Win-Win Tech - 태양광 고효율 활용을 위한
태양전지 일체형 하이브리드시스템 개발
WIN-WIN TECH는 정부출연연구소 등 공공연구기관으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
태양광발전은 태양광에너지를 태양전지를 활용하여 직류전기로 바꾸어 전력을 생산하는 방법으로, 2002년 이래 연평균 40~60% 수준의 고성장세를 보이며 신재생에너지 분야에서 가장 빠르게 성장한 산업분야이다.
최근 몇년간 유럽의 경제위기 및 세계 경제성장률의 하락에 따른 각국의 태양광 지원금의 축소와 함께 중국 등에서 집중적으로 투자, 설립된 업체들의 공급과잉 현상 등으로 인하여 태양광발전산업은 다소 침체기를 맞았으나, 향후 정부지원금 틀에서 벗어나 원가혁신 등을 통하여 점차 발전단가를 낮추고(현재 일부지역에서는 태양광발전 단가가 화석연료발전 단가수준으로 떨어지는 그리드패리티가 달성됨), 자부담시장 및 신흥시장이 서서히 확대된다면 빠른 시일내에 제2의 도약기가 펼쳐질 것으로 전망된다( 그림 1참조).
참고로, 2013년 기준 전세계 태양광시장 규모는 37GW이며, 2014년은 44GW로 23%의 성장률을 예상하고 있다( 그림 2 참조).01
(01 SNE Research Report)
국제에너지기구인 IEA(International Energy Agency)에서는 2040년경 태양광이 주요 발전원으로 부상하며, 2050년에는 태양광발전이 세계 발전량의 26%를 차지할 것으로 전망하였다.
이러한 세계적 흐름에 발맞추어 국내에서도 2010년 신재생에너지를 성장동력산업으로 육성하기 위해 수립된 “신재생에너지산업 발전전략”에서 2011~2015년까지 신재생에너지산업에 투자될 총 40조원 가운데 약 20조원을 태양광산업에 집중투자할 것을 발표하였다.
국내 태양전지 시장현황은 2009~2011년 출하액 기준 연평균 성장률이 45%에 달하였다.
그러나 국내 태양광발전산업의 경우 중국 대비 생산규모, 원가경쟁력, 정부의 금융지원 등이 불리한 상황이므로, 제조기술 및 활용관점에서 보다 차별화된 고효율 기술을 개발하거나 타기술분야 및 시장과의 결합을 통하여 시너지를 기대하는 방향으로 경쟁력을 갖추어야 할 것으로 판단된다.
뿐만 아니라, 2014년 5월 한국을 비롯한 미국, 캐나다, 영국 등 세계 주요 에너지소비국 24개국에서 모인 ‘세계클린에너지장관회의’(CEM; Clean Energy Ministerial Conference)에서 발표된 10대 청정에너지 유망기술 가운데 ‘초고효율 태양광발전 기술’ 및 ‘하이브리드 신재생에너지 기술’이 선정되어 태양광의 고효율 활용 및 태양광 하이브리드기술 개발의 중요성이 다시금 확인되었다.
이와 같은 대내외적 여건과 환경을 고려한 태양에너지 고효율 활용 및 하이브리드기술 개발의 일환으로, 필자가 속해있는 연구그룹에서는 이온성 액체를 포함하는 태양전지 일체형 하이브리드시스템을 개발하였다.
현재 상용화된 태양전지의 경우 태양에너지 중 약 60%의 비중을 차지하는 250~1,100nm대의 스펙트럼 영역을 갖는 자외선(Ultraviolet Rays; UV)와 가시광선(Visible Light)을 이용하게 되며, 나머지 약 40%의 비중을 차지하는 1,100~3,000nm대의 스펙트럼 영역을 갖는 적외선(Infrared Light)은 광전변환이 되지 않고 버려지고 있는 실정이다.
또한, 현재 개발된 태양전지의 최대효율이 20% 내외에 불가하여 면적대비 전력생산 효율이 낮은 문제도 있다. 따라서, 사막과 같이 버려진 대지가 없는 우리나라의 경우 제한된 대지의 사용을 통해 동일면적내에서 태양광 활용률을 극대화할 수 있는 시스템의 개발이 필요하다.
이에 본 연구그룹에서는 이온성 액체를 내부에 포함하고 있는 액상 태양에너지 흡수부를 태양전지 상면에 결합한 일체형 하이브리드시 스템을 고안함으로써 제한된 설치공간내에서 태양광에너지 활용효율을 극대화하였다.
