투명 태양광 패널 (TLSC)에 ‘시선집중’.유기 분자 필름이 자외선을 전기로 바꿔,빌딩·자동차·전자기기 등에 폭넓게 적용가능

한수원 2017.11.02

햇빛을 전기로 바꿔주는 태양광 패널은 온 인류의 희망을 담은 현재기술이면서 미래기술이기도 하다. 태양광 패널은 사람들의 마음을 설레게 하지만, 아직 여러 가지 단점이 눈에 띈다. 그 중 대표적인 것은 시커먼 하기 때문에 아무 곳에서나 설치하기 어렵고, 시선을 방해한다는 점이다.

만약 투명한 태양광 패널이 있다면 얼마나 좋을까? 하는 꿈을 꿨던 리차드 룬트(Richard Lunt) 미국 미시건 주립대학교(Michigan State University) 교수의 노력은 투명한 태양광 패널을 태어나게 했다.

네이처 에너지(Nature Energy)에 실린 논문에서 룬트 교수는 최근 개발한 투명한 태양광 패널에 대한 연구내용을 소개했다.
 

투명한 태양광 패널 ⓒ 미시건 주립대학

태양광 에너지는 점점 확산되면서 가격도 낮아지지만, 태양광 패널은 무겁고 무엇보다 시커먼 색깔이 미적 감각과는 다른 모습을 가지고 있다. 지붕에 태양광 패널을 설치하면 아름다운 집 모양은 포기해야 한다.

그러나 이제 전혀 새로운 개념의 태양광 기술이 개발되고 있는데 이 기술은 무엇보다 태양광 패널을 유리같이 완전히 투명하게 만들 수 있다. 수 년 동안 연구자들은 투명하고 비치는 태양광 패널을 꿈꿔왔다.

마치 유리같은 모습의 투명한 태양광 패널은 유리창처럼 사용할 수 있으면서도 전기를 생산한다면 정말 환상적인 기술이 될 것이다.
 
유기 분자 필름이 자외선을 전기로 바꿔
리차드 룬트 교수는 “아주 투명한 솔라 셀은 태양광의 새로운 미래를 가장 잘 보여주는 흐름이다”고 말했다.

룬트는 “우리가 분석해보니 보이지 않는 빛을 모아 전기를 생산하는 것 만으로 기존 지붕에 설치한 솔라셀과 비슷한 전기를 생산할 수 있다.”고 말했다. 이 기술이 적용되는 곳은 빌딩을 비롯해서, 자동차 모바일 전자기기 등 매우 다양하게 생활 근처에 깔려있다.

룬트 교수 연구팀은 2014년에 유리같이 투명한 솔라 수신기를 개발했다. 겉으로 보면 투명한 이 솔라 패널의 표면에는 태양광선의 보이지 않는 특수한 파장을 흡수하는 작은 유기 분자(organic molecules)가 덮여있다.

이 유기 분자는 빛의 근적외선 파장과 자외선 파장만을 수집하도록 조정되어있다. 사람이 사물을 볼 수 있게 만들어 주는 가시광선은 방해하지 않기 때문에 사람 눈에는 투명하게 보인다.

유기분자로 만들어진 얇고 투명한 막이 태양광의 자외선과 적외선을 흡수해서 전기로 바꿔주는 것이 핵심이다. 이 투명한 막을 기존의 유리창은 물론, 자동차 창문·전자기기의 표면에 붙이면, 이들 표면은 시야를 가리지 않으면서 전기를 생산한다.

룬트는 네이처 에너지에 발표한 논문에서 투명한 솔라 기술의 효율을 조사했다. 룬트는 미국 전체에 50억~70억 평방미터의 유리 표면에 이 기술을 응용해서 투명한 태양광 패널로 바꿔주면, 미국이 필요로 하는 에너지의 약 40%를 공급할 수 있다고 추정했다.

