▲ 블록체인혁명2030 박영숙신간

5 일마다 태양은 모든 입증 된 석유, 석탄 및 천연 가스 공급량만큼 많은 에너지를 지구에 공급한다. 인류가 지구에서 이용 가능한 태양 에너지의 6,000 분의 1 만 채취 할 수 있다면, 우리는 에너지 수요의 100 %를 충족시킬 수 있을 것이다. 그리고 오늘날, 우리는 태양광 패널 효율과 표면적 범위를 확장하는 새로운 방법 모두에서 엄청난 발전을 겪고 있다.

 

한편, 태양 에너지의 와트 당 가격이 평균 $ 3 정도 이므로 태양광 비용은 계속 급락하고 있다.

 

그러나 현재의 태양열 패널의 효율은 여전히 16-18 % 정도이지만 전통적인 실리콘 태양 전지 패널은 이론적인 효율 잠재력의 절반에 불과하다. 그리고 신소재 과학의 돌파구는 이제 이 이론적 제약을 두 배로 끌어 올려서 저렴하고 효율적이며 풍부한 태양 에너지를 약속한다.

 

태양 에너지 기술의 가격 대비 성능이 전통적인 에너지 원을 약화시키기 시작하면서, 우리는 곧 전세계의 에너지 수요를 충족시켜 태양 전지를 일상 인프라에 대량 통합하는 것을 목격 할 것이다.

 

태양 캡처 표면의 급증

전통적으로 태양 에너지 생성 공장은 시력이 좋지 않은 농지의 늪지대 또는 자체 전원 주택과 상업용 부동산의 지붕에 배치되었다. 그러나 비평가들은 광범위한 태양광 채택에 있어 가장 큰 장벽으로 육상 사용을 지적하고 있다.

 

그러나 향후 10 년 동안 태양광 패널은 도시 및 반 도시 지역에 거의 어디에나 설치 될 것이며 인프라, 투명 표면 및 잠재적인 수송 선박에 내장 될 것이다.

 

지금까지도 무인 차량 차량이 급증한 후 곧 개조 될 주차 공간은 말할 것도 없이 수만 에이커에 달하는 미사용 도시 공간에는 태양 전지판이 장착 될 수 있었다. 또한 파괴적인 플레이어는 미적 매력을 높이기 위해 태양 전지 제품을 빠르게 반복하고 있다.

 

이러한 기술 중 일부는 태양 전지판을 일상 생활에 보다 원활하게 통합하는 데 중점을 둔다. 예를 들어 모든 창문과 모든 유리 표면이 태양 에너지를 포착 할 수 있다고 상상해보라. 투명한 태양 전지판의 새로운 발전으로 이 미래가 실현 될 것이다.

 

5 년 전만해도 투명 태양 전지판 (또는 투명 표면에 내장 된 태양 전지)은 비용과 상용화를 정당화하기에 충분한 에너지를 이용할 수 없었다. 2013 년에는 효율성이 1 ~ 3 %에 불과했다. 또한 이 투명한 표면의 불투명도는 여전히 너무 높아서 빛의 침투가 거의 없다.

 

그러나 오늘날 태양 전지 및 태양 포착 재료는 유리 및 기타 미적 표면에 통합하기에 충분히 다재다능해지고 있다.

 

실리콘 밸리 스타트업인 유비쿼터스 에너지 (Ubiquitous Energy)는 현재까지 2280 만 달러를 모금했다. 초기 단계인 Ubiquitous Energy ClearView Power라는 투명 태양 전지를 개발하여 9.8 %의 태양 전지 패널 효율을 달성했다. 유리용 중성 코팅인 ClearView Power는 비 가시광 (자외선 및 적외선)을 흡수하여 전기로 변환 할 수 있다. 이론적으로 기존 건물의 모든 창에 적용 할 수 있다. 그러나 가장 주목할만한 것은 패널이 유리 자체만큼 깨끗하고 가시 광선을 차단하지 않는다는 회사의 주장이다.

 

유비쿼터스는 미시건 주립 대학의 연구원들이 2018 년에 5 %의 효율로 비슷한 패널을 발표한 후 1 년 만에 유리 태양 전지 패널의 효율을 거의 두 배로 높였다.

