태양 전지 이론

[섬네일|400px|매우 낮은 전류([페르미 준위 수평), 매우 낮은 전압(금속 원자가띠 높이 동일), 그리고 매우 낮은 조도에 해당하는 태양 전지의 띠 도표]]

**태양 전지 이론**()은 광자의 빛 에너지가 적합한 반도체 소자에 부딪힐 때 전류로 변환되는 과정을 설명한다. 이론적인 연구는 태양 전지의 근본적인 한계를 예측하고 손실과 태양 전지 효율에 기여하는 현상에 대한 지침을 제공하기 때문에 실용적이다.

## 작동 원리
# 햇빛의 광자가 태양 전지판에 부딪혀 반도체 물질에 흡수된다.
# 전자 (음전하)는 여기되면서 원자에서 떨어져 나온다. 특수한 구조와 태양 전지 내의 물질 덕분에 전자는 한 방향으로만 이동할 수 있다. 물질의 전자 구조는 이 과정이 작동하는 데 매우 중요하며, 종종 소량의 붕소 또는 인을 함유한 규소가 다른 층에 사용된다.
# 태양 전지 배열은 태양 에너지를 사용 가능한 양의 직류 (DC) 전기로 변환한다.

## 전하 운반자의 광생성
광자가 반도체 조각에 부딪히면 세 가지 중 하나가 발생할 수 있다.
# 광자가 반도체를 그대로 통과할 수 있다. 이는 (일반적으로) 낮은 에너지 광자에서 발생한다.
# 광자가 표면에서 반사될 수 있다.
# 광자 에너지가 띠틈 값보다 높으면 광자가 반도체에 흡수될 수 있다. 이 경우 띠 구조에 따라 전자-정공 쌍과 때로는 열이 발생한다.

[300 px|섬네일|매우 낮은 전류([페르미 준위 수평), 매우 낮은 전압(금속 원자가띠 높이 동일), 그리고 매우 낮은 조도에 해당하는 규소 태양 전지의 띠 도표]]
광자가 흡수되면 그 에너지는 결정 격자 내의 전자에게 전달된다. 보통 이 전자는 원자가띠에 있다. 광자에 의해 전자에게 주어진 에너지는 전자를 전도띠로 "여기"시켜 반도체 내에서 자유롭게 움직일 수 있게 한다. 전자가 이전에 속해 있던 공유 결합 네트워크는 이제 전자가 하나 부족하다. 이것을 정공이라고 하며 양전하를 띤다. 공유 결합이 하나 없으면 이웃 원자의 결합 전자가 "정공"으로 이동하여 다른 정공을 남기므로 음전하를 띤 전자의 움직임과 반대 방향으로 격자 전체에 정공이 전파된다. 반도체에 흡수된 광자가 전자-정공 쌍을 생성한다고 말할 수 있다.

광자는 전자를 원자가띠에서 전도띠로 여기시키기 위해 띠틈보다 큰 에너지를 가져야 한다. 그러나 태양의 주파수 스펙트럼은 약 5,800&nbsp;K의 흑체 스펙트럼에 근접하며, 따라서 지구에 도달하는 태양 복사 에너지의 상당 부분은 규소의 띠틈(1.12eV)보다 큰 에너지를 가진 광자로 구성되어 있으며, 이는 지상 태양 전지의 이상적인 값(1.4eV)에 가깝다. 이러한 고에너지 광자는 규소 태양 전지에 흡수되지만, 이 광자와 규소 띠틈 사이의 에너지 차이는 사용 가능한 전기 에너지로 변환되지 않고 열(격자 진동—포논이라고 함—을 통해)로 변환된다.

## PN 접합

가장 일반적으로 알려진 태양 전지는 규소로 만들어진 대면적 PN 접합으로 구성된다. 간단히 말해서, n형 규소 층을 p형 규소 층과 직접 접촉시킨다고 상상할 수 있다. n형 도핑은 이동 가능한 전자를 생성(양전하를 띤 도너를 남김)하고 p형 도핑은 이동 가능한 정공을 생성(음전하를 띤 억셉터를 남김)한다. 실제로는 규소 태양 전지의 PN 접합은 이런 식으로 만들어지지 않고, p형 웨이퍼의 한 면에 n형 도펀트를 확산시키거나 (그 반대도 가능) 한다.

