리콘은 햇빛의 대부분을 흡수합니다.
For silicon to absorb a photon and generate an electron-hole pair, the photon energy must equal or exceed the band gap: $h\nu \geq E_g$. In wavelength terms this becomes $\lambda \leq hc/E_g$. For silicon ($E_g \approx 1.12$ eV) the calculation gives an absorption edge at roughly 1107 nm — meaning silicon absorbs all light up to the near-infrared. The visible range (roughly 400–700 nm, energies 1.77–3.1 eV) comfortably exceeds this threshold, so silicon captures the bulk of sunlight.
태양전지의 동작은 다이오드 한 개에 빛으로 생긴 전류원을 더한 간단한 회로로 잘 설명됩니다. 셀에 흐르는 전류는 $I = I_{\text{ph}} - I_0\!\left(e^{qV/nk_BT} - 1\right)$로 쓰는데, 여기서 $I_{\text{ph}}$는 빛이 만든 광생성 전류(햇빛 세기에 비례), $I_0$는 재결합으로 새어 나가는 포화 전류, $n$은 다이오드의 이상 계수(보통 1~2), $V$는 셀 양단 전압입니다. 위 시뮬레이션에서 보는 I-V 곡선의 모양이 바로 이 식 그 자체입니다.
Solar cell operation is well described by a simple circuit: a current source (photogenerated current) in parallel with a single diode. The cell current is $I = I_{\text{ph}} - I_0\!\left(e^{qV/nk_BT} - 1\right)$, where $I_{\text{ph}}$ is the photocurrent (proportional to irradiance), $I_0$ is the diode saturation current (recombination loss), $n$ is the ideality factor (typically 1–2), and $V$ is the terminal voltage. The I-V curve shown in the simulation above is a direct plot of this equation.
한 장의 셀을 평가할 때는 네 가지 값을 봅니다. 회로를 완전히 단락시키면(V=0) 광생성 전자가 모두 흘러 가장 큰 전류 단락전류 I_sc가 흐릅니다. 반대로 회로를 열면(I=0) 광생성과 재결합이 균형을 이루는 지점에서 가장 큰 전압 개방전압 V_oc가 나옵니다. 이 둘은 각각 전류와 전압이 최대인 양 끝점이라 출력 $P=VI$는 0입니다. 출력이 가장 커지는 가운데 지점이 최대 출력점(MPP)이고, 곡선이 얼마나 직사각형에 가까운지를 나타내는 충전율(FF) = $P_{\max}/(V_{oc} I_{sc})$가 클수록(보통 0.75~0.85) 좋은 셀입니다.
Four values summarise a cell. Short-circuiting the cell (V = 0) lets all photogenerated electrons flow freely, giving the largest current: short-circuit current I_sc. Opening the circuit (I = 0) lets photogeneration and recombination reach equilibrium, giving the largest voltage: open-circuit voltage V_oc. Both endpoints deliver zero output power ($P = VI = 0$). The point where $P$ peaks is the maximum power point (MPP), and how closely the I-V curve fills the rectangle bounded by $V_{oc}$ and $I_{sc}$ is quantified by the fill factor (FF) = $P_{\max}/(V_{oc} I_{sc})$, with higher values (typically 0.75–0.85) indicating a better cell.
태양전지를 작은 물레방아라고 생각해 보세요. 햇빛은 위에서 떨어지는 물방울(광자)이고, 물방울 하나가 떨어질 때마다 바퀴의 칸(전자) 하나를 밀어 돌립니다. 다만 물방울이 너무 약하면(에너지가 밴드갭보다 작으면) 바퀴를 못 돌리고 흘러내리고, 너무 세게 떨어지면 그 남는 힘은 그냥 튀어 사라집니다. 그리고 바퀴가 헛돌지 않도록 물길(PN 접합)을 한 방향으로만 트여 놓아야 비로소 일이 됩니다. 가장 세게 돌아가는 순간이 바로 최대 출력점(MPP)입니다.
Think of a solar cell as a tiny waterwheel. Sunlight is a shower of droplets (photons) falling from above, and each droplet strikes a paddle (electron) and gives it a push. A droplet that is too weak (energy below the band gap) fails to turn the paddle and runs off unused; a droplet that strikes too hard spins the paddle and wastes the leftover force as heat. The channel (PN junction) must be opened in only one direction to stop the paddles from spinning backwards. The moment the wheel turns fastest is the maximum power point (MPP).
쇼클리와 퀘이서는 1961년, 단일 밴드갭 셀이 도달할 수 있는 이론 최대 효율을 "상세 균형(detailed balance)" 논증으로 계산했습니다. 그 결과 최적 밴드갭 $E_g \approx 1.34$ eV에서 약 33%가 한계로 나옵니다. 손실은 두 갈래입니다. 밴드갭보다 큰 광자의 여분 에너지가 열로 빠지는 열화 손실(thermalization)과, 밴드갭보다 작은 광자가 아예 흡수되지 못하는 미흡수 손실(sub-bandgap loss)입니다. 이 둘은 서로 반대 방향으로 작용해, 밴드갭을 키우면 한쪽이 줄고 다른 쪽이 늘어 결국 중간쯤에서 최적이 잡힙니다.
In 1961, Shockley and Queisser calculated the theoretical maximum efficiency of a single-band-gap cell using the "detailed balance" argument. The result places the limit at roughly 33% for an optimal band gap of $E_g \approx 1.34$ eV. Two competing losses drive this ceiling. Thermalization loss: photons with energy above the band gap lose their excess energy as heat before the carrier can be collected. Sub-bandgap loss: photons with energy below the band gap are not absorbed at all. The two losses act in opposite directions — widening the band gap reduces thermalization but increases sub-bandgap loss — so the optimum lands somewhere in between.
