GiPV: 반투명 태양광 모듈을 사용하는 건물 일체형 태양광 발전 시스템

건물 일체형 태양광 발전(BIPV)은 지붕, 채광창, 외벽 등 건물의 일부에 기존 건축 자재를 대체하는 태양광 소재를 사용하는 것을 말합니다. BIPV는 신축 건물에 주요 또는 보조 전력원으로 점점 더 많이 통합되고 있으며, 기존 건물에도 유사한 기술로 개조할 수 있습니다. 기존의 비일체형 시스템에 비해 BIPV의 장점은 초기 투자 비용을 상쇄할 수 있다는 점입니다. BIPV 모듈이 대체되는 건물 부분의 건축 자재 및 인건비를 절감할 수 있기 때문입니다. 또한, 건물의 미관을 중시하는 경우, 기존의 랙 장착형 태양광 패널이 건물의 외관을 해칠 수 있지만 BIPV는 이러한 문제를 해결하여 태양광 발전 설비의 수용도를 높일 수 있습니다.

BAPV(건물 부착형 태양광 발전)라는 용어는 건물에 개조하여 설치하는 태양광 발전 시스템을 지칭하는 데 사용되기도 합니다. 대부분의 건물 일체형 시스템은 실제로 BAPV입니다. 일부 제조업체와 개발업체는 신축 건물에서 BIPV와 BAPV를 구분하기도 합니다.

건물 일체형 태양광 발전(BIPV) 기술은 1970년대에 처음 등장했습니다. 알루미늄 프레임의 태양광 모듈은 주로 전력망에 연결되지 않은 외딴 지역의 건물에 부착되거나 장착되었습니다. 1980년대에는 옥상형 태양광 발전 시스템 설치가 시작되었습니다. 이러한 시스템은 일반적으로 전력망에 연결된 건물이나 중앙 발전소가 있는 지역에 설치되었습니다. 1990년대에는 건물 외피에 통합되도록 특별히 설계된 BIPV 제품이 상용화되었습니다. 1998년 패트리나 아이퍼트(Patrina Eiffert)의 박사 학위 논문 "BIPV의 경제성 평가"에서는 언젠가 신재생에너지 크레딧(REC) 거래에 경제적 가치가 있을 것이라는 가설을 제시했습니다. 2011년 미국 국립재생에너지연구소(NREL)의 BIPV 경제성 평가 및 간략한 역사 보고서에 따르면, BIPV 설치 비용이 기존 태양광 발전 시스템과 경쟁력을 갖추기 위해서는 여전히 상당한 기술적 과제가 남아 있습니다. 하지만, 광범위한 상용화를 통해 BIPV 시스템이 2020년까지 유럽의 제로 에너지 빌딩(ZEB) 목표 달성의 핵심이 될 것이라는 공감대가 점차 커지고 있습니다. 이러한 기술적 가능성에도 불구하고, 건설업계의 보수적인 문화와 고밀도 도시 계획에의 통합 문제 등 광범위한 도입을 가로막는 사회적 장벽도 지적되고 있습니다. 저자들은 장기적인 도입은 기술 개발뿐 아니라 효과적인 정책 결정에도 크게 좌우될 것이라고 강조합니다.

반투명 태양광 모듈은 건물 일체형 태양광 발전(BIPV)을 건축 및 도시 계획에 통합하는 흥미로운 방법을 제공합니다. 이러한 새로운 유형의 태양 에너지 생산 방식은 미래에 전 세계 전력 생산의 중요한 구성 요소가 될 가능성이 매우 높습니다.

반투명 태양광 모듈을 사용하는 건물 일체형 태양광 발전 시스템은 에너지 효율적인 건물을 건설하는 데 매력적인 선택지입니다. 이 기술은 에너지 비용을 절감하는 동시에 건물의 외관을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.

또한, 반투명 태양광 패널을 사용하여 건물 내부로 자연광을 직접 유입시킬 수 있습니다. 이는 에너지를 절약할 뿐만 아니라 인공 조명 비용도 절감해 줍니다.

요약하자면, 건물 일체형 태양광 발전(BIPV)은 매우 효율적이고 다재다능한 형태의 재생 에너지입니다. 이는 건물의 에너지 공급을 지속 가능하게 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

지상 설치형 및 옥상 설치형 발전소용 결정질 실리콘 태양광 모듈.

비정질 결정질 실리콘 박막 태양광 모듈은 속이 비어있고 가벼우며 빨강, 파랑, 노랑 등 다양한 색상으로 제작될 수 있으며, 유리 외관 및 투명 채광창으로 사용됩니다.

CIGS(구리 인듐 갈륨 셀레나이드) 기반 박막 전지는 건물 외피 요소에 적층되는 유연한 모듈에 적용되거나, CIGS 전지가 건물 외피의 기판에 직접 장착됩니다.

정사각형 셀이 내부에 있는 이중 유리 태양광 모듈.

