좌측부터) Malkeshkumar 박사, 김준동 교수,  Fabio Matteocci 박사,  Aldo Di Carlo 교수이자 CNR-ISM 연구소장

인천대학교(총장 이인재) 공과대학(학장 김준동) 전기공학과 김준동 교수 연구팀은 최근 능동적인 수중 태양광 발전 시스템을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 세계 최초로 물을 매개로 출력이 개선되는 태양광 에너지 발전 방법을 개발했다는 점에서 주목받고 있다. 

태양광 발전은 빛을 전기로 변환하는 대표적인 신재생에너지 기술로, 친환경 에너지 공급의 핵심으로 주목받고 있다. 그러나 기존의 지상 설치 방식은 산림 훼손 등의 환경적 부작용을 초래할 수 있으며, 에너지 수요지로부터 멀리 떨어진 위치에 설치될 경우 대규모 송전설비 구축이 필요해지는 등 설치 및 활용 방식에 여러 제약이 따른다.

수중 태양전지 시연 (투명 태양전지 모듈에 물을 부어서 수중 상태로 출력 성능 검증)

이번에 개발된 수중 태양광 발전기술은 도심 내 호수, 해안, 바다 등에서 적용 가능하도록 개발되었으며, 수중에서의 발전 효율이 기존의 지상 설치 방식 대비 크게 개선되는 것으로 확인되었다. 이는 공간 활용의 효율성을 높이는 동시에, 환경 훼손을 최소화하면서도 고효율 에너지 생산이 가능한 차세대 태양광 발전 모델로서의 가능성을 입증한 것이다. 

본 개발의 핵심 기술은 물(Water)을 광증대 매개체로 활용하여 태양전지로 입사하는 태양광의 양을 크게 개선하는 것에서 비롯된다. 즉 물의 *굴절률(1.33)을 효과적으로 이용하여 수중 태양광 발전의 효율을 증대하는 것이 특징이다. 

이번 수중 태양광 발전 시스템은 두 가지 방식으로 개발되었다. 첫 번째는 빛의 투과가 가능한 투명 태양전지 기반의 수중 발전 시스템으로 수중 생태계를 유지하면서도 발전이 가능한 친환경 기술이다. 두 번째는 기존의 상용 실리콘 태양전지를 수중환경에 적용한 방식으로, 해양이나 대규모 호수 등 넓은 수면 공간에 설치되는 태양광 발전소에 효과적이다. 

본 기술 개발을 주도한 말케시 박사(Malkeshkumar Patel, 인천대학교 겸임교수)는 “이번에 개발된 수중 태양광 발전 기술은 수중환경뿐만 아니라 기존의 지상 설치형(대지형) 태양광 시스템에도 적용이 가능하며, 발전 시 온도 상승으로 인한 열화(출력 저하) 현상을 효과적으로 억제할 수 있는 기술적 강점을 지니고 있다”고 설명했다. 그는 이어 “수중환경에서는 열 관리와 빛의 활용도를 동시에 개선함으로써 태양전지 효율을 2~3% 이상 향상시킬 수 있어, 태양광 발전 효율의 안정적 유지와 출력 향상에 기여하는 중요한 기술적 진보로 평가된다”고 덧붙였다.

특히 이번 기술의 가장 큰 특장점은 동일한 패턴의 태양전지 모듈을 활용하여 지상과 수중 모두에서 발전이 가능한 ‘수륙양용 태양광 발전 시스템’이라는 점이다. 이는 기존 지상형 발전 방식의 효율 개선 한계를 돌파함과 동시에, 설치 공간의 활용 유연성을 높여 도심 수변 공간, 해양 등 다양한 환경에서의 실용화 가능성을 제시하는 기술로, ‘세계 최초의 수륙양용 태양전지’ 기술로 주목받고 있다.

연구책임자인 김준동 교수는 “이번에 개발된 ‘수중 태양광 발전’기술은 국내 독창 기술로 개발되었으며, 2033년 약 77GW, 2조원 규모로 전망되는 미래 태양광 시장을 선점할 수 있는 핵심 기술로 기대된다”고 밝혔다. 또한 그는 “본 기술은 태양광 발전을 기반으로 한 탄소중립형 에너지 전환의 핵심 축으로 작용할 것으로 전망된다”며, 기술의 전략적 가치와 산업적 파급력을 강조했다.

관련 논문(수중 실리콘 태양전지 관련 논문)

관련된 개발 내용 중 수중 투명 태양전지 기술은 ‘Transparent underwater power windows: Enhanced light management and harvesting with water-embedded wide-bandgap heterojunction photovoltaics for sustainable energy’(Nano Energy) 논문으로 출간되었으며, 실리콘 수중 태양전지 기술은 ‘Water-driven photovoltaics: Enhancing performance through water media in the active layer’(Materials Today Sustainability)의 제목으로 출간되었다.

특히, 실리콘 수중 태양전지 논문은 이탈리아 정부연구소 (CNR-ISM, 연구소장: Aldo Di Calro)가 함께 참여하였다. 인천대학교와 CNR-ISM 연구소는 투명 태양전지 및 수중 태양광 발전 기술 개발을 중심으로 협력 체계를 구축하였으며, 향후 국제 공동연구 과제 발굴을 통해 기술 파급력 확대와 글로벌 시장 진출을 위한 교두보를 마련할 계획이다.

인천대학교 관계자는 본 기술은 국내 특허 출원 (실리콘 기반의 수중태양광모듈을 이용한 수중태양광시스템, 출원번호 10-2025-0084673) 및 등록 (산화물 반도체 투명태양전지, 이의 제조방법, 및 산화물 반도체 투명태양전지를 이용한 수중태양광 시스템, 등록번호 10-2810865)을 마쳤으며, 해외 특허 출원을 준비하는 단계에 있다고 밝혔다.

등록 특허 사진

참고자료: 

[*굴절률: 빛은 진공 (혹은 공기)에서 일정한 속도를 가지고 있으나 다른 물질에 전파될 때는 그 속도가 변화하게 된다. 진공에서 빛의 속도를 기준으로 매질에서 전파될 때 빛의 감소 속도의 비율을 나타내는 굴절률은 빛의 직전성과 반사에 큰 영향을 준다. 즉 빛이 이동하는 통로가 단계적인 굴절률의 변화를 가진다면 빛의 이동이 훨씬 효과적이다. 그에 비해 매질에서 큰 굴절률의 변화는 빛의 이동을 저하하며, 빛의 반사를 크게 하므로 태양전지에 입사하는 빛의 양이 감소하고 발전 효율이 저감된다. 예를 들어, 일반적으로 빛이 통과하는 경우 (공기 굴절률:1, 태양전지 표면 굴절률: ~2)보다 순차적인 빛의 이동 경로를 설계 (공기 굴절률: 1, 물의 굴절률: 1.33, 태양전지 표면 굴절률: ~2)의 경우 태양광 반사를 크게 줄이면서도 빛의 이동이 태양전지로 집중되어 태양광 성능이 크게 개선된다.]