A Study on the Behavior of Na ions in Oxide Films and Its Application to Photovoltaic Modules
저자
발행사항
서울 : 고려대학교 대학원, 2024
학위논문사항
학위논문(박사)-- 고려대학교 대학원 : 신소재공학과 신소재공학전공 2024. 2
발행연도
2024
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
113 p ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 김동환
UCI식별코드
I804:11009-000000279747
DOI식별코드
소장기관
태양 에너지는 신재생 에너지 중에서도 무한한 자원으로 각광받고 있다. 이는 지속 가능한 에너지 생성, 탄소 배출량 감소, 천연 자원 보존에 중요한 역할을 하며, 세계적으로 그 수요가 점차 늘어나고 있다. 태양광 모듈은 일반적으로 25-30년 정도의 장기 사용의 안정성을 보증하며, 현재는 수명을 다한 태양광 모듈의 양도 동시에 늘어나고 있는 추세이다.
필드에 설치된 태양광 모듈에는 작동 중 여러가지 열화 현상이 발생하게 되는데, 이 중 하나로 박막 태양광 모듈에서 발생하는 투명 전도성 산화막 (transparent conductive oxide)의 부식현상이 존재한다. 박막 태양전지의 구조에는 일반적으로 투명 전도성 산화막이 전극으로 사용되며, 이 박막이 부식되는 것은 태양전지에 치명적인 영향을 준다. 투명 전도성 산화막은 박막 태양전지 뿐만 아니라 고효율을 위한 실리콘 태양전지의 여러 구조에서도 사용된다. 그 중 대표적으로 이종접합 (heterojunction) 태양전지가 있으며, 최근에는 서로 다른 태양전지들을 결합한 탠덤 (tandem) 태양전지에도 투명 전도성 산화막이 사용된다. 그에 따라, 이미 알려져 있는 투명 전도성 산화막의 부식현상에 대한 이해의 중요성은 높다고 할 수 있다. 현재까지 이 부식현상의 원인이 소듐 이온에 의한 것이라는 것이 정설로 받아들여 지고 있으나, 소듐과 투명 전도성 산화막 사이에 어떤 반응에 의하여 부식현상이 진행되는 지에 대한 근거는 명확하지 않은 상황이다. 앞으로의 고효율 태양전지의 상용화를 위해서는 장기안정성 확보가 중요하며, 이미 알려져 있는 현상에 대해서는 그 원인을 확실하게 분석하고 사전에 대비를 할 필요성이 있다. 본 연구에서는 투명 전도성 산화막이 부식되는 메커니즘에 대해서 연구하였고, 그 근거를 제시하였다.
실리콘 태양광 모듈은 이미 전 세계적으로 널리 보급되어 사용되고 있으며, 설치량이 점점 늘어나고 있지만, 동시에 폐 모듈의 양도 늘어나고 있다. 이러한 폐 모듈은 모듈의 구성요소들을 접착하기 위한 봉지재 (encapsulant)를 제거하는 방법이 어려우며, 일반적으로는 소각(incineration) 방법을 사용하여 봉지재를 제거하는 방법이 사용된다. 그 외에도 화학적으로 녹여내는 방법, 가열된 커터 (heated cutter)를 사용하는 방법 등이 연구되었다. 모듈의 유리는 모듈에서 부피 및 무게에서 큰 부분을 차지하며, 봉지재와 강하게 결합되어 있다. 유리를 봉지재로부터 손쉽게 제거한다면 나머지 부분의 재료 회수에 큰 도움이 될 것으로 생각된다. 이에 본 연구에서는 앞서 연구한 투명 전도성 산화막의 부식현상에서 착안하여 태양광 모듈 구조에 투명 전도성 산화막이 추가된 구조를 제안하였다. 유리와 봉지재 사이에 위치된 투명 전도성 산화막을 인위적으로 부식시켜 유리가 모듈구조로부터 분리되는 결과를 확인하였다. 또한, 새로운 구조에 따른 장기 안정성 평가를 위해 내습 내열성 시험 (damp heat test)을 진행하여 안정성을 확인하였다.
Solar energy, a limitless resource among renewable energies, is gaining worldwide attention. It plays a crucial role in sustainable energy generation, reducing carbon emissions, and preserving natural resources, with its demand increasing globally. Solar modules typically guarantee long-term stability of 25-30 years, and the amount of end-of-life solar modules is also increasing.
Various degradation phenomena occur in solar modules installed in the field, one of which is the corrosion of transparent conductive oxides (TCOs) in thin-film solar modules. TCOs are typically used as electrodes in the structure of thin-film solar cells, and their corrosion has a fatal impact on solar cells. TCOs are used not only in thin-film solar cells but also in various structures of silicon solar cells for high efficiency. Among them, heterojunction solar cells are representative, and recently, TCOs are used in tandem solar cells that combine different solar cells. Therefore, it is important to understand the corrosion phenomenon of TCOs that is already known. So far, it has been accepted that the cause of this corrosion phenomenon is due to sodium ions, but the evidence for what reaction between sodium and TCOs causes the corrosion phenomenon is not clear. For the commercialization of high-efficiency solar modules in the future, it is important to secure long-term stability, and it is necessary to analyze the cause of the known phenomena accurately and prepare for them in advance. This study investigated the mechanism of TCO corrosion and provided evidence.
Silicon solar modules are already widely distributed and used worldwide, and the installation volume is increasing, but at the same time, the amount of end-of-life modules is also increasing. These end-of-life modules are difficult to remove the encapsulant used to bond the components of the module, and typically, the method of incineration is used to remove the encapsulant. In addition, methods such as chemically melting, using a heated cutter, etc., have been studied. The glass of the module occupies a large part of the volume and weight of the module and is strongly bonded to the encapsulant. If the glass can be easily removed from the encapsulant, it will be of great help in recovering the remaining materials. In this study, a structure in which a TCO is added to the solar module structure was proposed, inspired by the corrosion phenomenon of TCOs studied earlier. The TCO located between the glass and the encapsulant was artificially corroded to confirm that the glass is separated from the module structure. In addition, a damp heat test was conducted to confirm the stability for long-term stability evaluation according to the new structure.
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