p형 규소 조각이 n형 규소 조각과 밀접하게 접촉하면, 높은 전자 농도 영역(접합부의 n형 쪽)에서 낮은 전자 농도 영역(접합부의 p형 쪽)으로 전자의 확산이 발생한다. 전자가 p형 쪽으로 확산되면 각각의 전자가 정공과 결합하여 그 쪽이 순수하게 음전하를 띠게 된다 (이동 가능한 양전하 정공의 수가 음전하 억셉터의 수보다 적기 때문). 마찬가지로, n형 쪽으로 확산되는 정공은 그 쪽을 더 양전하를 띠게 만든다. 그러나 (외부 회로가 없는 경우) 이러한 운반자의 확산 전류는 무한정 계속되지 않는데, 접합부 양쪽에 전하가 축적되면 더 많은 전하의 추가 확산을 방해하는 전기장이 생성되기 때문이다. 결국, 순전류가 0이 되는 평형 상태에 도달하며, 접합부 양쪽에는 전자와 정공이 접합부를 가로질러 확산하여 서로 소멸한 영역인 공핍층이 남게 된다. 이 영역에는 거의 이동 가능한 전하 운반자가 없기 때문에 공핍 영역이라고 한다. 공간 전하 영역이라고도 하지만, 공간 전하는 공핍 영역보다 양방향으로 약간 더 확장된다.

평형이 확립되면, 공핍 영역에서 생성된 전자-정공 쌍은 전기장에 의해 분리되어 전자는 양전하를 띤 n형 쪽으로 끌려가고 정공은 음전하를 띤 p형 쪽으로 끌려가서, 방금 설명된 확산에 의해 축적된 전하(및 전기장)를 감소시킨다. 만약 장치가 연결되지 않았거나(또는 외부 부하가 매우 높은 경우) 확산 전류가 결국 전자와 정공을 접합부를 가로질러 다시 이동시켜 평형 전하를 복원할 것이지만, 연결된 부하가 충분히 작으면 전자는 평형을 복원하려는 시도에서 외부 회로를 통해 이동하는 것을 선호하며, 도중에 유용한 일을 한다.

## 전하 운반자 분리
태양 전지에서 전하 운반자 운동 및 분리의 두 가지 원인은 다음과 같다.

# 전기장에 의해 구동되는 운반자의 **드리프트**로, 전자는 한 방향으로, 정공은 다른 방향으로 밀려난다.
# 높은 운반자 농도 영역에서 낮은 운반자 농도 영역으로의 운반자 **확산** (화학적 전위의 기울기를 따름).

이 두 가지 "힘"은 셀의 어떤 지점에서 서로 상충될 수 있다. 예를 들어, 접합부를 통해 p 영역에서 n 영역으로 이동하는 전자(이 문서 시작 부분의 다이어그램과 같이)는 농도 기울기에 반대되는 전기장에 의해 밀려난다. 반대 방향으로 움직이는 정공도 마찬가지이다.

강한 전기장이 존재하는 공핍 영역에서 생성된 전자-정공 쌍을 고려할 때 전류가 어떻게 생성되는지 이해하는 것이 가장 쉽다. 전자는 이 장에 의해 n 쪽으로, 정공은 p 쪽으로 밀려난다. (이는 발광 다이오드와 같은 순방향 바이어스 다이오드에서 전류의 방향과 반대이다.) 쌍이 전기장이 더 작은 공간 전하 영역 외부에서 생성될 때, 확산도 운반자를 이동시키는 역할을 하지만, 접합부는 p 쪽에서 도달하는 전자를 n 쪽으로 쓸어내고, n 쪽에서 도달하는 정공을 p 쪽으로 쓸어내어 공간 전하 영역 외부에 농도 기울기를 생성함으로써 여전히 역할을 한다.

두꺼운 태양 전지에서는 공간 전하 영역 외부의 활성 영역에 전기장이 거의 없으므로 전하 운반자 분리의 주요 모드는 확산이다. 이러한 셀에서는 소수 운반자의 확산 길이(광생성 운반자가 재결합하기 전에 이동할 수 있는 길이)가 셀 두께에 비해 커야 한다. 박막 셀(예: 비정질 규소)에서는 소수 운반자의 확산 길이가 결함 존재로 인해 일반적으로 매우 짧으며, 따라서 지배적인 전하 분리는 셀 전체 두께에 걸쳐 확장되는 접합부의 정전기장에 의해 구동되는 드리프트이다.

