높은 가시광 투과율 확보 및 단열과 차음 등 건축환경적 인자 종합적 평가돼야
패널을 설치하기 위한 넓은 땅이 없어도 태양광 발전을 가능하게 해주는 ‘창호형 태양전지’ 기술이 제로에너지건축 시대를 맞아 최근 주목받고 있다. 정부에서도 법제도 개선에 나서고 있으며 업계 역시 창문형 혹은 벽 부착형 태양광 기술 개발에 속도를 내고 있다.
하지만 아직 시장 규모가 작고 발전 효율성 문제로 불확실성이 크다라는 지적도 나오고 있는 국내 창호형 태양전지 기술 동향을 점검해 봤다.
태양전지 관련 기술 및 산업은 신재생에너지의 중요성이 대두되면서 빠르게 발전하고 있으나 비교적 넓은 설치 공간이 필요하다는 태생적 한계를 지니고 있다. 태양광 밭이나 지붕 형태의 태양전지를 사용하고 있으나 토지가격과 옥상 활용률이 높은 우리나라에서는 널리 활용하기 어려운 방식이다.
이에 따라 전력 소모량이 높은 고층 빌딩을 중심으로 전력의 송배전 손실까지 절약할 수 있는 건물일체형태양광발전(Building Integrated Photovoltaic, BIPV) 방식이 주목을 받았다. 하지만 기존 실리콘 태양전지를 빌딩의 벽면에 붙이는 방식은 설치가 어렵고 태양광 각도에 따른 효율성 저하와 창호면적 증가로 인한 설치 면적의 감소 등의 제약이 많은 단점이 있어 시장의 크게 성장하지 못했다.
다행히 그동안 창호형 태양전지 기술이 발전하고 창호형 태양전지를 건축 외장에 적용하기 위한 법규, 구조, 시공, 안전, 내구성 등의 건축적 요구사항들도 점차 개선되면서 제로에너지건축 시대를 맞아 최근 새롭게 주목받고 있는 추세이다.
업계에서는 창문형 태양전지 기술 검증이 마무리되고 비용 문제 등이 개선되면 현재 국토교통부에서 추진하고 있는 ‘제로에너지 건축물 인증제’가 전면 의무화되는 2025년 이후에는 건축물에 적용 가능한 신·재생 에너지 설비가 지속적으로 적용 확대 될 것으로 예상하고 있다.
‘창호형 태양전지’ 연구 성과, 봇물 터져
정부의 법제도 개선 등 시장상황이 변화하면서 업계 및 연구기관에서도 창문형 또는 벽 부착형 태양광 기술 개발에 속도를 내면서 최근 업계를 비롯 연구기관에서 차세대 창호형 태양전지 연구 성과를 봇물 터지듯 발표하고 있다.
거광기업, SK건설, 국영지앤엠, 알루이엔씨, 아반시스코리아, 한국전력 등 업체를 비롯 한국에너지기술연구원, 한국과학기술연구원, 한국전자기술연구원 등이 차세대 태양전지 개발에 성공했다.
먼저 SK건설은 지난 8월 국영지앤엠, 알루이엔씨와 세대 창호 및 개폐되는 창문에도 태양광 발전설비를 적용하여 발전과 차양의 효과 및 전체적인 미관을 유지 할 수 있는 공동주택 창문형 태양광 발전시스템 및 오피스형 태양광 발전시스템을 개발했다고 밝혔다. 공동주택 창문형 태양광 발전시스템은 세대 내 창문에 설치되는 시스템으로 외부 조망을 고려하여 박막형 태양광 패널을 적용했고 창문이 설치되는 위치에 따라 투과율을 10~30%까지 조정해 적용할 계획이다. 또한, 움직이는 창문에서 발전된 전기가 세대 내 전력계통에 안정적으로 연계될 수 있도록 Operable BIPV 시스템을 공동 개발하여 특허 출원을 완료했다.
지금까지 공동주택에 적용된 태양광 발전설비는 대부분 공용부 전기로 사용하였으나 SK건설의 창문형 태양광 발전설비는 세대 전기로 사용하여 입주자에게 직접적인 전기요금 절감 효과를 얻을 수 있도록 계획하였다.
알루미늄 창호 전문기업 거광기업은 지난 8월 ‘개폐조절이 가능한 태양광발전용 창호’를 개발했다고 밝혔다. 국책과제로 개발된 거광기업의 BIPV 특허기술은 벽면에 평행하게 설치되더라도 다양한 개폐각도로 오픈이 가능해 에너지 생산효율을 극대화 시킬 수 있는 기술이다. 이 기술은 더블스킨구조로 단열성능이 우수하며 광범위한 Tilting 각도 조절에 의해 시야확보가 이뤄지며 건물 외부에서의 태양광 패널 교체작업도 용이하게 이루어 질 수 있게 했다. 더불어 전면부 컬러유리로 다양한 색 구현이 가능하고 각도 조절을 통해 효율향상을 도모 할 수도 있게 하였으며 시공 용이성뿐만 아니라 공기를 A/S 발생시 A/S 요인을 신속히 분석하고 대상 모듈을 교체 할 수 있는 편의성을 확보했다.