지난해 미국 에너지부도 미국에 있는 빌딩에 투명 태양광 패널을 설치하면, 대략 기존의 태양광 패널을 사용해서 만든 전기와 비슷한 양의 전기를 생산할 수 있다고 분석했다.

룬트의 계산에 다르면, 투명한 태양광 패널과 기존의 태양광 패널을 동시에 활용하면, 미국이 필요로 하는 모든 에너지를 효과적으로 공급할 수 있다고 추정했다. 왜냐하면 거의 모든 빌딩이 유리로 덮여하고 있기 때문이다.

룬트는 “두 가지 기술을 모두 적용한 태양광 패널을 서로 보완적으로 사용하면서 에너지 보존기술을 향상시킨다면, 우리는 필요한 수요의 거의 100% 가까이 얻을 수 있다”고 말했다.

물론 빌딩에서만 혜택을 볼 수 있는 것은 아니다. 전기자동차에 투명 태양광 패널을 장착하면 주행거리를 늘릴 수 있고, 개인 전자기기는 추가 충전없이 사용시간이 늘어날 것이다.

투명 태양광 패널이 아직은 기존의 시커먼 패널만큼 효율적은 아니다. 기존 제품의 효율은 15~18%이지만, 투명 패널은 이제 겨우 5% 수준이다. 그러나 기존의 시커먼 패널은 아무 곳에나 설치하기 어렵지만, 투명 패널은 그렇지 않다. 사람들의 시선이 머무는 거의 모든 곳에서 우리는 창문을 볼 수 있다. 기술이 발전함에 따라 지금은 5%에 불과한 효율도 높아질 것으로 기대된다.

현재 미국에서 태양광 에너지는 전기 수요의 1.5%만을 공급하고 있을 뿐이다. 화석연료를 몰아내려면 아직도 가야 할 길은 엄청나게 멀다.

그러나 룬트 교수는 “전통적인 태양광 응용기술은 50년 넘게 활발하게 연구되어왔지만, 투명 태양광 솔라셀은 이제 겨우 5년 연구했을 뿐이다.”고 말했다.

룬트 교수는 “궁극적으로 이 기술은 지금까지는 태양광 에너지를 얻을 수 있는 곳이 아니라고 생각했던 좁거나 아주 넓은 공간에 폭넓게 보급될 수 있다”고 말했다.
 
빌딩·자동차·전자기기 등에 폭넓게 적용
화학공학및재료과학 교수인 리차드 룬트는 “현재 투명 솔라 기술의 효율은 1/3정도만 나오고 있을 뿐이며, 3배 이상 높아질 수 있다”고 예상했다.

리차드 룬트 교수는 미국에서도 손꼽히는 창조적인 연구자이다. 미국 MIT테크놀로지 리뷰(MIT Technology Review)는 룬트 교수를 2015년에 35세 이하의 혁신가(Innovator) 35명 중 한 사람으로 꼽았다.

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리차드 룬트 교수 ⓒ 미시건 대학

룬트 교수는 2014년 35세 이하 혁신가 중 한 사람으로 꼽혔던 마일스 바(Miles Barr)과 함께 유비쿼터스 에너지(Ubiquitous Energy)를 공동 설립했다. 그러나 이 기술이 극복해야 할 도전은 제작하기가 몹시 복잡하고 특히 큰 화면을 제작하기가 몹시 어렵다는 점이었다.

그래서 룬트 교수는 두 번째 방식을 도입했다. 스크린의 표면에서 적외선과 자외선을 모아서 스크린 귀퉁이에 있는 광전지(photovoltaic cell)에 모아 전기를 생산하는 방식이다. 이것은 화면 표면에 직접 투명한 태양전지를 부탁하는 원래 방식보다 더 간단하기 때문에 생산단가가 낮아진다.

이 기술은 기존의 광전지 방식의 효율도 높일 수 있다. 기존의 표준적인 솔라 패널 표면에 이 기술을 적용하면, 더 많은 태양 에너지를 전기로 바꿀 수 있다고 룬트 교수는 말했다.

