인류, 태양에너지 시대를 맞이하다!

인류가 에너지를 얻는 방법은 화석연료가 전부였던 시절이 있었다. 하지만 생활이 발달하면서 더 많은 화석연료가 필요해졌고, 현대에 이르러서는 에너지 수요가 줄어들기는커녕 폭발적으로 늘어나게 됐다. 동시에 화석연료 사용으로 인한 환경오염으로 지구촌이 고통받고 있다.

핵분열을 이용한 원자력에너지는 화석연료 고갈로 인해 감당할 수 없는 에너지 수요를 충족하고, 환경오염도 막을 수 있을 줄 알았다. 그러나 이미 몇 차례 경험한 바 있듯, 원자력발전소에 사고가 발생하면 방사능 물질로 인해 전 세계 사람들의 목숨이 위협받는다.

인류는 안전한 에너지를 찾기 위해 지속적으로 노력해 왔다. 그렇게 찾아낸 에너지가 바로 태양에너지다. 현재 정부는 재생에너지 발전 비중을 2030년까지 20%로 끌어 올리겠다는 계획을 주도하고 있다. 그렇다면 우리의 태양에너지 기술, 과연 어느 수준까지 도달해 있을까?

‘무공해, 무한정’ 태양열·태양광에너지

태양에너지는 크게 태양의 ‘열’을 활용하는 ‘태양열발전’과, 태양의 ‘빛’을 활용하는 ‘태양광발전’ 두 가지로 나뉜다. 태양열은 표면 온도가 약 6,000℃인 태양으로부터 지구 표면에 도달한 태양 복사열을 활용한다. 태양열발전 시스템의 대부분은 냉난방 및 온수에 이용되며, 전기를 생산할 경우 물을 끓여 증기를 발생시킨 후에 터빈을 돌리는 방식이다.

반면, 태양광에너지는 햇빛을 이용한 광전효과로 전기를 생산하는 방식으로,  빛을 바로 전기로 바꿀 수 있기에 발전기가 별도로 필요하지 않다. 따라서 태양열발전보다는 좀 더 발전된 방식이라고 할 수 있다.


태양광발전, 효율 낮고 부지 확보 어려워

태양광발전에서 가장 중요한 역할을 맡고 있는 것은 빛 에너지를 모아 전기를 생산하는 ‘태양전지(Solar Cell)’다. 세계 각국은 태양전지를 여러 개 붙여 만든 태양광 패널을 만들어 전기를 생산하고 있다.

그런데 이런 환경친화적인 태양광 발전도 문제가 있다. 태양광발전의 발전효율은 약 8~15%, 보통은 12% 정도다. 수력 발전이 80~90%, 화력 발전이 45~50%, 원자력 발전이 30~40%의 발전 효율을 보인다는 것을 고려했을 때, 이는 매우 낮은 수치에 해당한다.

통상적으로 태양광발전은 온도가 1℃ 올라감에 따라 효율이 0.5%씩 감소한다. 2011년 5월부터 2013년 4월까지의 데이터에 따르면, 계절에 따른 태양광발전량 차는 봄>가을>여름>겨울 순으로 측정됐다.

태양광발전은 태양광 에너지의 밀도가 낮아 에너지 수집 효율성이 떨어지기 때문에 최대한의 넓은 부지를 필요로 한다. 그러나 한국은 지형 특성상 산지가 많기 때문에 이러한 조건을 만족하는 부지를 확보하기 어렵다.

또한 버려진 태양광 패널 속 ‘결정질 실리콘’이라는 핵심 물질은 환경오염 문제를 일으킨다. 또 전지를 만드는 과정에서는 ‘사염화규소’라는 부산물이 생성되는데, 이 물질은 사람의 피부와 시력에 악영향을 주며, 폐부종으로 인해 호흡이 곤란해지는 증상까지 동반할 수 있다.

이런 여러 가지 이유로 세계 각국은 여러 타입의 태양전지를 개발해 사업화를 시도하고 있다. 그런데 태양전지의 확대에 가장 큰 걸림돌 중 하나인 효율성과 부지 확보 문제를 해결할 길이 보이는 기술이 개발됐다. 반투명을 넘어 유리처럼 완전히 투명한 태양전지가 개발된 것이다.


유리창 대신 활용 가능한 ‘투명 태양전지’ 개발

그동안 태양광 패널은 보통 불투명 또는 반투명이어서 큰 발전 잠재력이 있음에도 불구하고 지붕이나 벽 등 활용 범위가 제한돼 있었다. 하지만 최근 전 세계적으로 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 페로브스카이트를 이용한 투명 태양전지 개발에 박차를 가하고 있다.

이렇게 나온 것이 리처드 런트(Richard Lunt) 교수를 비롯한 미국 미시간주립대 연구진이 개발한 투명 태양광 패널(TLSC)이다. 상식적으로 물체가 투명하게 보이려면 빛이 모이지 않고 그대로 투과해야 한다. 그래서 그동안은 투명한 태양광 패널로 전기를 발생시키는 것은 불가능하다고 여겨왔다.