평지붕

현재까지 가장 널리 사용되는 솔루션은 유연한 고분자 모듈에 통합된 비정질 박막 태양 전지이며, 이 모듈은 접착 필름을 사용하여 태양광 모듈의 후면 시트와 지붕 막 사이에 부착됩니다. 미국 기업은 구리 인듐 갈륨 셀레나이드(CIGS) 기술을 사용하여 단일층 TPO 막에 건물 일체형 모듈을 적용했을 때 17%의 셀 효율을 달성했습니다.

경사진 지붕

태양광 지붕 타일은 태양광 모듈이 통합된 (세라믹) 지붕 타일입니다. 이 세라믹 태양광 지붕 타일은 2013년 네덜란드 회사에서 개발 및 특허를 받았습니다.

여러 개의 지붕 기와 모양으로 구성된 모듈.

태양광 지붕재는 일반 지붕재와 모양과 기능이 비슷하지만, 유연한 박막 태양 전지를 포함하는 모듈입니다.

이러한 제품들은 자외선과 수분 손상으로부터 단열재와 방수막을 보호하여 지붕의 수명을 연장시켜 줍니다. 또한, 지붕 방수막 표면의 이슬점보다 높은 온도를 유지함으로써 결로 현상을 방지합니다.

금속 경사 지붕(구조용 및 건축용 모두)은 이제 독립형 유연 모듈을 접착하거나 CIGS 셀을 기판에 직접 열 및 진공 밀봉하는 방식으로 태양광 발전 기능을 갖추게 됩니다.

정면

기존 건물에 외관 모듈을 부착하여 완전히 새로운 모습을 연출할 수 있습니다. 이 모듈은 기존 구조물 위에 건물의 외관에 설치되어 건물의 미관을 향상시키고 재판매 가치를 높일 수 있습니다.

유약

태양광 창호는 유리나 유사한 재질로 만들어진 창문, 채광창 등의 건축 요소를 대체할 수 있는 (반)투명 모듈입니다. 태양광 창호는 전기 에너지를 생산할 뿐만 아니라 뛰어난 단열 성능과 태양 복사열 조절 기능을 통해 추가적인 에너지 절약 효과를 얻을 수 있습니다.

태양광 유리창: 주거용 및 상업용 건물에 에너지 생성 기술을 통합함에 따라 최종 제품의 전반적인 미적 측면에 더욱 중점을 두는 연구 분야가 새롭게 떠오르고 있습니다. 높은 효율성을 달성하는 것이 여전히 목표이지만, 태양광 유리창의 새로운 개발은 소비자에게 최적의 유리 투명도 또는 다양한 색상 선택권을 제공하는 것을 목표로 합니다. 다양한 색상의 태양광 패널은 넓은 스펙트럼에서 특정 파장 범위를 최적으로 흡수하도록 설계될 수 있습니다. 반투명, 페로브스카이트 및 염료 감응형 태양 전지를 사용하여 유색 태양광 유리가 성공적으로 개발되었습니다.

• 파브리-페로-에탈론(Fabry-Pérot-Etalon) 기술을 이용하여 색광을 흡수하고 반사하는 플라즈몬 태양전지를 개발했습니다. 이 전지는 두 개의 평행한 반사 금속 필름과 그 사이에 있는 유전체 공동 필름으로 구성됩니다. 두 전극은 은(Ag)으로 만들어졌고, 그 사이의 공동은 Sb₂O₃로 만들어졌습니다. 유전체 공동의 두께와 굴절률을 변화시킴으로써 가장 잘 흡수되는 파장을 조절할 수 있습니다. 흡수층 유리의 색상을 전지의 두께와 굴절률이 가장 적합한 특정 파장 영역에 맞추면, 색상을 더욱 선명하게 하여 미관을 개선하고 광전류 손실을 최소화할 수 있습니다. 적색광 및 청색광 소자는 각각 34.7%와 24.6%의 투과율을 달성했습니다. 청색광 소자는 흡수된 빛의 13.3%를 전기로 변환할 수 있어 개발 및 테스트된 모든 색광 소자 중 가장 효율적입니다.
• 페로브스카이트 태양전지 기술은 금속 나노와이어의 두께를 각각 8nm, 20nm, 45nm로 조절함으로써 적색, 녹색, 청색 파장에 맞게 조정할 수 있습니다. 유리 반사율을 각 셀에 가장 적합한 파장에 맞춰 조정함으로써 최대 전력 효율 10.12%, 8.17%, 7.72%를 달성했습니다.
• 염료감응형 태양전지는 액체 전해질을 사용하여 빛을 포착하고 이를 유용한 에너지로 변환하는데, 이는 식물의 광합성을 가능하게 하는 천연 색소의 원리와 유사합니다. 엽록소는 잎의 녹색을 담당하는 특정 색소이지만, 카로티노이드와 안토시아닌과 같은 다른 천연 색소는 다양한 주황색과 보라색을 만들어냅니다. 콘셉시온 대학교의 연구진은 선명한 색상을 띠면서 특정 파장의 빛만 선택적으로 흡수하는 염료감응형 컬러 태양전지의 실용성을 입증했습니다. 이 저비용 솔루션은 마키 열매, 검은 머틀, 시금치에서 추출한 천연 색소를 감광제로 사용합니다. 이러한 천연 감광제는 두 겹의 투명 유리 사이에 끼워집니다. 이처럼 저렴한 태양전지의 효율은 아직 명확하지 않지만, 기존 유기 염료감응형 태양전지 연구에서는 9.8%의 높은 전력 변환 효율을 달성한 바 있습니다.