기존의 시커먼 태양광 패널에 투명하고 얇은 막을 덧씌우면, 더 많은 전기를 얻게 되는 것이다.

룬트 교수는 2014년에 유리창에 붙여도 시야를 방해하지 않는 투명 발광 집광장치(transparent luminescent solar concentrator)를 개발했다고 발표했다.

발광 플라스틱류(luminescent plastic-like)를 소재로 삼아 태양광 전지를 만드는 연구는 다양하게 진행되어 왔지만, 에너지 효율이 낮았을 뿐 아니라, 투명하지 않았다.

당시 룬트 교수가 개발한 투명 태양광 패널의 효율은 1%정도로 낮았는데 그동안 5%로 향상되는 진전을 이룩한 것이다.

출처

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사람들이 생각하는 일반적인 태양광 패널의 모습은 불투명한 모습입니다.
간단한게 현재 시중에 존재하는 태양광에 사용되는 태양전지를 간단하게 설명하면

▶ 실리콘 태양 전지 ◀
1. 단결정 태양 전지 - 효휼이 높고, 대규모 발전에 사용되어 가격이 비싸다.
2. 다결정 태양 전지 - 효율이 낮고, 가격이 싸서 주택용 발전에 사용된다.
3. 박막형 태양 전지 - 효율이 낮고 비싸지만 구부리거나 휠 수 있다.

▶ 염료 감응 태양 전지 ◀
- 제조 비용이 적고, 나노 입자를 사용하기 때문에 반투명한 태양 전지를 만들수 있다.
- 소형으로 제조 가능하고, 효율이 낮다.

▶ 화합물 반도체 태양 전지 ◀
- 실리콘 이외에 화합물을 재료로 만든 태양 전지이다.

미국 '미시간 주립대학(Michigan State University)'의 '리처드 런트 교수가 개발합니다다.
태양광 패널은 보통 불투명 또는 반투명이어서 큰 잠재력에도 불구하고 지붕이나 벽 등 활용 범위가 제한돼 있다. 그런데 TLSC가 개발되면서 창문에도 쓸 수 있는 투명한 태양광 패널이 선을 보였다

상식적으로 투명하면 빛은 통과를 하는데 TLSC처럼 흡수하는 이유는 기존 태양광 패널과 달리 유기염이라는 특수 재료를 사용했기때문에 통과하지않고 흡수가 가능합니다.

미시간주립대학(MSU) 연구팀이 창문으로 쓸 수 있는 ‘투명 태양전지’를 개발했다. 주택과 자동차 등 유리창 부착이 필요한 곳이면 어디든 활용할 수 있다. 이 기술은 향후 신재생에너지로의  더욱 가속화시킬 것으로 보인다. 연구진은 “미국의 전력 수요를 거의 충족시킬 수 있을 것”이라며 “화석연료 사용을 대폭 줄일 수 있다”고 주장했다. 

현재 미국에선 전력수요의 약 1.5%만이 태양에너지로 생산된다.
미국의 유리표면을 다 합치면 약 50억~70억㎡라고 추정하며 TLSC를 사용한다면
미국에너지 수요의 약 40%를 공급할 잠재력을 가지고 있다고 설명했다. 또 이는 크고 부피가
큰 옥상 태양광 장치와 거의 동일한 전력생산량이라고 부연했다.

하지만 아직 TLSC가 에너지 전환 효율이 낮다는 점입니다. 불투명하고 반투명한 태양 전지의 에너지
전환 효율은 15~18%에 비해 TLSC는 5%인 3분의1수준입니다. 

연구진은 에너지 전환효율이 5%정도이지만 연구개발이 진전되면 15~18%도 가능하다고 전망한다

아직은 비용이 비싸고 효율이 낮아 대중화가 되지는 않았지만 TLSC가 대중화가 된다면
신 재생에너지가 가속화 될뿐만 아니라 화석연료의 수요가 줄어들거라 생각해요