소수 운반자가 드리프트 영역으로 들어가면 접합부를 가로질러 '쓸려' 가고, 접합부의 반대편에서는 다수 운반자가 된다. 이 역전류는 열적으로 그리고 (존재하는 경우) 빛의 흡수에 의해 공급되는 생성 전류이다. 반면에 다수 운반자는 확산(농도 기울기에서 발생)에 의해 드리프트 영역으로 구동되어 순방향 전류로 이어진다. 가장 높은 에너지(소위 볼츠만 꼬리; 맥스웰-볼츠만 통계 참조)를 가진 다수 운반자만이 드리프트 영역을 완전히 통과할 수 있다. 따라서 전체 장치의 운반자 분포는 역전류와 순방향 전류 사이의 동적 평형에 의해 지배된다.

## 외부 부하 연결
옴성 금속-반도체 접촉은 태양 전지의 n형 및 p형 양쪽에 만들어지고, 전극은 외부 부하에 연결된다. n형 쪽에서 생성되거나 p형 쪽에서 생성되어 접합부에 의해 "수집"되어 n형 쪽으로 쓸려간 전자는 전선을 통해 이동하여 부하에 전력을 공급하고, p형 반도체-금속 접촉에 도달할 때까지 전선을 통해 계속 이동할 수 있다. 여기에서 그들은 태양 전지의 p형 쪽에서 전자-정공 쌍으로 생성되었거나, n형 쪽에서 생성된 후 접합부를 가로질러 쓸려온 정공과 재결합한다.

측정된 전압은 두 단자에서 다수 운반자(n형 부분의 전자 및 p형 부분의 정공)의 준페르미 준위 차이와 같다.

## 태양 전지의 등가 회로
섬네일|280x280px|태양 전지의 등가 회로
이상적인 태양 전지의 PN 접합에 대한 등가 회로 모델은 이상적인 전류원 (광생성 전류 I_\text{L}은 빛의 강도에 따라 증가)과 다이오드 (전류 I_\text{D}는 재결합 손실을 나타냄)가 병렬로 연결된 것을 사용한다. 저항 손실을 설명하기 위해 션트 저항 R_\text{SH}와 직렬 저항 R_\text{S}가 집중 소자로 추가된다. 결과 출력 전류 I_\text{out}는 광생성 전류에서 다이오드 및 션트 저항을 통한 전류를 뺀 것과 같다.

:I_\text{out} = I_\text{L} - I_\text{D} - I_\text{SH}

접합 전압(다이오드 및 션트 저항 양단)은 다음과 같다.

:V_\text{j} = V_\text{out} + I_\text{out} \, R_\text{S}

여기서 V_\text{out}은 출력 단자 양단의 전압이다. 션트 저항을 통한 누설 전류 I_\text{SH}는 옴의 법칙에 따라 접합 전압 V_\text{j}에 비례한다.
:I_\text{SH} = \frac{V_\text{j}}{R_\text{SH}}

쇼클리 다이오드 방정식에 의해 다이오드를 통해 전환되는 전류는 다음과 같다.

:I_\text{D} = I_{0} \left\{\exp\left[\frac{V_\text{j}}{nV_\text{T}}\right] - 1\right\}

여기서
*I0, 역 포화 전류
*n, 다이오드 이상성 인자 (이상적인 다이오드의 경우 1)
*q, 기본 전하
*k, 볼츠만 상수
*T, 절대 온도
*V_\text{T} = kT/q, 열 전압. 25&nbsp;°C에서 V_\text{T} \approx 0.0259 볼트.

이들을 첫 번째 방정식에 대입하면 태양 전지의 특성 방정식이 생성되며, 이는 태양 전지 매개변수를 출력 전류 및 전압과 관련시킨다.
:I_\text{out} = I_\text{L} - I_{0} \left\{\exp\left[\frac{V_\text{out} + I_\text{out} R_\text{S}}{nV_\text{T}}\right] - 1\right\} - \frac{V_\text{out} + I_\text{out} R_\text{S}}{R_\text{SH}}.

대안적인 유도 방식은 외관상 유사하지만 왼쪽에 V_\text{out}이 있는 방정식을 생성한다. 두 대안은 항등식이다. 즉, 정확히 동일한 결과를 산출한다.

매개변수 I0, n, RS, RSH는 직접 측정할 수 없으므로, 특성 방정식의 가장 일반적인 적용은 태양 전지 동작에 대한 이들의 결합된 효과를 기반으로 이러한 매개변수의 값을 추출하는 비선형 회귀이다.

