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PN 접합 광전 원리

1940
  • Russell Ohl
P-N junction in a solar cell demonstrating semiconductor physics.

(설명을 위한 생성된 이미지입니다)

A solar cell’s core is a p-n junction, an interface between p-type and n-type 반도체 materials. This junction creates a built-in electric field in a depletion region. When photons with sufficient energy strike the semiconductor, they create electron-hole pairs. The electric field separates these charge carriers, driving electrons to the n-side and holes to the p-side, generating a voltage.

pn 접합은 대부분의 태양 전지를 구성하는 기본 요소입니다. 이는 양전하 운반체인 정공이 과잉인 p형 반도체와 음전하 운반체인 전자가 과잉인 n형 반도체를 접합하여 형성됩니다. 일반적으로 실리콘과 같은 단일 반도체 결정의 양면에 서로 다른 불순물을 도핑함으로써 이러한 접합이 이루어집니다.

접합면에서 n형 반도체의 전자는 p형 반도체로 확산되고, p형 반도체의 정공은 n형 반도체로 확산됩니다. 이러한 확산 과정은 무한히 계속되지 않습니다. 전자와 정공이 접합면을 통과하면서 재결합하고, n형 반도체에는 이온화된 도너 원자가, p형 반도체에는 이온화된 억셉터 원자가 남게 됩니다. 이렇게 해서 자유 전하 운반체가 부족한 영역, 즉 공핍 영역 또는 공간 전하 영역이 생성됩니다. 이 영역에 고정된 이온화된 원자들은 n형 반도체에서 p형 반도체 방향으로 향하는 강한 정전기장을 형성합니다.

이 내장된 전기장은 매우 중요합니다. 광전 효과반도체의 밴드갭 에너지([latex]E_g[/latex])보다 큰 에너지를 가진 광자가 흡수되면, 가전자대에서 전도대로 전자가 여기되어 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 이 쌍이 공핍 영역 내에서 생성되거나 공핍 영역으로 확산될 수 있을 만큼 가까운 곳에 생성되면, 전기장이 작용합니다. 전기장은 전자를 n형 반도체 쪽으로, 정공을 p형 반도체 쪽으로 이동시킵니다. 이러한 전하 분리는 즉각적인 재결합을 방지하고 p형 반도체에는 양전하, n형 반도체에는 음전하가 축적되도록 합니다. 소자 양단에 발생하는 이러한 전하 분리는 광전압을 발생시키고, 이 광전압은 외부 회로를 통해 전류를 흘려보내 빛 에너지를 전기 에너지로 변환합니다.

UNESCO Nomenclature: 2210
물리학

유형

물리적 장치

분열

혁명가

용법

널리 사용됨

전구체

  • 하인리히 헤르츠의 광전 효과 발견(1887년)
  • 아인슈타인의 광전 효과에 대한 설명 (1905)
  • 반도체 물리학 및 도핑 기술의 발전
  • 금속-반도체 접촉면에서 정류 현상 발견(1874)

응용 프로그램

  • 태양광 패널
  • 포토다이오드
  • 발광 다이오드(LED)
  • 반도체 트랜지스터

특허:

  • US2402662A

잠재적 혁신 아이디어

  • transparent p-n junctions for window-integrated solar cells
  • flexible p-n junctions woven into textiles for 의복 power
  • bio-integrated p-n junctions for powering medical implants
  • p-n junctions optimized for specific narrow-band light sources like lasers
  • acoustic-photovoltaic devices using p-n junctions to convert sound waves into electricity
  • self-healing p-n junctions using polymer-based semiconductors
  • p-n junctions designed for underwater energy harvesting from bioluminescence
  • radiation-hardened p-n junctions for deep space missions using diamond semiconductors
관련 개념: pn 접합, 광전 효과, 반도체, 공핍 영역, 전자-정공 쌍, 전하 분리, 내부 전계, 태양 전지.

역사적 맥락

PN 접합 광전 원리

1932
1933
1937
1940
1947
1950
1950
1931
1932
1936-01-01
1938
1940
1950
1950
1950

(날짜를 알 수 없거나 관련이 없는 경우, 예를 들어 "유체역학"의 경우, 주목할 만한 등장 시기를 대략적으로 추정하여 제공합니다.)

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