그림 3 은 본 태양전지 일체형 하이브리드시스템을 개략적으로 도시한 것으로, 기본적으로 태양광발전을 위한 태양전지 모듈 및 태양전지 모듈 상면에 결합되고, UV-Vis 스펙트럼 영역의 에너지 광흡수가 거의 일어나지 않아 태양광 변환 효율을 저하시키지 않으며, 미활용 영역인 적외선 영역의 에너지(열)를 흡수하는 이온성 액체를 내부에 포함하는 액상 태양에너지 흡수부를 포함하고 있다.
제안된 태양전지 일체형 하이브리드시스템은 태양광에너지 가운데 자외선 및 가시광선 영역은 기존의 상용화된 태양전지 모듈을 이용하여 활용하고, 태양전지 모듈에 의해 활용되지 못하는 적외선 영역의 태양광(열) 에너지는 태양전지 표면상에 구비된 액상매체를 통하여 흡수되는 작동원리이다.
일반적으로 태양전지 위에 열포집을 위한 액상 매체장치를 표면상에 장착시 태양광 변환효율의 저운데 자외선 및 가시광선 영역은 기존의 상용화된 태양전지 모듈을 이용하여 활용하고, 태양전지 모듈에 의해 활용되지 못하는 적외선 영역의 태양광(열) 에너지는 태양전지 표면상에 구비된 액상매체를 통하여 흡수되는 작동원리이다.
일반적으로 태양전지 위에 열포집을 위한 액상 매체장치를 표면상에 장착시 태양광 변환효율의 저하를 가져올 수 있다. 그러나, 이온성 액체의 경우 증기압이 거의 무시될 수 있을 정도로 매우 낮으므로, 태양전지 모듈의 상면에 이온성 액체를 포함한 액상 태양에너지 흡수부를 구비함에 따른 용매의 휘발 등에 의해 발생할 수 있는 상기의 문제를 방지할 수 있다.
또한 높은 액상온도 범위 및 열매체 특성을 가지고 있어 본 하이브리드시스템에 적용하기에 가장 적합한 매체라 볼 수 있다.
그림 5 에서는 1-Ethyl-3-Metylimidazollium Chloride(EMIMCl) 이온성액체를 포함한 액상 흡수부 시스템 장착 전후의 태양전지의 발전성능을 비교하였는데, 액상 흡수부 시스템이 장착된 후 발생되는 전압 및 전류가 장착전 값과 거의 동일한 것으로 보아 태양전지 표면상에 장착된 액상 흡수부 시스템은 기존 태양전지의 광전변환 효율의 저하를 유발하지 않음이 확인되었다.
또한, 종래의 결정질 실리콘 태양전지는 재질의 특성상 온도가 상승함에 따라 출력감소 및 모듈의 수명이 단축되고 전기변환 효율이 감소하는 특징을 가지고 있기 때문에, 위와 같이 액상 태양열에너지 흡수부를 구비할 경우 기존 태양전지의 수명향상 및 이를 통한 광전변환 효율을 향상시키는 추가적인 효과 등도 기대해 볼 수 있다.
아울러, 본 기술은 기존 태양전지 상면에 여러 다양한 기능구현이 가능한 액상시스템을 추가적으로 구비하게 됨으로써 다양한 분야로의 하이브리드기술 개발이 가능하다. 이온성 액체를 매체로 한 액상시스템에서 흡수된 태양광열에너지는 열펌프 또는 마이크로터빈 등 기타 연결장치 등을 통하여 회수, 활용될 수 있으며, 또한 태양전지 표면상에 구비된 액상장치내에서 In-Situ 화학반응에 의해 직접 활용도 가능하다.
예를 들면 태양전지 모듈로부터 전극부로 공급받은 전기에너지를 에너지원으로 이용하여 다양한 전기화학 반응을 유도할 수 있고, 흡수된 열에너지도 자체 에너지원으로 활용될 수 있다.
또한, 추후 액상매체에 광감응제 및 촉매 등을 포함시킬 경우 광에너지의 추가활용을 통하여 새로운 화학반응을 유도함으로써 현재 통상적으로 20%밖에 활용하지 못하는 기존 시스템의 태양광 활용효율을 높일 수 있다.
아울러 태양전지 상면에 결합하여 공간효율성이 증대되는 것도 큰 특징 중의 하나이다.
이와 같은 태양전지 일체형 하이브리드시스템의 다양한 기술적용성 확보를 위하여 본 연구그룹에서는 이온성 액체를 액상매체로 함유한 전기화학 반응시스템을 구축하여 이산화탄소의 환원반응을 유도하여 보았다.
이산화탄소는 최근 세계적 이슈로 떠오른 지구온난화 문제를 일으키는 대표적인 온실가스 물질로서 그동안 국내외 온실가스 저감기술은 이산화탄소의 대량배출원으로부터 이산화탄소를 포집 및 회수하여 반영구적으로 저장하거나 처리하는 ‘이산화탄소 포집 및 저장’(Carbon Capture & Storage; CCS) 기술을 중심으로 이루어져왔다.
