유리야, 태양전지야? 투명 태양전지의 등장

유리야, 태양전지야? 투명 태양전지의 등장

대학생신재생에너지기자단 19기 정지영, 20기 서범석

 

[BIPV로 해결할 수 있는 기존 태양전지의 문제점]

 태양광 발전이 가진 기존에 가진 단점들을 보완하고 발전시키기 위해 많은 기술의 발전이 있었다. 가장 큰 문제점 중 하나는 상당히 많은 부지를 요구한다는 것이다. 실제로 1MW 태양광 발전에 약 1만 3200제곱미터의 부지가 필요하다. 국토가 좁은 우리나라의 특성상, 기존의 태양광 패널에만 집중하겠다는 목표는 최선책이 아닌 것으로 생각된다. 이 대안으로 나오고 있는 방안 중 하나가 BIPV이다. BIPV는 Building-Integrated Photovoltaic 의 준말로 구조물을 따로 설치할 필요 없이 벽이나 문, 창호 등 건물의 바깥에 태양전지 패널을 설치하는 방법이다.

 최근 ZEB 인증제도가 의무화되며 BIPV가 큰 시선을 끌고 있다. ZEB 인증제도란 Zero Energy Building, 에너지 소비량이 최종적으로 0이 되는 건축물이라는 뜻으로 2020년부터 연면적 1,000제곱미터 이상의 공공건축물은 건축물 에너지 자립률 20%를 맞춰야 한다는 제도이다. BIPV는 다양한 외벽에 태양전지를 적용할 수 있고 전력 수요처와 생산지가 같으므로 송배전 손실이 없으며, 건설비용도 절감할 수 있다는 장점이 있다. 전기적인 효율을 크게 기대하기는 어렵지만, 디자인적 요소가 더욱 발전된다면 ZEB 확산과 더불어 건축물이 에너지 발전에 기여한다는 긍정적인 시야를 확충할 수 있을 것이다. 하지만, 건물 외벽에 설치되므로 디자인상 꺼리는 사람들이 많은 것이 가장 큰 과제로 주목받는다. 또한 설치의 어려움이나 태양광 각도에 따른 효율 저하, 창호 면적의 증가로 인한 설치 면적의 감소 등 다양한 어려움을 해결하기 위해서는 태양광 패널에 색을 입히거나 유리처럼 빛을 투과시키는 태양광 패널 개발이 필요하다.

[태양광 패널에 대해]

 실리콘을 주재료로 하는 태양전지판의 특성과 햇빛의 반사를 줄여야 하는 목적으로 인해 현재까지 태양전지판은 남색 또는 파란빛을 띠는 것이 일반적이었다. 하지만, 건물 외벽뿐만 아니라 유리창에도 적용하기 위해서는 투명태양전지의 개발이 필수적인 과제로 주목받는다. 이에 국내에서 투명태양전지 개발이 이루어지고 있는데, 바로 CIGS 태양전지를 활용한 투명 태양전지이다. CIGS 태양전지란 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 광 흡수층으로 사용하는 태양전지로 다양한 활용 범위로 주목받는다.

 

[자료 1. 모듈화 태양전지의 투명화 과정]

출처 :메카로에너지

 메카로에너지는 CIGS 태양전지를 잘라 모듈화한 뒤 유리에 끼워 넣어 투명한 태양전지 창문을 제작했다. 창문에 작은 태양전지를 수직 방향이 아니라 수평 방향으로 삽입하여 겉으로 봤을 때는 태양전지가 보이지 않는다.

 

[자료2. 메카로에너지의 투명 태양전지 창문. 창문의 선이 태양전지이다.]

출처:메카로에너지

 

 이 투명 태양전지를 활용하면 빌딩 제작 시 디자인 및 시인성을 확보할 수 있고, 도로의 방음벽, 방음터널, 고속화도로 중앙 분리대에 투명 태양전지를 적용한다면 동서남북 방향과 관계없이 발전을 위해 설치할 수 있다. 이외에도 버스정류장의 벽면, 스마트팜 및 온실 , 농지 태양광 발전, 펜스와 안전난간, 창문의 공기 정화기 등 다양한 분야에 큰 제약 없이 미관상의 이점과 발전 효율 획득이 가능하다.