투명 태양전지는 유리판 안쪽에 산화주석 코팅을 사용하여 전지에서 전기를 전도합니다. 이 전지는 광전도성 염료로 코팅된 산화티타늄을 포함합니다.

기존의 태양전지는 대부분 가시광선과 적외선을 이용하여 전기를 생산합니다. 그러나 이 혁신적인 신형 태양전지는 자외선까지 활용합니다. 기존 창유리를 대체하거나 기존 유리 위에 설치할 경우, 설치 면적이 넓어져 발전, 조명, 온도 조절을 결합한 다양한 응용 분야에 활용될 가능성이 있습니다.

투명 태양광 전지를 다른 말로 "반투명 태양광 전지"라고 합니다(입사광의 절반만 통과시킵니다). 무기 태양광 전지와 마찬가지로 유기 태양광 전지도 반투명할 수 있습니다.

비파장 선택성

일부 비파장 선택형 태양광 시스템은 불투명 태양 전지를 공간적으로 분할하여 반투명성을 구현합니다. 이 방법은 모든 종류의 불투명 태양 전지를 사용하며, 여러 개의 작은 전지를 투명 기판 위에 배치합니다. 이러한 분할은 에너지 변환 효율을 크게 감소시키고 투과율을 증가시킵니다.

파장 선택성이 없는 태양광 발전의 또 다른 분야는 가시광선을 흡수하는 얇은 박막 반도체를 활용하는데, 이 반도체는 두께가 얇거나 빛이 통과할 수 있을 만큼 충분히 큰 밴드갭을 가지고 있습니다. 이러한 방식은 공간적으로 분할된 불투명 태양 전지와 마찬가지로 효율과 투과율 사이에 직접적인 상충 관계가 있는 반투명 태양광 발전 소자를 만들어냅니다.

파장 선택성이 없는 태양광 발전의 또 다른 분야는 가시광선을 흡수하는 얇은 박막 반도체를 사용하는데, 이 반도체는 두께가 얇거나 빛이 통과할 수 있을 만큼 충분히 큰 밴드갭을 가지고 있습니다. 그 결과, 공간적으로 분할된 불투명 태양 전지와 마찬가지로 효율과 투과율 사이에 직접적인 상충 관계가 있는 반투명 태양광 발전 소자가 만들어집니다.

파장 선택적 태양광 발전

파장 선택적 태양광 발전(WSPV)은 자외선 및/또는 근적외선 영역만 흡수하는 소재를 사용하여 투명성을 구현하며, 2011년에 처음 소개되었습니다. 투과율은 높지만, 여러 가지 문제점으로 인해 에너지 변환 효율은 낮습니다. 이러한 문제점에는 짧은 엑시톤 확산 거리, 효율 저하 없이 투명 전극을 소형화하는 문제, 그리고 WSPV에 사용되는 유기 소재의 고유한 불안정성으로 인한 전체 수명 등이 있습니다.

투명 및 반투명 태양광 발전 기술의 혁신

가시광선 영역에서 빛을 흡수하는 매우 얇은 활성층을 가진 비파장 선택성 반투명 유기 태양전지를 개발하려는 초기 시도는 1% 미만의 효율을 달성했습니다. 그러나 2011년, 유기 염화알루미늄 프탈로시아닌(ClAlPc) 도너와 풀러렌 억셉터를 사용한 투명 유기 태양전지는 자외선 및 근적외선(NIR) 영역에서 빛을 흡수하며 약 1.3%의 효율과 65% 이상의 가시광선 투과율을 보였습니다. 2017년, MIT 연구진은 유기 태양전지에 투명 그래핀 전극을 성공적으로 증착하는 방법을 개발하여 61%의 가시광선 투과율과 2.8~4.1%의 향상된 효율을 달성했습니다.

차세대 태양광 발전 소자로 25% 이상의 효율을 자랑하며 큰 인기를 얻고 있는 페로브스카이트 태양전지는 투명 태양광 발전 소자로서도 유망한 가능성을 보여주고 있습니다. 2015년에는 메틸암모늄 납 삼요오드화물 페로브스카이트와 은 나노와이어 그리드 상부 전극을 사용한 반투명 페로브스카이트 태양전지가 800nm ​​파장에서 79%의 투과율과 약 12.7%의 효율을 달성했습니다.