RS가 0이 아닐 때, 위 방정식은 I_\text{out}을 직접 제공하지 않지만, 이 경우 람베르트 W 함수를 사용하여 풀 수 있다.

:I_\text{out} = \frac{(I_\text{L} + I_0) - V_\text{out} / R_\text{SH}}{1 + R_\text{S} / R_\text{SH}} - \frac{n V_\text{T}}{R_\text{S}} W\left(\frac{I_0 R_\text{S}}{n V_\text{T}(1 + R_\text{S}/R_\text{SH})} \exp\left(\frac {V_\text{out}}{n V_\text{T}}\left(1 - \frac{R_\text{S}}{R_\text{S} + R_\text{SH}}\right) + \frac{(I_\text{L} + I_0)R_\text{S}}{n V_\text{T}(1 + R_\text{S}/R_\text{SH})}\right)\right)

외부 부하가 셀과 함께 사용되는 경우, 그 저항을 단순히 RS에 추가하고 V_\text{out}을 0으로 설정하여 전류를 찾을 수 있다.

 I_0 R_\text{S}/n V_\text{T} 가 작을 때,  x \to 0 일 때  x^{-1} W\left( x y \right) \to y  근사를 사용하여 훨씬 다루기 쉬운 식을 얻을 수 있다.

:I_\text{out} = \frac{(I_\text{L} + I_0) - V_\text{out} / R_\text{SH}}{1 + R_\text{S} / R_\text{SH}} - \frac{I_0 }{(1 + R_\text{S}/R_\text{SH})} \exp\left(\frac {V_\text{out}}{n V_\text{T}}\left(1 - \frac{R_\text{S}}{R_\text{S} + R_\text{SH}}\right) + \frac{(I_\text{L} + I_0)R_\text{S}}{n V_\text{T}(1 + R_\text{S}/R_\text{SH})}\right) .

이제 몇 가지 추가적인 단순화가 가능하며, 예를 들어  R_\text{S} \ll R_\text{SH} 일 때는 다음을 얻는다.

:I_\text{out} = I_\text{L} + I_0 - \frac{V_\text{out} }{ R_\text{SH} } - I_0 \exp\left( \frac{V_\text{out}+(I_\text{L} + I_0)R_\text{S}}{n V_\text{T}}\right) .

PV에 의해 생성되는 전류가 션트의 전류에 비해 클 때, 즉  I_\text{L} \gg V_\text{out}/R_\text{SH}  (션트 저항이 크기 때문에) I_\text{L} + I_0보다 작은 I_\text{out}에 대해 V_\text{out}의 해석적 해는 다음과 같다.

:V_\text{out} = nV_\text{T}\ln\left(\frac{I_\text{L} - I_\text{out}}{I_0} + 1\right) - (I_\text{L} + I_0) R_\text{S}.

그렇지 않으면 람베르트 W 함수를 사용하여 V_\text{out}을 풀 수 있다.

:V = (I_\text{L} + I_0)R_\text{SH} - I(R_\text{S} + R_\text{SH}) - nV_\text{T}W\left(\frac{I_0 R_\text{SH}}{nV_\text{T}}\exp\left(\frac{(I_\text{L} + I_0 - I)R_\text{SH}}{nV_\text{T}}\right)\right)

그러나 RSH가 클 때는 원래 방정식을 수치적으로 푸는 것이 더 좋다.

해의 일반적인 형태는 V_\text{out}이 증가함에 따라 I_\text{out}이 감소하는 곡선이다(아래 그래프 참조). 작거나 음의 V_\text{out} (W 함수가 거의 0에 가까운 곳)에서의 기울기는 -1/(R_\text{S} + R_\text{SH})에 접근하는 반면, 높은 V_\text{out}에서의 기울기는 -1/R_\text{S}에 접근한다. 따라서 높은 최적 출력 전력 P_\text{out}=I_\text{out}V_\text{out}을 위해서는 R_\text{SH}가 크고 R_\text{S}가 작아야 한다.

### 개방 회로 전압 및 단락 전류
셀이 개방 회로에서 작동할 때 I_\text{out}= 0이고 출력 단자 양단의 전압은 개방 회로 전압으로 정의된다. 션트 저항이 특성 방정식의 마지막 항을 무시할 수 있을 만큼 충분히 높다고 가정하면 개방 회로 전압 VOC는 다음과 같다.

