In this study, we suggest a new method for preparing of an ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA) film including metal nanoparticles and its application for efficiency enhancement of crystalline silicon solar cells.
Along with the increases of fossil-fuel consumption and greenhouse gas emissions, studies related to the development of clean and renewable energy systems have been attracting considerable interest in recent decades. Among all the renewable energy systems, photovoltaic systems have been attracting widespread attention because they have significant advantages including the avoidance of pollutant emission, silent operation, long lifetime, and stability. However, while photovoltaic systems are promising, their power efficiency is significantly low in comparison with the efficiency of commercial energy sources; this fact is impeding their widespread use. The biggest reason for the low power efficiency of these systems is the limited light absorption property of photovoltaic cells.
To overcome this issue, one promising solution is the deposition of metal nanoparticles on the top surface of photovoltaic cells; this deposition leads to a light scattering effect due to the presence of metal nanoparticles. These approaches can be used to increase the number of light pathway inside the active region, thereby significantly enhancing the light absorption of the photovoltaic cell. In this regard, there have been many studies on method of exploiting metal nanoparticles for light trapping in photovoltaic cells.
Although the previous works successfully demonstrated the efficacy of the light trapping using metal nanoparticles, the thermal deposition method is plagued by low-throughput and the physical casting method is inevitably restricted by unwanted metal nanoparticle aggregation that yields non-homogeneous coverage with metal nanoparticles.
In this study, we suggested a new method that allows a uniform deposition of homogeneously dispersed metal nanoparticles on the top surface of a photovoltaic cell in a simple, cheap, and high-throughput manner. Such homogeneous dispersion of metal nanoparticles allows maximizing the light scattering effect at top surface of a photovoltaic cell, thereby effectively enhancing the efficiency of photovoltaic cell.
In chapter 2, we have developed ethylene-vinyl acetate copolymer resins in the high-pressure autoclave reactor on a mass production scale, highly suitable for crystalline silicon solar cell encapsulating materials. Even though it was polymerized in the autoclave reactor, owing to be designed for having narrower molecular weight distribution than the competitor’s autoclave products, it showed slightly higher mechanical properties sufficient for photovoltaic application. Also the EVA copolymer with high vinyl acetate contents we obtained showed excellent performance on thermal stability at high temperature of $160 \circ C$ and long term reliability at $85 \circ C$ in 85 % in relative humidity for 2,000 hours enough for the very thin (160μm thick) crystalline silicon photovoltaic cells.
In chapter 3, we have introduced silver nanoparticles (diameter ~100 nm) on solar cell encapsulating film to enhance the photovoltaic performance of the c-Si photovoltaic cells. The light scattering effect gradually increased with increase of AgNP content due to light diffraction around the AgNPs. When AgNPs of content 0.02 wt% was used, the power conversion efficiency of c-Si solar cells increased the most, from 16.19 % to 16.72 %. The AgNPs incorporated new type encapsulating film induced the enhancement of short circuit current density and power conversion efficiency, which is presumed to be due to the light scattering effect from the AgNPs, causing an increase in the effective optical path length. Above 0.02 wt%, the scattering effects of the films gradually decreased with AgNP content. We believe that this was attributed to the increased both reflection and interference of incoming light owing to the higher loading of AgNPs. Therefore, the AgNP content was optimized at 0.02 wt%.
In Chapter 4, in order to achieve the homogeneous dispersion of AgNPs, we have developed a new method of introducing a maleic anhydride grafted polypropylene (PPMA) as a compatibilizer onto EVA/AgNPs nanocomposite film. This was accomplished via (i) fabricating AgNP-dispersed EVA thin film from a homogeneous EVA/AgNPs mixture and (ii) subsequently laminating the top surface of a photovoltaic cell. Homogeneous mixing of AgNPs and EVA was achieved through the use of PPMA as a compatibilizer. Owing to a good dispersion of the AgNPs, the resulting EVA/AgNPs/PPMA thin nanocomposite film shows a significantly high light scattering effect; therefore, with the introduction of the EVA/AgNPs/PPMA thin nanocomposite film, containing both 0.02 wt% AgNPs and 5 wt% PPMA, to the photovoltaic cell, the current density was increased from 38.51 mA to 39.13 mA, and the total power conversion efficiency was effectively enhanced from 16.19 % to 17.16 %. These results clearly demonstrate the importance of the homogeneous AgNPs dispersion for enhancing the efficiency of photovoltaic cells. Furthermore, our proposed system is highly suitable for mass production processes because the EVA/AgNPs thin nanocomposite film fabrication and its thermal lamination are carried out in a continuous serial process. Therefore, on the basis of its simplicity and efficacy, our proposed method will provide important progress in the field of photovoltaic systems.
본 연구에서는 금속나노입자를 포함하는 새로운 형태의 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 필름의 제조와 이를 결정질 실리콘 태양전지 봉지재에 적용하여 태양전지의 광전환 효율을 향상시키는 방법이 논의되었다.