 

향후 10 년 내에 상업화 된 태양 캡처 유리가 모든 마천루, 학교 및 주거용 옥상에 설치되어 풍부하고 새로 민주화 된 에너지를 생산할 수 있었다. 그리고 이제 불투명한 태양 전지판도 비슷하게 눈에 띄지 않게 된다 (미학은 말할 것도 없다).

 

수많은 신생 기업이 태양열 타일 및 태양광 지붕 기술을 다루기 시작하여 주택 및 중 규모 건물의 건축에 완벽하게 통합하기 위해 노력했다.

 

예를 들어, 테슬라는 솔라 루프라는 아름답게 디자인 된 솔라 타일 브랜드를 가지고 있다. 내장 된 파워월(Powerwall) 배터리를 통합하여 내구성이 뛰어난 이 태양열 타일은 하루 종일 태양 에너지를 변환 및 저장 한 다음 언제든지 사용할 수 있다. 테슬라의 솔라루프(Solar Roo) (가정용 에너지 사용을 기준으로) 맞춤형 전력 생산 수준에 이르기까지 모든 가정을 자체 유틸리티로 전환한다.

 

엘런 머스크(Elon Musk)는 주거용 구조물이 가정 활동에 연료를 공급할 뿐만 아니라 돈을 벌 수 있는 미래를 계획하면서 가까운 미래에 태양광 지붕이 기존의 지붕 자재보다 비용이 적게 든다 (이미 유지 보수 비용이 거의 없음). 뿐만 아니라 현재 수치에 따르면 태양열 타일링은 전통적인 태양 전지판의 옥상 설치와 가격 경쟁이 가능할 수도 있다. 그리고 테슬라는 태양 지붕 게임에서 혼자가 아니다.

 

실리콘밸리(Silicon Valley) 기반 스타트 업 Forward는 이미 자체 태양열 타일로 테슬라 제품 가격을 절반 이상 인하했다고 주장했다. 시장에서 가장 오래 지속되는 태양열 타일에 대한 Forward의 주장에 힘입어 이 회사는 일주일 이내에 매진 된 사전 주문한 지붕을 배치했다. 그리고 회사가 이러한 약속을 이행 할 수 있을지는 아직 불확실하지만, 현재의 수치는 스스로를 말해준다. 평방 피트 당 19 와트의 에너지 밀도를 자랑하는 Forward의 루핑에는 태양열 패널 과열로 인한 효율 손실을 상쇄하는 배기 시스템이 추가로 포함되어 있다.

 

그러나 환경 조건에서도 안정적인 태양 전지 패널 효율이 꾸준히 증가하고 있다.

재료 및 효율

역사적으로 비효율적인 전기 생산은 대규모 태양광 채택에 가장 큰 장벽으로 작용했다. 그러나 광전지의 효율은 발명 이후 기하 급수적으로 개선되었다.

 

오늘날 가장 활동적인 태양 전지판은 평균 18 %의 효율로, 노출 된 에너지의 18 %를 차지한다.

 

그러나 새로운 발전으로 그 수가 급격히 증가했다.

 

솔라시티(Solar City), 파나소닉(Panasonic) 및 선플라워(SunPower)와 같은 일부 회사는 22-23 %의 효율로 태양 전지판을 달성했으며 이는 표준 패널보다 25-27 %의 효율 증가이다.

 

예를 들어 SunPower (15 억 달러 규모의 공공 회사)는 현재 시장에서 가장 효율적인 태양 전지판을 자랑하며 X22 태양 전지판의 효율은 22.8 %에 이른다. 그러나 테슬라 (Tesla)와 파나소닉 (Panasonic) (태양 전지 생산에 공동 참여)과 같은 다른 기업들은 오늘날 상용 제품에서 20 %의 효율 임계 값을 상회했다. 그러나 이러한 개선 속도조차도 연구 개발을 통한 새로운 혁신으로 인해 어려움을 겪고 있다.

 

National Renewable Energy 연구소와 Swiss and Electronics and Microtechnology Center 2016 30 % 효율의 태양 전지를 구축했다고 발표했다. 그리고 1 년 후, 조지 워싱턴 대학과 해군 연구소의 과학자 그룹은 44.5 % 효율의 셀을 만들었다고 발표했다.