:V_\text{OC} \approx \frac{nkT}{q} \ln \left(\frac{I_\text{L}}{I_0} + 1\right).

마찬가지로 셀이 합선에서 작동할 때 V_\text{out} = 0이고 단자를 통한 전류 I_\text{SC}는 단락 전류로 정의된다. 고품질 태양 전지(낮은 RS와 I0, 높은 RSH)의 경우 단락 전류는 다음과 같음을 보일 수 있다.

:I_\text{SC} \approx I_\text{L}.

개방 회로 또는 단락 회로 조건에서는 장치에서 전력을 추출할 수 없다.

### 물리적 크기의 영향
IL, I0, RS, RSH 값은 태양 전지의 물리적 크기에 따라 달라진다. 다른 모든 조건이 동일한 셀을 비교할 때, 접합 면적이 두 배인 셀은 원칙적으로 광전류가 생성되고 다이오드 전류가 흐를 수 있는 면적이 두 배이므로 IL과 I0가 두 배가 된다. 같은 논리로, 수직 전류 흐름과 관련된 직렬 저항 RS는 절반이 된다. 그러나 대면적 규소 태양 전지의 경우, 측면 전류 흐름에 의해 발생하는 직렬 저항의 스케일링은 그리드 설계에 결정적으로 의존하므로 쉽게 예측할 수 없다("다른 모든 조건이 동일함"이 이 점에서 무엇을 의미하는지 불분명하다). 션트 유형에 따라 더 큰 셀은 션트가 발생할 수 있는 면적이 두 배이므로 RSH도 절반이 될 수 있다. 반면에 션트가 주로 둘레에서 발생한다면 RSH는 면적이 아닌 둘레의 변화에 따라 감소할 것이다.

전류 변화가 지배적이고 서로 상쇄되므로 개방 회로 전압은 거의 동일하다. VOC는 RSH가 너무 낮아질 때만 셀 크기에 의존하기 시작한다. 전류의 지배력을 설명하기 위해 특성 방정식은 종종 전류 밀도 또는 단위 셀 면적당 생성되는 전류로 표현된다.

:J = J_\text{L} - J_{0} \left\{\exp\left[\frac{q(V_\text{out} + J r_\text{S})}{nkT}\right] - 1\right\} - \frac{V_\text{out} + J r_\text{S}}{r_\text{SH}}

여기서
*J, 전류 밀도 (암페어/cm2)
*JL, 광생성 전류 밀도 (암페어/cm2)
*J0, 역 포화 전류 밀도 (암페어/cm2)
*rS, 비직렬 저항 (Ω·cm2)
*rSH, 비션트 저항 (Ω·cm2).

이 공식은 몇 가지 장점이 있다. 하나는 셀 특성이 공통 단면적을 기준으로 하므로 물리적 크기가 다른 셀을 비교할 수 있다는 점이다. 이는 모든 셀이 동일한 크기인 제조 환경에서는 이점이 제한적이지만, 연구 및 제조업체 간의 셀 비교에는 유용하다. 또 다른 장점은 밀도 방정식이 매개변수 값을 자연스럽게 비슷한 크기로 스케일링하여 순진한 해법으로도 수치적 추출을 더 간단하고 정확하게 만들 수 있다는 점이다.

이 공식에는 실제적인 한계가 있다. 예를 들어, 셀 크기가 줄어들면 특정 기생 효과의 중요성이 커지고 추출된 매개변수 값에 영향을 미칠 수 있다. 접합부의 재결합 및 오염은 셀의 둘레에서 가장 큰 경향이 있으므로, 매우 작은 셀은 다른 모든 조건이 동일한 더 큰 셀보다 더 높은 J0 값 또는 더 낮은 RSH 값을 나타낼 수 있다. 이러한 경우, 셀 간의 비교는 신중하게 그리고 이러한 효과를 염두에 두고 이루어져야 한다.

이 접근 방식은 유사한 레이아웃을 가진 태양 전지를 비교하는 데만 사용되어야 한다. 예를 들어, 일반적인 결정질 실리콘 태양 전지와 같은 주로 정사각형 태양 전지와 일반적인 박막 태양 전지와 같이 좁지만 긴 태양 전지 사이의 비교는 전류 경로의 종류가 다르기 때문에 잘못된 가정을 초래할 수 있으며, 예를 들어 rS에 대한 분산 직렬 저항 기여의 영향이 발생할 수 있다. 태양 전지의 매크로 아키텍처는 어떤 고정된 부피에 다른 표면적이 배치될 수 있게 할 수 있다. 특히 박막 태양 전지와 유연 태양 전지는 고도로 복잡한 접힌 구조를 허용할 수 있기 때문이다. 부피가 구속 조건이라면 표면적 기반의 효율 밀도는 덜 중요할 수 있다.