단일 밴드갭의 한계를 우회하려면 밴드갭이 다른 셀을 여러 층 쌓아, 짧은 파장은 위층의 넓은 밴드갭이, 긴 파장은 아래층의 좁은 밴드갭이 나눠 흡수하게 합니다. 이렇게 하면 열화 손실과 미흡수 손실을 동시에 줄일 수 있어, 이론 한계가 무한 접합에서 약 86%까지 올라갑니다. 실제로 페로브스카이트와 실리콘을 겹친 탠덤 셀은 실험실에서 단일접합 한계를 넘어선 효율이 보고되고 있습니다(예시 수준, 연구실 측정값 기준).
To work around the single-band-gap ceiling, cells with different band gaps are stacked so that short-wavelength photons are absorbed by the wider-band-gap top layer and long-wavelength photons by the narrower-band-gap bottom layer. This simultaneously reduces both thermalization and sub-bandgap losses, and the theoretical limit rises to roughly 86% for infinitely many junctions. In practice, tandem cells combining perovskite and silicon have reported laboratory efficiencies exceeding the single-junction limit (illustrative, laboratory measurement basis).
실리콘 셀에서 흡수된 광자 한 개는 거의 어김없이 전자-정공 쌍 한 개를 만들어, 양자 효율은 100%에 가깝습니다. 그런데 에너지 효율은 그보다 훨씬 낮은데, 광자가 가져온 에너지 중 밴드갭만큼만 전기로 쓰이고 나머지는 버려지기 때문입니다. "셀 효율이 낮다"는 말은 전자를 못 만든다는 뜻이 아니라, 광자의 에너지를 알뜰하게 다 쓰지 못한다는 뜻입니다.
In a silicon cell, almost every absorbed photon creates exactly one electron-hole pair, so the external quantum efficiency approaches 100%. Yet the energy conversion efficiency is far lower: of all the energy a photon carries, only the fraction equal to the band gap can be converted into electricity — the rest is discarded. Saying "the cell efficiency is low" does not mean the cell fails to create electrons; it means the cell cannot make full use of each photon's energy.
오늘의 핵심은 두 단계입니다. 첫째, 광자 한 개가 밴드갭 이상의 에너지로 실리콘 속 전자 하나를 깨워 전자-정공 쌍을 만듭니다(광전효과). 둘째, PN 접합의 내부 전기장이 그 쌍이 다시 만나기 전에 갈라놓아 전자를 회로로 흐르게 합니다. 셀의 성격은 단락전류, 개방전압, 최대 출력점, 충전율 네 숫자로 요약되고, 햇빛 전부가 아니라 밴드갭에 맞는 몫만 전기가 되기에 단일접합 셀에는 약 33%라는 천장(쇼클리-퀘이서 한계)이 있습니다. 다음 레슨에서는 이 원리를 실제 실리콘 태양전지의 구조와 제조로 한 걸음 더 들어가 봅니다.
The lesson centres on two steps. First, a photon with energy at or above the band gap frees one electron in silicon, creating an electron-hole pair (photoelectric effect). Second, the PN junction's internal electric field separates that pair before recombination, driving the electron through an external circuit. A cell's character is summarised by four numbers — short-circuit current, open-circuit voltage, maximum power point, and fill factor — and because only photons matched to the band gap are used efficiently, single-junction cells face a theoretical ceiling of roughly 33% (the Shockley-Queisser limit). The next lesson steps inside the structure and fabrication of a real silicon solar cell.
CHECK 스스로 확인하기
1. 밴드갭보다 에너지가 작은 광자(긴 파장)는 실리콘 셀에서 어떻게 될까요?
→ 전자를 떼어 낼 힘이 모자라 흡수되지 못하고 그냥 통과합니다. 이것이 미흡수 손실입니다.
2. 단락(I_sc) 지점과 개방(V_oc) 지점에서 셀의 출력 P=VI 는 각각 얼마일까요?
→ 둘 다 0입니다. 단락은 V=0, 개방은 I=0 이라 곱이 0이 됩니다. 실제 출력은 그 사이의 최대 출력점(MPP)에서 나옵니다.
3. 실리콘 셀의 양자 효율은 100%에 가까운데 에너지 효율은 왜 그보다 훨씬 낮을까요?
→ 흡수된 광자는 거의 모두 전자를 만들지만(양자 효율↑), 광자 에너지 중 밴드갭만큼만 전기가 되고 나머지는 열로 손실되기 때문입니다.
CHECK Self-check
1. What happens to a photon whose energy is below the silicon band gap?
→ It lacks enough energy to free an electron and passes straight through without being absorbed. This is the sub-bandgap (transmission) loss.
2. What is the output power P = VI at the short-circuit (I_sc) and open-circuit (V_oc) points?
→ Zero in both cases. At short-circuit V = 0, at open-circuit I = 0, so the product is zero either way. Useful power is extracted only at the maximum power point (MPP) between the two extremes.
3. If silicon's quantum efficiency is nearly 100%, why is its energy efficiency so much lower?
→ Almost every absorbed photon does generate an electron (hence the high quantum efficiency), but of the photon's energy only the fraction equal to the band gap is converted to electricity — the rest is lost as heat. A "low-efficiency cell" does not fail to generate electrons; it fails to use the photon's full energy.