BIPV란 무엇일까? 태양전지로 건물을 디자인하다.

BIPV란 무엇일까? 태양전지로 건물을 디자인하다.

 

우리가 흔히 알고 있는 태양전지란 태양전지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 장치를 통틀어 얘기한다. 원리를 간단히 보면 P-N 접합면을 가지는 반도체 접합 영역에 에너지보다 큰 에너지의 빛이 조사되면 전자와 정공이 발생하여 기전력을 발생 시킨다. 지금 이 글을 읽고 있는 독자는 태양전지로 아래와 같은 실리콘 태양전지를 떠올렸을지 모른다.

                                                                              [사진1. 실리콘 태양전지]

출처: 포토뉴스 “샤프-STM제휴, 이태리서 솔라 셀 생산”

 

하지만 이번 기사는 우리가 기존에 알고 있던 실리콘 태양전지가 아닌 BIPV형 태양전지를 다루고자 한다. 그럼 BIPV란 무엇일까?

 

- BIPV : 건물일체형 태양발전 시스템

 

BIPV 시스템이란 태양광 에너지로 전기를 생산하여 소비자에게 공급하는 것 외에 건물 일체형 태양광 모듈을 건축물 외장재로 사용하는 태양광 발전 시스템이다. BIPV, 즉 건물일체형 태양발전 시스템은 기존에 넓은 평지나 지붕에 태양발전 시스템을 설치하는 것과 달리 건물의 외벽, 창호 등에 설치하는 것이 가장 큰 특징이다. 따라서 태양전지가 하나의 건축자재로 활용되며 태양전지에서 생산된 전기에너지를 바로 건물 내부로 공급하여 사용할 수 있는 것 또한 BIPV의 장점이다. 아래는 BIPV 설치 업체인 KR솔라에서 설치한 모습이다.

 

                                                                 [사진2. BIPV 건물일체형 태양전지]

출처: AVING “KR솔라, 그린에너지 부문서 태양광 컬러모듈(BIPV)로 3년 연속 수상”

BIPV가 이처럼 단색만 존재하는 것은 아니다. BIPV가 주목 받는 것은 바로 디자인 때문이다. 태양전지에 색깔을 입히는 염료감응 태양전지나 유기태양전지를 활용해 건물외벽을 화려하게 장식할 수 있다는 것이 주목할 점이다.

 

                                                                   [사진3. BIPV 염료감응 태양전지]

출처: NAVER 블로그 더 나은 세상을 만드는 에너지 “건물 유리창으로 전기 생산”

 

위 사진은 2016년, 삼성과 카이스트에서 공동으로 연구한 BIPV모형으로 두바이에 설치된다. 사진을 보면 알 수 있듯이 한 가지 색이 아닌 여러 가지 색으로 건물을 디자인 할 수 있으며 다양한 색을 활용해 건물외벽에 그림이나 글씨를 표현할 수도 있다. 그럼 이렇게 다양한 색을 낼 수 있는 BIPV용 태양전지는 어떤 종류가 있을까?

 

-BIPV용 태양전지 다양한 색을 내다 : 염료감응 태양전지

 

색을 낼 수 있는 태양전지는 다양하게 개발되고 있다. 그 중에서 관심도가 높아지고 있는 연구분야는 바로 유기태양전지이다. 유기태양전지는 환경 및 에너지 위기의 도래로 인해 주목받는 에너지 기술 중 하나이다. 유기태양전지는 실리콘 태양전지, 박막태양전지 이어 3세대 태양전지로 불린다. 현재 서강대 오세용 교수님은 서강대 광전자 나노소재 및 그린에너지 연구실에서 유기태양전지를 다루고 계신다. 오세용 교수님은 “아직 유기태양전지가 완전 투명한 상태로 만들 순 없고 효율은 실험실에서 15%를 달성했다” 고 말씀하셨다. 또한  “ 현재 우리 연구실에서는 페로브스카이트를 활용하기도 하는데 이론상으론 60%이상의 효율을 낼 수 있다 하지만 아직 이론상일 뿐이다” 라는 얘기와 함께 BIPV용 다양한 색을 낼 수 있는 염료감응태양전지를 소개해 주셨다.

그럼 여기서 염료감응 태양전지란 무엇일까? 지금부터 BIPV용 염료감응 태양전지에 대해 자세히 알아보도록 하자. 염료감응 태양전지는 값싼 유기 염료와 나노 기술을 이용하여 저렴하면서도 고도의 에너지 효율을 갖도록 개발된 태양 전지를 말한다. 염료감응 태양전지의 원리를 간단히 살펴보면 다음과 같다.

염료감응 태양전지의 표면에 염료 분자가 화학적으로 흡착된 n-형 나노입자 반도체 산화물 전극에 태양빛(가시광선)이 흡수되면 염료분자는 전자-홀 쌍을 생성하며, 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입된다. 반도체 산화물 전극으로 주입된 전자는 나노입자 간 계면을 통하여 투명 전도성 막으로 전달되어 전류를 발생시키게 된다. 염료 분자에 생성된 홀은 산화-환원 전해질에 의해 전자를 받아 다시 환원되어 염료감응 태양전지 작동 과정이 완성된다.

                                                                          [사진4. 염료감응 태양전지]

출처: 한겨레 “ 태양을 공짜로 이용하는 방법”

현재 염료감응 태양전지는 다양한 곳에서 개발되고 있지만 그 중에서 반투명 태양전지를 연구하고 있는 DGIST 태양에너지융합연구센터를 방문할 수 있었다. DGIST 태양에너지 융합연구센터에서는 단순한 염료감응 태양전지부터 반투명, 플렉시블 태양전지 등 창호용과 자동차용으로도 다양한 연구를 진행하고 있었다. 여기서 조효정 박사님을 만나 뵐 수 있었으며 조효정 박사님께선 “현재 DGIST 태양에너지융합연구센터에서는 50%의 반투명 태양전지를 구현하였으며 초록색, 파란색, 주황색의 염료감응 태양전지를 보유하고 있으며 5cm * 5cm 정도의 염료감응 태양전지로 다양한 실험을 함께 진행하고 있다” 고 말씀해주셨다. 추가로 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘에 비해 발전량이 5%정도로 작은 대신 각도에 영향을 받지 않아 수직 발전이 가능하다는 설명도 들을 수 있었다.

 

현재 유기태양전지, 염료감응 태양전지는 발전효율이 실리콘에 비해 낮다는 단점을 지니고 있음은 확실하다. 하지만 공정과정이 편리하고 실리콘에 비해 그 가격이 더 낮다는 것은 분명한 장점이 되었다. 이를 BIPV에 활용하면 실리콘에 단조로운 파란색이 아니라 더 화려한 색으로 건물을 디자인 할 수 있을 것이다. BIPV 기술이 더 발전되어 다양한 디자인은 물론 건물의 에너지 자립이 이루어지는 세상을 기대해 본다.