### 투명 전도성 전극
섬네일|태양 전지 전극에 의한 전하 수집 도식. 빛이 투명 전도성 전극을 통해 투과하여 전자-정공 쌍을 생성하고, 이는 양쪽 전극에 의해 수집된다.

투명 전도성 전극은 태양 전지의 필수적인 구성 요소이다. 이는 인듐 주석 산화물의 연속적인 박막이거나 전도성 와이어 네트워크인데, 와이어는 전하 수집기 역할을 하고 와이어 사이의 빈 공간은 빛에 투명하다. 와이어 네트워크의 최적 밀도는 최대 태양 전지 성능에 필수적인데, 와이어 밀도가 높으면 빛 투과를 방해하고, 와이어 밀도가 낮으면 전하 운반자가 더 많은 거리를 이동해야 하므로 높은 재결합 손실로 이어진다.

### 셀 온도
섬네일|250px|온도가 태양 전지의 전류-전압 특성에 미치는 영향

온도는 특성 방정식에 두 가지 방식으로 영향을 미친다. 첫째, 지수 항의 T를 통해 직접적으로 영향을 미치고, 둘째, I0에 미치는 영향을 통해 간접적으로 영향을 미친다(엄밀히 말하면 온도는 모든 항에 영향을 미치지만 이 두 가지가 다른 항보다 훨씬 더 중요하다). T가 증가하면 특성 방정식의 지수 크기는 감소하지만, I0 값은 T에 따라 지수적으로 증가한다. 순 효과는 온도가 증가함에 따라 VOC(개방 회로 전압)가 선형적으로 감소하는 것이다. 이 감소의 크기는 VOC에 반비례한다. 즉, VOC 값이 높은 셀은 온도가 증가함에 따라 전압 감소가 작다. 대부분의 결정질 규소 태양 전지에서 온도에 따른 VOC 변화는 약 −0.50%/°C이지만, 최고 효율 결정질 규소 셀의 경우 약 −0.35%/°C이다. 비교를 위해 비정질 규소 태양 전지의 경우 셀 제조 방식에 따라 −0.20 ~ −0.30%/°C이다.

광생성 전류 IL의 양은 셀 내 열적으로 생성된 운반자 수가 증가함에 따라 온도가 증가하면 약간 증가한다. 그러나 이 효과는 미미하다. 결정질 규소 셀의 경우 약 0.065%/°C이고 비정질 규소 셀의 경우 0.09%이다.

온도가 셀 효율에 미치는 전반적인 효과는 이러한 요인과 특성 방정식을 결합하여 계산할 수 있다. 그러나 전압 변화가 전류 변화보다 훨씬 강하므로 효율에 대한 전반적인 효과는 전압에 대한 효과와 유사한 경향이 있다. 대부분의 결정질 규소 태양 전지는 0.50%/°C만큼 효율이 감소하고, 대부분의 비정질 셀은 0.15−0.25%/°C만큼 감소한다. 위 그림은 다양한 온도에서 결정질 규소 태양 전지에서 일반적으로 볼 수 있는 I-V 곡선을 보여준다.

### 직렬 저항
섬네일|250px|직렬 저항이 태양 전지의 전류-전압 특성에 미치는 영향

직렬 저항이 증가하면 동일한 전류에 대해 접합 전압과 단자 전압 사이의 전압 강하가 커진다. 그 결과 I-V 곡선의 전류 제어 부분이 원점을 향해 처지기 시작하여 V_\text{out}의 상당한 감소와 단락 전류 ISC의 약간의 감소를 초래한다. 매우 높은 RS 값은 ISC도 크게 감소시킨다. 이러한 영역에서는 직렬 저항이 지배적이며 태양 전지의 동작은 저항기와 유사해진다. 이러한 효과는 오른쪽 그림에 표시된 I-V 곡선에서 결정질 규소 태양 전지에 대해 나타난다.

직렬 저항을 통해 손실되는 전력은 I_\text{out}^2 R_\text{S}이다. 조명 시 I_\text{D}와 I_\text{SH}가 광전류 I_\text{L}에 비해 작을 때, 전력 손실도 I_\text{L}에 따라 이차적으로 증가한다. 따라서 직렬 저항 손실은 높은 조명 강도에서 가장 중요하다.