 

 

[자료3. 투명태양전지의 농작물 재배 가능성]

출처:NEW ATLAS

 태양전지가 투명하더라도 가시광선만 차단하지 않으면 태양광 발전과 농작물 재배가 동시에 가능하다. 노스 캐롤라이나 주립 대학에서는 반투명 유기태양전지 아래서 작물이 잘 자랄 수 있는지에 대해 실험했다. 규칙적인 백색광을 받는 대조군과 투명한 태양전지에 의해 차단될 빛을 표현한 컬러 필터 밑에서 빛을 받는 세 개의 실험군을 비교했다. 여러 가지 지표들을 관찰한 결과, 연구진들은 대조군과 실험군 사이, 서로 다른 필터들 사이에 의미 있는 차이를 발견하지 못했다고 밝혔다.

[투명 태양전지 제작의 다양한 방법]

 태양전지를 투명하게 만드는 첫 번째 방법은 투명한 재료를 사용하는 것이다. 가장 대표적인 사례는 리처드 런트 미국 미시간주립대 교수팀이 발표한 투명한 태양광 패널이다. 기존 실리콘 대신 유기분자를 사용해 투명도를 높였다. 햇빛 중 가시광선은 통과시키고 자외선과 적외선만 흡수하여 전력을 생산한다.

 

[자료4. 투명한 태양전지와 일반 태양전지의 광 흡수 차이]

출처:행복지구

 한편, 태양전지의 미세구조를 바꾸는 방법도 있다. UNIST의 서관용 교수팀은 실리콘 태양전지에 사람의 눈으로는 볼 수 없는 미세구조를 도입했다. 연구팀은 실리콘 판에 사람이 구별할 수 없을 정도의 간격으로 구멍을 뚫어 빛이 통과할 수 있게 했다. 빛이 통과하는 구멍의 크기나 간격을 조절하면 빛 투과율도 조절할 수 있다. 기존의 투명 태양전지와는 다르게 실리콘 태양전지의 원리를 채용하여 높은 효율을 내는 데에도 성공했다.

[자료5. 빛이 통과할 수 있는 태양전지의 미세구조]

 출처:한화그룹

[투명 태양전지의 효율을 극대화하기 위한 노력]

 현재 상용화가 진행되고 있는 투명 태양전지는 기존의 태양전지에서 일부를 긁어내거나, 얇게 만들거나 구멍을 뚫어 제작한다. 이는 낮은 성능, 높은 제작단가, 그리고 빛이 통과하는 부분과 불투명한 부분의 교차로 인해 시각적인 불편함을 주는 문제점이 있다. 유기 물질이나 유무기 광흡수 물질을 이용한 투명 태양전지는 장시간 빛을 받거나 높은 온도, 습도 환경에서 화학 물질의 손상으로 성능이 감소한다는 문제가 있다.

 이러한 문제점을 해결하기 위해 국내 연구진은 미래형 에너지하베스팅 태양전지, CIGS 양면투광 태양전지를 개발했다. 빛과 온습도에 대한 내구성이 강한 무기물 소재인 CIGS층 양쪽 면에 ITO(인듐주석 산화물) 투명전극을 사용했다. 기존 전극과는 달리 ITO 전극은 빛 가림이 없어 투명 태양전지에 적합하다. 또한, 광흡수층의 두께를 0.3µm 이하로 제어해 가시광의 일부를 자체적으로 투과시킬 수 있게 했다.

[자료6. PDMS 저반사 광산란층이 부착된 CIGS 투명 태양전지 개략도]

출처:인더스트리 뉴스

 

 광흡수층이 얇으면 빛을 잘 흡수하지 못해 효율이 저하된다. 이를 해결하기 위해 태양전지의 표면에는 빛 흡수율을 높일 수 있는 저반사 광산란층 구조를 적용시켰다. 저반사 광산란층 기술은 PDMS라 불리는 고분자 위에 거친 표면을 만들어 입사광을 크게 산란시키고 빛 반사를 최소화하는 기술로, 얇은 광흡수층에서도 충분한 빛의 흡수가 이뤄질 수 있다. 또한, 양면에서 빛을 흡수할 수 있도록 해 기존 단면 태양전지에 비해 20% 이상 향상된 효율을 낼 수 있다. 제작 공정 온도도 650℃에서 550℃ 이하로 낮춰 태양전지 내부에서 화학 반응으로 전기 저항이 높은 층이 생성되는 것을 억제해 효율을 크게 향상시켰다.

