〔신재생에너지〕건물일체형 태양전지(BIPV·Building Integrated Photovoltaic)

〔신재생에너지〕건물일체형 태양전지(BIPV·Building Integrated Photovoltaic)

 

유리창에 '태양광발전소' 들어선다

창에 코팅된 염료가 빛 흡수해 태양전지로 보내
에너지 효율 기존보다 높고 별도 부지 필요없어

 

유가(油價)가 고공행진을 계속하면서 햇빛을 전기로 바꾸는 태양광 발전이 에너지 위기를 극복할 대안으로 떠오르고 있다. 하지만 태양광 발전은 수많은 태양전지를 펼쳐놓아야 하기 때문에 땅이 부족한 우리나라에서는 보급에 한계가 있다. 최근 이런 문제를 해결하기 위해 도심의 건물 유리창을 이용해 태양광 발전을 하는 기술이 국내외에서 잇따라 개발되고 있다.

 

이른바 '건물일체형 태양전지(BIPV·Building Integrated Photovoltaic)'다.

 

◆햇빛을 모으는 유리창
미국 매사추세츠공과대학(MIT) 마크 발도(Baldo) 교수 연구진은 지난 11일 과학학술지 '사이언스(Science)'지에 염료(染料)를 칠한 유리창을 집광기(solar concentrator)로 이용해 태양광 발전의 에너지 효율을 20%까지 높일 수 있는 기술을 발표했다.

즉 햇빛에너지 100을 받았을 때 20이 전기에너지로 변한다는 말이다. 기존 실리콘 태양전지는 빛이 거의 수직으로 들어와야 제대로 전기를 생산할 수 있고, 표면에서 상당수의 햇빛이 반사돼 에너지 효율이 12~13%에 그치고 있다. 태양광 발전이 경제성을 가지려면 이 에너지 효율을 높이는 것이 관건이다.

 

 

현재 사용되고 있는 집광기는 거울이나 렌즈 형태로 태양의 움직임에 맞춰 돌아간다. 하지만 이 경우 태양의 위치를 추적하는 별도의 시스템이 필요한데다 집광기끼리 서로 그늘을 만들지 않도록 충분히 떨어뜨려 놓아야 하기 때문에 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 렌즈로 햇빛을 모아 보내면 태양전지 표면의 온도가 너무 높아지는 것도 문제다.

발도 교수는 건물 유리창을 집광기로 이용하는 방법을 제시했다. 유리에는 특수 염료가 코팅돼 있다. 염료는 태양광을 흡수한 뒤 마치 광섬유가 빛을 전달할 때처럼 유리창 테두리에 붙여놓은 태양전지로 빛을 보낸다. 결국 유리창이 태양광 발전소가 되는 것이다.

연구진은 염료가 흡수한 햇빛의 80~90%를 태양전지에 전달할 수 있다고 밝혔다. 버려지는 햇빛이 거의 없다는 말이다. 또 나머지 햇빛은 유리창을 통과해 들어가기 때문에 건물의 채광(採光)에도 문제가 없다고 설명했다.

유리창을 집광기로 이용하려는 시도는 1970년대에도 있었다. 하지만 당시엔 염료가 흡수하는 빛의 파장과 재반사하는 파장이 같아서 햇빛 전달효율이 낮았다. 발도 교수는 "이번에 이용된 염료는 빛을 흡수한 다음 그보다 더 긴 파장의 빛으로 바꿔 전달하기 때문에 빛 전달에 문제가 없다"며 "기존 태양전지 위에 염료가 칠해진 유리판을 덮으면 에너지효율이 20%까지 높아질 것"이라고 밝혔다. 연구진은 염료의 내구성을 높이는 등 보완을 거치면 3년 내 상용화가 가능할 것으로 보고 있다.

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▲ 염료감응 태양전지. 투명하고 다양한 색을 낼 수 있어 건물 유리창에 적용가능하다. /KAIST 제공

 

◆햇빛으로 유리창 색 조절도 가능
국내에서도 유리창을 태양전지로 이용하는 기술이 개발됐다. 지난달 24일 KAIST 배병수 교수와 삼성SDI 중앙연구소 이지원 박사 공동연구진은 유리창으로 전기를 만들 수 있는 투명 '염료감응 태양전지'를 발표했다.

염료감응 태양전지는 유리창 위에 태양전지 역할을 하는 반도체산화물과 햇빛을 흡수해 전달해주는 염료 층이 차례대로 코팅돼 있다. 배 교수는 "염료를 이용하면 오후 늦게 비스듬히 들어오는 햇빛도 발전에 이용할 수 있다"며 "염료에 따라 건물 디자인과 어울리는 색을 낼 수 있고 투명해 건물 유리창에 적합하다"고 말했다. 연구진은 햇빛으로 만든 전기를 이용해 유리창의 색을 다양하게 변화시킬 수 있는 기술도 함께 개발했다.

문제는 에너지효율이 기존 실리콘 태양전지에 비해 절반 정도로 낮다는 점이다. 하지만 한국전자통신연구원(ETRI) 오수영 박사는 "고가의 실리콘을 사용하지 않는데다 인쇄방식으로 쉽게 제작할 수 있어 최종 발전 단가는 실리콘 태양전지의 3분의 1에서 5분의 1 정도로 낮다"고 말했다. 벽면 전체가 유리인 건물이라면 충분히 경제성을 가질 수 있다는 말이다.

 

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▲ 염료가 칠해진 유리창 집광기. 햇빛에 들어 있는 다양한 색의 빛을 흡수해 가장자리에 있는 태양전지로 전달한다./MIT 제공

이 때문에 초고층 빌딩 건설 붐이 일고 있는 중동 국가에서 염료감응 태양전지에 큰 관심을 보이고 있다. ETRI는 최근 자체 개발한 염료감응 태양전지를 이용한 시험발전소를 리비아와 아랍에미리트연합(UAE)에 짓기로 협약을 맺었다.

이와 함께 UAE가 추진하고 있는 친환경 도시의 건물 유리창에 염료감응 태양전지를 적용하는 방안도 추진 중인 것으로 알려졌다.

 

 

2008.07.17 03:23