### 션트 저항
섬네일|250px|션트 저항이 태양 전지의 전류-전압 특성에 미치는 영향

션트 저항이 감소하면 주어진 접합 전압 수준에서 션트 저항을 통해 전환되는 전류가 증가한다. 그 결과 I-V 곡선의 전압 제어 부분이 원점에서 멀리 처지기 시작하여 I_\text{out}의 상당한 감소와 VOC의 약간의 감소를 초래한다. 매우 낮은 RSH 값은 VOC를 크게 감소시킨다. 높은 직렬 저항의 경우와 마찬가지로, 심하게 션트된 태양 전지는 저항기와 유사한 동작 특성을 가질 것이다. 이러한 효과는 오른쪽 그림에 표시된 I-V 곡선에서 결정질 규소 태양 전지에 대해 나타난다.

### 역 포화 전류
섬네일|250px|역 포화 전류가 태양 전지의 전류-전압 특성에 미치는 영향

션트 저항이 무한대라고 가정하면, 특성 방정식은 VOC에 대해 다음과 같이 풀 수 있다.

:V_\text{OC} = \frac{kT}{q} \ln\left(\frac{I_\text{SC}}{I_{0}} + 1\right).

따라서 I0가 증가하면 VOC가 감소하며, 이는 증가의 로그 역수에 비례한다. 이는 위에서 설명한 온도 증가에 따른 VOC 감소의 이유를 수학적으로 설명한다. 결정질 규소 태양 전지의 I-V 곡선에 대한 역 포화 전류의 영향은 오른쪽 그림에 나와 있다. 물리적으로 역 포화 전류는 역 바이어스 상태에서 PN 접합을 가로지르는 캐리어의 "누설"을 측정하는 것이다. 이 누설은 접합 양쪽의 중성 영역에서 캐리어 재결합의 결과이다.

### 이상성 인자
섬네일|250px|이상성 인자가 태양 전지의 전류-전압 특성에 미치는 영향

이상성 인자(또는 방출 계수)는 다이오드의 동작이 이론적으로 예측된 것과 얼마나 밀접하게 일치하는지를 설명하는 피팅 매개변수이다. 이 이론은 다이오드의 PN 접합이 무한 평면이고 공간 전하 영역 내에서 재결합이 발생하지 않는다고 가정한다. 이론과의 완벽한 일치는 일 때 나타난다. 그러나 공간 전하 영역의 재결합이 다른 재결합보다 지배적일 때는 이다. 다른 모든 매개변수와 독립적으로 이상성 인자를 변경하는 효과는 오른쪽 그림에 표시된 I-V 곡선에서 결정질 규소 태양 전지에 대해 나타난다.

대부분의 태양 전지는 기존 다이오드에 비해 매우 크므로 무한 평면에 잘 근사하며 일반적으로 표준 시험 조건에서 거의 이상적인 동작()을 보인다. 그러나 특정 작동 조건에서는 장치 작동이 공간 전하 영역에서의 재결합에 의해 지배될 수 있다. 이는 I0의 상당한 증가와 이상성 인자의 로의 증가로 특징지어진다. 후자는 태양 전지 출력 전압을 증가시키는 경향이 있는 반면 전자는 이를 약화시키는 역할을 한다. 따라서 순 효과는 오른쪽 그림에서 n 증가에 대해 표시된 전압 증가와 위 그림에서 I0 증가에 대해 표시된 전압 감소의 조합이다. 일반적으로 I0가 더 중요한 요소이며 결과는 전압 감소이다.

때때로 이상성 인자가 2보다 큰 것으로 관찰되는데, 이는 일반적으로 태양 전지에 쇼트키 다이오드 또는 이종접합이 존재하기 때문으로 여겨진다. 이종접합 오프셋의 존재는 태양 전지의 수집 효율을 감소시키고 낮은 충전율에 기여할 수 있다.

### 다른 모델
위의 모델이 가장 일반적이지만 d1MxP 이산 모델과 같은 다른 모델들도 제안되었다.

## 같이 보기
* 

## 각주

## 외부 링크
* PV Lighthouse Equivalent Circuit Calculator
* Chemistry Explained — Solar Cells from chemistryexplained.com

분류:물리화학
분류:이론
분류:태양 전지