 차세대 태양전지로 급부상 중인 페로브스카이트를 투명 태양전지로 이용하려는 노력도 있다. 페로브스카이트 물질은 높은 전압, 높은 흡광율, 전하의 긴 확산 거리 등의 특성으로 고효율 태양전지에 적합하다. 특히, 높은 효율과 반투명성, 유연함은 투명 태양전지로서의 가능성을 높인다.

 

[자료7. 페로브스카이트 물질의 구조]

출처:한국일보

 

 현재 투명 전극으로 주로 사용하는 것은 ITO이다. ITO는 가시광선 영역에서 80% 이상의 투과율을 보이고 저항이 작지만, 대면적 증착과 저가 제조가 힘들다. 또한, 높은 온도에서 ITO를 제작하게 되면 특성 저하로 이어진다. 이에 ITO를 대체할 수 있는 물질로 IZO(인듐 아연 산화물), IZRO(지르코늄 인듐 산화물)등이 떠오르고 있다. IZO는 저항이 낮고 높은 전하 이동도 특성을 가진다. Sahli 그룹에서는 실리콘 태양전지에 IZO 투명 전극이 적용된 페로브스카이트 전지를 적층하여 페로브스카이트 중에서도 25.2%의 고효율을 기록했다.

[투명태양전지의 미래]

 아직 투명한 태양전지는 기존 태양전지에 비해 효율이 떨어지는 것이 사실이다. 하지만, 미관을 해치지 않으면서 어디에나 적용할 수 있다는 극강의 장점이 있다. 건물의 유리부터 시작해 달리는 차 위, 인공위성까지 어디서나 태양광을 통해 무한 발전을 하기 위한 노력이 이뤄지고 있다.

 태양광 발전은 수십 년간 재생 에너지를 확대하기 위해 다방면으로 연구되어 온 대표적인 신재생에너지이다. 실제로, 이제 태양광 발전은 화석 연료와 경제성 면에서도 경쟁할 수 있는 수준으로 발전했다. 투명 태양전지를 통해 이와 같은 발걸음을 촉진시키고 2050 탄소 중립 사회 구현을 위한 기초 기술로 인정받았으면 한다.

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태양광에너지에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "[디자인과 태양광] BIPV도 다채롭게, 컬러 태양전지 건축재", 15기 김민서, 20기 서범석, https://renewableenergyfollowers.org/3564?category=608250

2. "식물과 태양광 패널의 공존, 영농형 태양광", 19기 정지영, 20기 이주선, https://renewableenergyfollowers.org/3576?category=608250

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참고문헌

[BIPV로 해결할 수 있는 기존 태양전지의 문제점], [태양광 패널에 대해]

1) (주)메카로에너지 홈페이지, 투명 태양전지 제품소개, https://mecaroenergy.com/%EC%A0%9C%ED%92%88%EC%86%8C%EA%B0%9C

2) New atlas, "Transparent solar cells don't steal light from greenhouse crops",Michael Irving, 2021.5.17, https://newatlas.com/energy/transparent-solar-cells-light-greenhouse-crops/

[투명 태양전지 제작의 다양한 방법]

1)한화그룹 공식 블로그 한화데이즈,신수빈, "투명한 창문으로 태양광 발전을 할 순 없을까?", 2020. 1. 20, https://m.blog.naver.com/hanwhadays/221778896301

[투명 태양전지 효율 높이기]

1) 정한교, "기존 투명 태양전지 단점 개선한 미래형 ‘에너지하베스팅 태양전지’ 기술개발", 인더스트리 뉴스,  2021.02.04 ,https://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=41269

2)김경준, "달리는 차·건물 외벽에서 태양광 충전… '무한 발전시대' 온다", 한국일보, 2021.02.27, https://www.hankookilbo.com/News/Read/A2021021710440003626

3)이재철, "빛 투과하며 전기 생산하는 완전 투명 태양광 발전 기술 독창적으로 개발", 에너지단열경제, 2021.09.10, http://www.kienews.com/news/newsview.php?ncode=1065591457261737