하지만 TLSC는 유기염을 이용해 빛의 파장 중 비가시광선인 자외선과 근적외선 파장만을 선택적으로 흡수한다. 사람 눈으로 식별할 수 없을 정도로 투명한데다가 투명 상태를 유지하면서 빛을 전기 에너지로 전환하는 것이다.


반투명 전지에 비해 효율은 다소 떨어져

하지만 TLSC는 기존 태양광 패널에 비해 전기 발전효율이 낮다는 단점이 있다. 기존의 반투명 태양광 패널의 경우 최대 약 7%의 효율성을 보이는 반면, TLSC는 1%로 상대적으로 효율성이 많이 떨어진다.

그러나 TLSC의 가장 큰 장점인 투명성이 발전효율의 단점을 상쇄시킬 수 있을 것으로 생각된다. 건물의 창문에 TLSC를 설치하거나 TLSC의 주재료인 유기염을 건물 외형에 적용한다면 더 많은 곳에서 전기를 만들어낼 수 있기 때문이다.

현재 리처드 교수 연구팀은 TLSC의 효율성을 5%까지 끌어올리기 위해 노력하고 있으며, TLSC의 상용화를 위해 일반 유리 크기뿐만 아니라 스마트폰 액정크기의 TLSC도 제작할 계획이다.

연구진은 "미국에는 약 50~70억㎡의 유리가 있다"며, "이 드넓은 유리 표면을 투명 태양광 패널로 덮을 경우 미국 에너지 수요의 약 40%를 공급할 수 있다"고 밝혔다. 이는 옥상 및 지붕 태양광 패널과 비슷한 수준의 발전 잠재력이라고 한다.

문제는 아무리 효율을 높인다고 해도 아직은 투명 태양광 패널의 효율이 기존 태양광 패널에 비해 떨어진다는 것이다. 투명 태양전지의 에너지 전환 효율(5%)은 전통적인 태양전지 효율 15~18%의 3분의 1 수준이다. 그러나 6년 전 처음 선보였던 시제품이 1%에 그쳤던 것에 비하면 큰 발전이므로 가능성은 충분하다고 보면 된다.

인천대 연구팀, 세계 최초 ‘고체형 투명 반도체 태양전지’ 개발

기존 국내의 투명 태양전지 기술은 10%의 효율을 보이지만 빛 투과율이 20%에 불과해 진정한 투명 태양전지라고 불리는 데 한계가 있다. 그런데 이러한 투명 태양전지의 문제를 극복하고 불투명 태양전지도 대체할 수 있는 세계 최초 ‘고체형 반도체 투명태양전지’가 국내 기술로 개발됐다는 소식이 들려왔다.

2018년 11월 13일, HDC 아이콘트롤스는 인천대학교와 차세대 에너지 융합연구소와 협업을 통해 세계 최초의 고체형 반도체 투명 태양광 발전 시스템을 개발했다고 밝혔다.

김준동 인천대 전기공학과 교수팀이 개발한 투명 태양전지는 투과율이 80% 이상인 막을 건물 유리에 붙이면 자외선을 흡수해 빛 에너지의 8%를 전기에너지로 전환해 준다. 80%의 투과율은 일반 유리의 투과율(97~98%)보다는 낮지만, 자외선 차단 기능이 있는 보통 건물 유리의 투과율과 비슷한 정도여서 육안으로는 거의 분간되지 않는다.

김 교수팀이 이 기술을 휴대전화에 적용한 결과, 자외선 영역의 빛에서 8%의 효율을 보이고 5시간가량 만에 완전히 충전됐다. MIT, 버클리, 미시간대 등 미국 유수 대학이 개발한 투명 태양전지 기술의 효율이 2%인 점을 고려할 때 김 교수의 연구는 매우 획기적이라는 평가를 받는다.

특히 이들 미국 대학의 공법은 유리에 액체를 뿌려 막을 형성해 균일성이 떨어지고 습도에 취약하지만, 김 교수팀은 애초 플라스틱 기판 등 고체로 막을 만들어 공정이 간단하고 효율이 높다. 또한 양방향 전기 생산이 가능해 야간 전등의 불빛도 전기로 만들 수 있다.

김 교수는 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 김홍식 선임연구원 등과 이번 연구를 공동 수행했으며 최근에는 기술력을 인정받아 5개월 만에 국내 특허를 획득했다. 김 교수는 “건물 유리나 자동차 유리에 적용하면 바로 전기를 생산할 수 있다”라며 “생산 공정 단순화 등 몇 가지 기술을 보완하면 2년 이내 상용할 수 있을 것으로 본다”라고 말했다.

앞으로 이 기술이 창문, 디스플레이 스크린, 자동차 등에 적용되면 에너지 공급을 높일 수 있을 뿐만 아니라 이와 더불어 30조원 이상의 신시장이 창출될 예정이어서 업계의 관심이 쏟아지고 있다.

현 태양에너지 발전 기술의 최종 목표는 건물 창호에 적용해 에너지를 자급자족하고, 지속적으로 운영 가능한 ‘스마트 제로에너지 빌딩’을 구현하는 것이다. 하지만 지금과 같은 발전 속도라면 상용화는 정말 머지않아 보인다.

■ <나침반 36.5도> 1월호 해당 페이지 안내 

*에듀진 기사 원문: http://www.edujin.co.kr/news/articleView.html?idxno=32187