최근 화석연료의 고갈과 온실가스 문제 등이 증가함에 따라 신재생에너지 개발에 대한 관심이 높아지고 있으며, 그 중에서도 태양광 발전 기술은 환경오염 방출 문제가 없고 조용하며, 장기간 안정적으로 운전할 수 있는 장점 등으로 인하여 큰 관심을 모으고 있다. 그러나 이러한 장점들에도 불구하고, 아직 다른 신재생에너지 보다 상대적으로 낮은 태양광 발전 시스템의 효율은 상업적 에너지원들에 비해 적용 확대에 제약이 되고 있는 것이 현실이다. 태양광 발전의 낮은 효율의 가장 큰 원인 중 하나는 태양전지의 제한된 광흡수 특성 때문이다.
그 동안 이러한 문제를 해결하기 위한 다양한 시도들이 있어 왔으며, 그 중 가능성이 높은 해결책 중에 하나는 태양전지 표면 상단에 금속나노입자를 흡착시켜서 금속나노입자에 의해 산란시키는 기술이다. 이 기술의 원리는 태양광의 산란으로 인해 Cell 내부 영역에서 빛의 경로의 수를 증가시켜 줌으로써 태양전지 내에서 빛의 흡수가 더 많이 일어날 수 있도록 해주는 것이다. 그러나 금속나노입자를 흡착시키는 종래의 방법은 대부분 화학적 증착법이나 물리적 캐스팅법 등이어서, 흡착 과정에서 원치 않은 응집이 발생할 수도 있고, 그 방법도 복잡하여 상업적 양산 공정으로 적용하기에 어려운 측면이 있었다.
이에, 본 연구에서는 태양전지 표면 위에 쉽고 간단하며 저렴하면서도 금속나노입자를 효과적으로 균일하게 분포시킬 수 있는 새로운 방법을 시도하였다. 이러한 금속나노입자의 균일한 분포를 통해 태양전지 표면에서의 광산란 효과를 극대화시킬 수 있었고, 결과적으로 태양전지의 광전환 효율이 효과적으로 향상됨을 확인하였다.
제 2장에서는, 태양전지 봉지재에 매우 적합한 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체를 고압의 오토클레이브 반응기에서 양산 규모로 중합하는 연구가 수행되었다. 오토클레이브 반응기에서 중합하였음에도 불구하고 내구성이 우수한 태양전지 봉지재에 적합하게 하기 위해 비교적 낮은 분자량 분포 특성을 갖도록 중합 조건과 제품 설계를 함으로써, 기존 상용화된 제품 대비 동등 이상의 기계적 물성을 나타내었다. 또한 높은 비닐 아세테이트 함량을 가지면서도, $160 \circ C$ 의 고온에서도 우수한 내열안정성을 나타내었으며, 일반적으로 태양전지 부품에 요구되는 $85 \circ C$, 85 % 상대습도에서 2,000 시간 동안의 장기 신뢰성을 확인하였다.
제 3장에서는, 은나노입자 (AgNPs)를 도입한 새로운 형태의 EVA 나노복합체 봉지재 필름을 제조하여 결정질 실리콘 태양전지에 응용하는 연구가 수행되었다. 본 실험에서 AgNPs (직경: 약 100 nm)와 EVA의 복합체 필름 (두께: 약 10 μm)을 제조하여 결정질 실리콘 태양전지 모듈에 적용한 결과, AgNPs의 함량이 0.02 wt%이었을 때 광전환 효율이 16.19 %에서 16.72 %로 향상됨을 확인하였다. 이는 태양전지 표면에 도입된 AgNPs가 태양광을 산란시키면서 Cell 내부 영역에서 빛의 경로를 증가시켜 줌으로써 태양전지 내에서 빛의 흡수가 더 많이 일어나도록 한 것으로 사료된다.
제 4장에서는, EVA/AgNPs 나노복합체 필름의 분산성을 향상시키기 위해, 무수말레인산이 그라프트된 폴리프로필렌 (PPMA)을 상용화제로 도입하는 연구가 수행되었다. 본 실험에서, 먼저 AgNPs/PPMA 나노복합체를 제조한 후 EVA에 투입하여 EVA/AgNPs/PPMA 나노복합체 필름을 제조하였고, 이를 결정질 실리콘 태양전지 모듈에 적용하였다. PPMA를 상용화제로 도입함으로써 AgNPs가 EVA 필름에 균일하게 분산되었음을 전자현미경 사진으로 확인하였으며, 균일하게 분산된 AgNPs로 인해 EVA/AgNPs/PPMA 나노복합체 필름이 매우 높은광산란 효과를 나타냄도 확인하였다. AgNPs 함량이 0.02 wt%이고 PPMA 함량이 5 wt%인 나노복합체 필름을 태양전지에 적용하였을 때, 나노복합체 필름이 적용되지 않은 태양전지에 비해 전류 밀도가 38.51 mA에서 39.13 mA로 향상되었으며, 최종적으로는 광전환 효율이 16.19 %에서 17.16 %까지 향상됨을 확인하였다. 이상의 결과에서, 은나노입자의 균일한 분포를 통해 태양전지 표면에서의 광산란 효과를 극대화시킬 수 있었고, 결과적으로 태양전지의 광전환 효율이 효과적으로 향상됨을 확인하였다.
또한, 본 연구에서 제안된 방법은 금속나노입자와 EVA의 나노복합체 라미네이팅 필름을 필름 압출기를 통해 연속적으로 제조하여 사용할 수 있는 공정이므로, 향후 상업적 대량생산에 매우 적합할 것으로 예상되며, 향후 태양광 시스템 분야에서의 의미있는 진보에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
