 ▲ 이탈리아 CNR-ISM 연구소에서 공동 연구 수행, 개발자 Malkeshkumar 박사, 좌측부터 김준동 교수, Fabio Matteocci 박사, Aldo Di Carlo 교수(CNR-ISM 연구소장)(사진제공:인천대학교) © 박상도 기자 |
(브레이크뉴스인천 박상도 기자) 인천대학교 공과대학 전기공학과 김준동 교수 연구팀이 최근 능동적인 수중 태양광 발전 시스템을 개발했다고 밝혔다.
인천대에 따르면, 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, 실리콘 태양전지 공기와 수중 상태에서의 열변화 측정,수중 태양전지 측정 모식도, 수중 투명 태양전지 관련 논문, 등록특허 (사진제공:인천대학교) © 박상도 기자 |
이번에 개발된 수중 태양광 발전기술은 도심 내 호수, 해안, 바다 등에서 적용 가능하도록 개발됐으며, 수중에서의 발전 효율이 기존의 지상 설치 방식 대비 크게 개선되는 것으로 확인됐다.
이는 공간 활용의 효율성을 높이는 동시에, 환경 훼손을 최소화하면서도 고효율 에너지 생산이 가능한 차세대 태양광 발전 모델로서의 가능성을 입증한 것이다.
이번 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 개발됐다.
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.
이번 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 개발됐으며, 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.
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 출간됐다.
특히, 실리콘 수중 태양전지 논문은 이탈리아 정부연구소 (CNR-ISM, 연구소장: Aldo Di Calro)가 함께 참여했다.
인천대학교와 CNR-ISM 연구소는 투명 태양전지 및 수중 태양광 발전 기술 개발을 중심으로 협력 체계를 구축했으며, 향후 국제 공동연구 과제 발굴을 통해 기술 파급력 확대와 글로벌 시장 진출을 위한 교두보를 마련할 계획이다.
인천대학교 관계자는 이번 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.
한편, 굴절률이란 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.
*아래는 위 기사를 ‘구글 번역’으로 번역한 영문 기사의 [전문]입니다.‘구글번역’은 이해도 높이기를 노력하고 있습니다. 영문 번역에 오류가 있을 수 있음을 전제로 합니다.<*Below is the [full text] of the English article translated by 'Google Translate'. 'Google Translate' is trying to improve understanding. It is assumed that there may be errors in the English translation.>
Professor Kim Jun-dong's research team from Incheon National University's Department of Electrical Engineering develops the world's first underwater solar energy generation system
Amphibious solar cell - Solar technology that produces energy underwater
-Break News Incheon Park Sang-do reporter
Professor Kim Jun-dong's research team from Incheon National University's College of Engineering's Department of Electrical Engineering recently announced that they have developed an active underwater solar energy generation system.
According to Incheon National University, this research is drawing attention in that it is the first in the world to develop a method of solar energy generation that improves output through water.
Solar power generation is a representative new renewable energy technology that converts light into electricity, and is attracting attention as a key to providing eco-friendly energy.
However, the existing ground-based installation method can cause environmental side effects such as forest destruction, and if installed in a location far from the energy demand site, there are various restrictions on the installation and utilization method, such as the need to build large-scale transmission facilities.
The underwater solar power generation technology developed this time was developed to be applicable to lakes, coasts, and oceans in the city, and it was confirmed that the power generation efficiency underwater is greatly improved compared to the existing ground-based installation method.
This proves the possibility of a next-generation solar power generation model that can produce high-efficiency energy while increasing the efficiency of space utilization and minimizing environmental damage.
The core technology of this development comes from greatly improving the amount of sunlight incident on solar cells by using water as a light amplification medium.
In other words, it is characterized by effectively utilizing the refractive index of water (1.33) to increase the efficiency of underwater solar power generation.
This underwater solar power generation system was developed in two ways. The first is an underwater power generation system based on transparent solar cells that allow light transmission, which is an eco-friendly technology that can generate power while maintaining the underwater ecosystem.
The second is a method that applies existing commercial silicon solar cells to the underwater environment, which is effective for solar power plants installed in wide water spaces such as oceans or large lakes.
Dr. Malkeshkumar Patel (Adjunct Professor, Incheon National University), who led the development of this technology, explained, “The underwater solar power generation technology developed this time can be applied not only to underwater environments but also to existing ground-mounted (ground-mounted) solar power systems, and has the technical strength of effectively suppressing the phenomenon of deterioration (output reduction) due to temperature rise during power generation.”
He added, “In underwater environments, solar cell efficiency can be improved by 2-3% or more by simultaneously improving heat management and light utilization, so it is evaluated as an important technological advancement that contributes to the stable maintenance of solar power generation efficiency and output improvement.”
In particular, the biggest feature of this technology is that it is an ‘amphibious solar power generation system’ that can generate power both on land and underwater by utilizing solar cell modules of the same pattern.
This technology is attracting attention as the ‘world’s first amphibious solar cell’ technology, as it overcomes the efficiency improvement limitations of existing ground-mounted power generation methods and increases the flexibility of installation space utilization, suggesting the possibility of practical use in various environments such as urban waterfront areas and the ocean.
Professor Kim Jun-dong, the research director, said, “The ‘underwater solar power generation’ technology developed this time was developed as a domestic original technology, and is expected to be a key technology that can preempt the future solar power market, which is expected to reach approximately 77GW and 2 trillion won in scale by 2033.”
He also emphasized the strategic value and industrial ripple effect of the technology, saying, “This technology is expected to serve as a key axis for the carbon-neutral energy transition based on solar power generation.”
Among the related developments, the underwater transparent solar cell technology was published in the paper ‘Transparent underwater power windows: Enhanced light management and harvesting with water-embedded wide-bandgap heterojunction photovoltaics for sustainable energy’ (Nano Energy), and the silicon underwater solar cell technology was published under the title ‘Water-driven photovoltaics: Enhancing performance through water media in the active layer’ (Materials Today Sustainability).
In particular, the paper on silicon underwater solar cells was jointly participated by the Italian government research institute (CNR-ISM, Director: Aldo Di Calro).
Incheon National University and the CNR-ISM research institute have established a cooperative system centered on the development of transparent solar cells and underwater solar power generation technology, and plan to establish a bridgehead for expanding technological dissemination and entering the global market through the discovery of international joint research projects in the future.
An official from Incheon National University stated that this technology has completed domestic patent applications (underwater solar power system using silicon-based underwater solar power modules, application number 10-2025-0084673) and registration (oxide semiconductor transparent solar cells, manufacturing method thereof, and underwater solar power system using oxide semiconductor transparent solar cells, registration number 10-2810865), and is in the process of preparing overseas patent applications.
Meanwhile, the refractive index refers to the fact that light has a constant speed in a vacuum (or air), but its speed changes when it propagates to other materials.
The refractive index, which represents the ratio of the decrease speed of light when propagating in a medium based on the speed of light in a vacuum, has a great influence on the directness and reflection of light.
In other words, if the path through which light travels has a stepwise change in refractive index, the movement of light is much more effective.
In contrast, a large change in refractive index in a medium reduces the movement of light and increases the reflection of light, which reduces the amount of light incident on the solar cell and reduces the power generation efficiency.
For example, in the case of designing a sequential light movement path (air refractive index: 1, water refractive index: 1.33, solar cell surface refractive index: ~2) rather than the general case of light passing through (air refractive index: 1, solar cell surface refractive index: ~2), the reflection of sunlight is greatly reduced while the movement of light is concentrated on the solar cell, greatly improving the solar performance.
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