 

또는 불과 몇 년 만에 33 % 태양 전지 패널 효율을 달성한 NYC 기반 스타트 업인 SolSunTech를 사용해보라. 독창적인 기하학적 접근 방식을 채택한 SolSunTech는 평평한 패널과 달리 3D 패널을 사용하는 소수의 플레이어 중 하나이다. 3 차원 실리콘 웨이퍼의 구조는 태양 흡수 표면적을 크게 증가시키는 반면, 물결 모양은 동일한 반사광의 재 흡수를 가능하게 한다. 간단한 엔지니어링 솔루션을 통해 효율성을 높인 SolSunTech는 이제 회사의 다음 파이낸싱 라운드 이후 12 월에 100MW 시설 건설을 시작할 계획이다.

 

현재, 이러한 고효율 셀 및 패널 솔루션은 셀을 만드는 데 사용되는 재료로 인해 엄청나게 비싸다. 그러나 그들은 오늘날의 상용 기술이 태양 효율의 상한선에 근접하지 않는다는 것을 분명히 보여준다. 재료 과학의 획기적인 발전으로 비용이 절감됨에 따라 태양광 효율이 급격히 높아지는 것처럼 상용 태양광 제품은 점점 더 많은 사람들이 소비하고 민주화 될 것이다.

 

고려해야 할 한 가지 재료는 페로브스카이트 이외의 다른 것이다: 감광성 결정과 우리의 새로운 재료 중 하나이다. 변환 효율의 이론 상한은 실리콘의 경우 32 %에 비해 약 66 %이며, 그 성분은 광범위하게 이용 가능하고 결합하기가 저렴하다. 추정치에 따르면 페로브스카이트 패널은 전통적인 패널의 경우 75 센트에 비해 와트 당 약 10~20 센트의 비용이 소요될 것으로 예상된다. 또한 실리콘은 무겁고 단단하지만 페로브스카이 트는 얇고 유연하며 가벼워 상상할 수 있는 모든 표면에 이 패널을 배치 할 수 있다.

 

현재까지 과학자들은 구아니디늄 티오시아네이트라는 화학 화합물을 사용하여 납-주석 혼합 페 로브스카이트 필름의 구조적 및 광전자적 특성을 극적으로 개선했다.

 

또한 Tandem PV라는 재료를 가장 많이 활용하는 한 회사는 최근에 시드 펀딩으로 240 만 달러를 확보했다. 또한 과학자들은 놀라운 속도로 재료 부족과 효율성 최적화 수정을 계속 발견하고 있다.

 

예를 들어, 최근 연구원들은 처음 몇 시간 동안 태양 전지 패널에서 경험 한 2 %의 효율 저하를 담당하는 실리콘의 재료 결함을 발견했다. 햇빛이 있는 곳에서 태양 전지의 전자 전하가 변형됨에 따라 전자의 흐름이 갇힌다. 결과적으로 생산할 수 있는 전력 수준이 줄어 든다.

 

무시할 수 있는 것처럼 보이지만, LID (광 유도 분해)로 인한 2 %의 효율 손실을 되 찾을 수 있는 가능성은 막대한 기회이다. 세계의 모든 태양 전지판에서 2 %의 효율 증가는 영국의 15 개 원자력 발전소를 합친 것보다 더 많은 에너지를 나타낸다.

 

LID의 근본 원인에 대한 획기적인 발견으로 과학자들은 그 에너지를 되 찾을 수 있게 되었다. 그리고 거시적 규모로, 이와 같은 발견은 상업적 가능성과 태양 에너지의 에너지 생성 잠재력을 엄청나게 가속화한다.

 

마지막으로, 재료 과학, 배터리 기술 및 태양 포집 표면의 급격한 발전으로 우리의 미래는 태양 에너지가 풍부하다.

 

그리드 기능과 에너지 저장 기술이 계속 따라 잡으면서 태양 에너지는 우리의 에너지 경제를 변화시키기 위해 수 많은 재생 에너지에 합류하고 있다.

 

필자: PETER H. DIAMANDIS, MD

 

입력 : 2019.08.12 02:45    출처 : https://singularityhub.com/2019/08/09/the-age-of-solar-energy-abundance-is-well-on-its-way/
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