그러나, CCS 기술의 경제성, 안정성 문제 및 한정적인 저장장소 등의 한계점이 부각되면서 이산화탄소를 부가가가치가 높은 화학제품이나 연료로 전환하여 활용하는 ‘이산화탄소 포집 및 전환’(Carbon Capture & Utilization, CCU) 기술이 새로이 주목을 받고 있다.
이러한 CCU 기술 가운데 이산화탄소의 전기화학적 전환기술은 높은 효율 및 반응선택성, 대형화의 용이성 및 운전편의성 등의 장점을 지니고 있어 상용가능성이 높은 기술 중 하나이다.
그러나 반응을 개시하기 위해 요구되는 과전압이 높고, 수용액에서의 이산화탄소 환원반응의 경우 수소발생 반응과의 경쟁문제 및 수용액상에서의 이산화탄소 낮은 용해도 등의 문제가 현재 극복되어야 할 주요한 이슈로 알려져 있다.
이 때 앞서 태양전지 일체형 하이브리드시스템에서 액상시스템 매체로 사용된 이온성 액체는 높은 전기전도도 및 전기화학적 안정성 등으로 인하여 전해질로 사용가능할 뿐 아니라, 액상 반응매체로 활용할 경우 이산화탄소 용해도를 높임과 동시에 과전압 등 반응에 요구되는 에너지를 효과적으로 낮추는 등의 이산화탄소의 전기화학 전환반응에 활용하기에 적합한 여러가지 장점을 가지고 있다.02
(02 B. A. Rosen, A. S.-K. Thorson, W. Zhu, D. T. Whipple, P. J. A. Kenis and R. I. Masel “Ionic Liquid-Mediated Selective Conversion of CO2 to CO at Low Overpotentials”, Science, 2011, vol. 334, no. 6056, pp. 643-644)
즉,본 태양전지 일체형 하이브리드시스템의 적용사례로서 이온성 액체를 활용한 이산화탄소의 전기화학 전환반응은 매우 효과적인 예가 될 수 있다.
그림 6 은 백금 상대전극 및 은 작업전극으로 구성된 전기화학 반응장치내에 이산화탄소가 용해된 1-Ethyl-3-Methylimidazolium Tetrafluoroborate(BMIMBF4) 형태의 이온성 액체를 넣고 전기에너지를 공급하였을 경우 이산화탄소 전환생성물 중 하나인 일산화탄소(CO)가 선택적ㆍ효율적으로 생성됨을 보여주고 있다.
아울러, 이온성 액체의 순환전압전류(Cyclic Voltametry) 측정결과에서 볼 수 있듯이, 이산화탄소로 퍼징된 이온성 액체의 순환전압전류값이 이온성 액체하의 이산화탄소의 환원반응으로 인하여 -1.4V(vs. Ag/AgCl)에서부터 증가하여 -1.8V(vs. Ag/AgCl)에서 최대화되는 것을 관찰할 수 있었다.
이는 이온성 액체가 이산화탄소의 전기화학적 환원반응에 요구되는 에너지를 효과적으로 낮출 수 있는 전기촉매로 작용할 수 있음을 의미한다.
상기의 실험결과를 통하여 본 연구그룹이 제안한 태양전지와 결합된 이온성 액체 액상시스템 내부에서 이산화탄소의 전기화학 전환 In-Situ 반응이 효과적으로 일어날 수 있으며, 이때 반응에 요구되는 에너지는 외부에너지의 공급없이 태양전지 모듈을 통해 태양광으로부터 공급받을 수 있음을 보여주고 있다.
본 기술은 태양광 고효율 활용을 위한 태양전지 일체형 하이브리드시스템 기술로서 기존의 태양전지 표면상에 일체로 결합되어 기존의 태양전지에서 활용되지 않았던 영역의 태양광을 태양전지 상면에 존재하는 액상시스템의 이온성 액체를 통하여 흡수, 활용하여 태양광에너지의 활용효율을 높이는 시스템이다.
본 하이브리드시스템의 작동사례로 태양전지로부터 발생되는 전기를 공급받아 이온성 액체를 포함한 액상시스템에서 이산화탄소의 전기화학 전환반응이 효과적으로 진행될 수 있음을 확인하였고, 향후 본 태양전지 일체형 하이브리드시스템을 지속적으로 향상하여 태양광에너지를 광, 열, 전기 등의 다양한 에너지 형태로 변형, 활용하여 폭넓은 화학반응에 적용하고자 계획하고 있다.