한국전력 역시 지난 8월 창호형 태양전지 사업화에 착수했다고 밝혔다. 기반 기술은 업계가 세계 최고 수준의 기술력을 보이는 '페로브스카이트 태양전지'다. 이 기술은 널리 쓰이는 실리콘 태양전지에 비해 고온 가열·진공 공정이 필요없다는 게 장점이다. 1,000℃ 이상의 고온을 이용해 제작되는 실리콘 태양전지와 달리 창호형 태양전지는 200℃ 이하의 공정을 사용해 생산비가 저렴하다.
효율도 실리콘 전지와 비슷하다. 20층 빌딩에 설치하면 200kW급 이상의 규모로 연간 210톤(t)의 이산화탄소 저감효과가 발생할 전망이다.
연구기관들의 창호형 태양전지 연구 성과도 속속 발표되고 있다. 한국전자기술연구원은 최근 고효율 투명 발광 태양집광판(Luminescent solar concentrator, LSC)이 적용된 창호형 태양광 모듈을 개발했다고 밝혔다.
전자기술연구원이 개발한 창호형 고효율 투명 태양전지를 활용하면 기존 BIPV 방식의 어려움을 해소하는 것은 물론 가시성과 전력 생성, 열에너지 보전 세 가지 기능을 동시에 수행한다는 장점이 있다는 게 한국전자기술연구원 설명이다.기술 구현을 위해서는 고효율 LSC 개발이 핵심이다. LSC는 나노입자 크기의 형광체가 분산된 투명한 판으로, 수직 방향에서 입사한 태양광의 일부분은 투과시키고 일부분은 수평면으로 집광시켜 보내는 특성을 지닌 소재이다.
전자기술연구원은 양자효율 90% 이상인 파장선택성 양자점 및 이와 파장이 매칭 되는 GaAs 태양전지가 적용된 LSC 모듈 개발에 성공함으로써 5cmx5cm 단위셀이 5.33% 발전 효율을 갖는 세계 최고 수준의 고투명 LSC를 제조할 수 있게 되었다.
한국에너지기술연구원 역시 두께가 얇은 유연한 유리 기판을 적용해 유연성과 투광성을 동시에 가지면서도 기존 두꺼운 유리기판 상에 제조된 투광형 태양전지와 견줘도 효율 및 성능특성이 우수한 양면수광형 박막 태양전지 구현에 성공했다. 연구단은 유연 반투명 CIGS 박막 태양전지기술이 투광성에 기반해 양방향 수광이 가능함에 주목했다. 투광성 확보를 위해 발생이 불가피한 광흡수에 의한 출력 손실을 추가 제조공정 없이 후면수광을 통해 보완 가능함을 확인했다. 연구개발 성과는 신뢰성 있는 차세대 태양전지 성능·효율 측정 및 평가 인프라를 보유한 태양광연구단에서 측정을 통해 검증했다.
한국과학기술연구원은 ‘고효율 용액 공정 태양 전지’를 개발, 대면적화에 성공했다고 밝혔다. 건물 외벽이나 자동차 등에 페인트 칠하듯 바르기만 하면 전력을 생산할 수 있는 기술로, 태양 전지의 소재가 되는 유기물을 액체화 해 코팅하는 원리로 이 전지는 빛을 전기로 변환하는 광전 변환 효율이 기존 기술 대비 9.6% 이상 높다는 게 연구원 입장이다.
상용화는 아직 일러...가시광 투과율 개선 및 고비용 문제 해결돼야
이처럼 BIPV를 포함한 창호형 태양전지 기술이 최근 발전하고 있지만 창호에 성공적으로 적용돼 상용화 되기 위해서는 가시광 투과율 확보와 함께 고효율화와 내구성 확보가 필요해 좀 더 오랜 시간이 걸릴 것으로 예측된다.
업계 관계자는 “창호형 태양전지가 창호 및 커튼월에 적용되기 위해서는 높은 가시광 투과율이 필수적이다. 더불어 건축외장재에 사용되기 위해서는 관련 법규와 구조, 시공, 안전, 내구성 등의 수많은 건축적 요구사항이 검토되어야 한다”라며 “현재 업계 및 연구기관에서 개발되고 있는 셀, 모둘 및 패널이 다양한 환경에서 실증 및 시범사업을 거쳐 기술 검증이 완료되어야 상용화가 이뤄질 수 있을 것이다.”라고 전망했다.
수익성 및 기술 효율성 검증이 완료되지 않고 전기 기술이 적용되는 공사 규모 등을 고려하면 창호형 태양전지의 보급 확대는 아직 갈 길이 멀다는 것도 다수의 업체 관계자 의견이다. 이와 관련 업계 관계자는 “BIPV 등 창호형 태양전지는 특수 목적 하에 설치되거나 정부의 지원 사업에 치중하는 경우가 많다. 더불어 태양 전지의 효용 가치가 막대한 설치비용을 감수할 만큼 크지는 않은 것 같다”라며 “태양광 적용 건물은 남향으로 설치돼야 효율이 나는데 실질적으로 모든 건물을 남향으로 짓지는 못할 것이기 때문에 사업성이 떨어진다고 본다.”라고 말했다.
창호형 태양전지 연구기관 관계자 역시 “최근 창호형 태양전지 연구성과를 발표했지만 모듈 면적을 넓히는 기술 등 아직 상용화까지는 해결해야 할 할 과제가 남았다”라며 “다만 사업화에 성공하면 창호형 태양전지의 설치가 쉽고 공간 제약이 크지 않은 장점을 활용해 창호외 다양한 곳에 적용할 수 있을 것”이라고 전했다.
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