기후변화로 태양광 패널 효율 저하… MIT "온도 1도 오를 때마다 출력 0.45% 감소"

21세기 두 가지 확실한 변화: 지구 온난화와 태양광 확대

21세기에는 두 가지가 확실하게 일어납니다: 지구는 더워지고 태양광 패널 보급은 늘어날 것입니다. 이 두 요인을 고려할 때, 지구온난화가 향후 수십 년간 태양광 발전에 어떤 영향을 미칠지 의문이 생깁니다.

광전지가 온도에 민감하므로 성능은 주로 에어로졸 농도, 대기 수분 함량 등 지역 기상 조건에 기반합니다. 가장 대중적인 광전지 기술인 실리콘은 온도와 습도 상승에 따라 성능이 저하됩니다.

상승 온도가 태양전지 성능에 미치는 영향은 여러 연구에서 다뤄졌지만, 태양 복사 변화 예측은 불확실했습니다. 이제 MIT 연구진이 실리콘 광전지 성능에 미치는 기후변화 영향을 전 세계적으로 단순 예측했습니다.

대표농도경로(RCP) 4.5 시나리오를 사용해 광전지 설치 영향을 분석했습니다. 이 시나리오는 온실가스 배출이 2040년 정점을 찍고 2100년까지 전 지구 평균 온도 1.8켈빈 상승을 예측합니다.

태양광 패널은 광전지라 불리는 여러 작은 단위로 구성됩니다. 이 셀은 광자(햇빛)가 원자에서 전자를 떼어내 전류 흐름을 만듭니다.

이 과정에서 물질 내 양전하 '정공(holes)'도 생성돼 전자와 반대 방향으로 흐릅니다. 셀 효율은 전자가 정공과 재결합하는 속도에 달렸습니다. 재결합이 빠를수록 전도대에서 빠져나가 출력이 줄어듭니다.

재결합 속도는 온도에 비례합니다. 즉 외부 환경이 따뜻해지면 태양광 패널 출력이 감소합니다.

온도가 지구 거의 모든 곳에서 상승함에 따라 태양전지 효율도 모든 곳에서 저하될 것으로 예상됩니다. 하지만 일부 지역이 더 나을 수 있습니다. 연구자들에 따르면 가장 영향을 많이 받는(나쁜) 지역은 중앙아시아, 남아프리카, 미국 남부입니다.

참고: arXiv:1908.00622

계산 결과, 평균적으로 광전지 출력이 온도 1도 상승마다 0.45% 감소합니다. 실리콘 광전지 설치 에너지 출력은 약 15 kWh/kWp 감소하며, 일부 지역은 최대 50 kWh/kWp 손실을 겪습니다.

연구자들은 전 세계 어느 지역의 에너지 출력 변화 정도를 보여주는 글로벌 맵도 만들었습니다.

21세기 실리콘 광전지 설치 예상 전 세계 에너지 출력 변화 지도

연구자들은 -0.45%/K 수치가 단지 대표적 값이라고 언급했습니다. 재료과학 발전이 미래에 이 숫자를 크게 바꿀 수 있습니다.

예를 들어 카드뮴 텔루라이드 같은 더 높은 밴드갭 물질은 에너지 출력 감소율이 훨씬 낮습니다. 따라서 미래 태양광 설치는 온도 변화에 더 강건할 수 있습니다.

게다가 지구온난화만이 태양전지 효율을 떨어뜨리는 유일한 요인은 아닙니다. 특히 일사량과 습도 변화가 패널에 도달하는 햇빛에 영향을 미칩니다. 미래 친환경 재생에너지 시스템 계획 시 이 모든 요소를 고려해야 합니다.

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