태양 전지로 만든 온실에서 상추 잘 자라

발전+채소재배 한 번에 달성 가능

태양 전지를 전기 생산에만 사용하지 말고, 채소 재배하는 온실에 이용할 수 있을까? 태양 전지로 뒤덮인 온실에서 전기도 얻고 야채도 기르자는 다소 엉뚱한 아이디어를 연구한 결과가 발표됐다.

노스캐롤라이나 주립대학(North Carolina State University) 교수이면서 이 논문의 교신저자인 하이케 세도로프(Heike Sederoff) 교수는 “놀랍게도 식물의 성장이나 건강에는 실질적인 감소가 없었다.”라고 말한다. 세도로프 교수는 “이것은 투명한 태양 전지를 온실에 통합하려는 생각이 이루어질 수 있다는 것을 의미한다”라고 덧붙였다.

태양광 발전에 사용되는 빛의 파장을 걸러낸 온실에서도 상추를 재배할 수 있다는 연구 결과가 지난 17일 ‘셀 리포츠 물리과학’(Cell Reports Physical Science)저널에 발표됐다.

식물은 광합성을 하기 위해 빛의 모든 파장을 사용하지 않는다. 이 때문에 과학자들은 식물이 사용하지 않는 빛의 파장을 주로 흡수하는 반투명 유기 태양 전지를 만들고, 이런 태양 전지로 온실을 만드는 아이디어를 탐구해왔다.

이 대학 연구팀의 이전 연구는 태양 전지로 움직이는 온실이 얼마나 많은 에너지를 생산할 수 있는지에 초점을 맞췄다. 태양 전지는 온실 설계와 위치에 따라 온실이 사용하는 에너지를 충당하거나, 온실이 사용하는 것보다 더 많은 전력을 생산할 수도 있다.

반투명 태양전지로 30일간 상추 재배 실험

하지만 지금까지 이 반투명 태양 전지판이 온실 작물에 어떤 영향을 미칠지는 분명하지 않았다.

연구팀은 태양 전지 온실에서 학명이 락투가 사티바(Lactuca sativa)인 붉은 잎 상추를 30일 동안 씨앗에서 완전히 자랄 때까지 재배했다. 온도, 물, 비료와 이산화탄소 농도에 이르는 다른 조건은 빛을 제외하고 모두 일정했다.

태양 전지로 만든 온실에서도 채소는 잘 자랐다. Ⓒ 픽사베이

통제 집단의 상추는 보통 사람들이 생각하는 백색광의 전체 스펙트럼에 노출되었다. 나머지 상추는 세 개 실험 그룹으로 나누어졌다. 3개 실험 그룹은 각각 다른 종류의 필터를 가진 각각 다른 반투명 태양 전지를 통해 태양빛을 받았다.

공동 교신저자인 해럴드 에이드(Harald Ade) NC주립대 교수는 “필터에 상관없이 빛의 양은 동일했지만, 빛의 색 구성은 실험 그룹마다 달랐다”라고 말한다.

연구팀은 세 가지 필터 모두에서 청색광과 적색광의 비율을 조절해 색깔에 따라 식물 성장에 어떤 영향을 미쳤는지 확인했다.

단순히 상추가 잘 자라는 것만 가지고는 충분하지 않다. 서로 다른 색깔의 빛을 받아 성장할 때 차이점이 나타나는지도 확인해야 한다. 연구팀은 재배농가와 소비자들이 중요하게 생각하는 상추의 잎 수, 잎 크기, 상추의 무게 등 가시적 특성에 세심한 주의를 기울였다. 동시에 상추가 얼마나 많은 이산화탄소를 흡수하고, 항산화 물질 수치를 기록했는지 식물 건강과 영양 품질을 나타내는 지수를 평가했다.

NC주립대학 기계항공우주공학과 브렌단 오코너(Brendan O’Connor) 교수는 “통제 그룹과 실험 그룹 사이에서 의미 있는 차이를 발견하지 못했을 뿐 아니라, 서로 다른 필터 사이에서 유의미한 차이를 발견하지 못했다”라고 말했다.

이 같은 결과는 태양 에너지로 움직이는 온실의 미래를 밝게 해 준다. 아무리 효과가 나타난다고 해도 상추 재배의 생산성이 떨어진다면 재배농가가 이 기술을 사용하는 것은 어려운 일이다.

앞으로 관심사항은 과연 새로운 온실기술에 대한 투자가 에너지 생산과 비용절감으로 상쇄될 수 있을지에 대한 경제적 논쟁이다.

연구팀은 이어 다양한 파장의 빛으로 재배할 때 상추뿐 아니라 토마토를 비롯한 다른 작물의 생장 과정에 어떤 영향을 미치는지에 대한 추가 연구가 필요하다고 말했다.

투명한 태양 전지 기술 개발 뒷받침돼야

이와 관련 최근 투명한 태양 전지에 대한 연구개발이 관심을 끈다. 러시아 ITMO 대학 물리학자들은 효율을 유지하면서도 투명한 태양 전지 기술에 대한 연구결과를 지난 2월 ACS 응용재료및인터페이스(ACS Applied Materials & Interface) 저널에 발표했다.

이 새로운 기술은 재료에 불순물을 첨가하는 ‘도핑’으로 물질의 특성을 바꿔주는 기술을 바탕으로 하지만, 값비싼 특수 장비를 사용하지 않는다. 태양 에너지에서 가장 흥미로운 도전 중 하나는 투명한 박막 광활성 물질의 개발이다. 투명한 필름을 사용하면 태양 전지가 건물 외관에 영향을 주지 않을뿐더러 에너지를 생산하기 위해 일반 창문 위에 적용할 수 있다. 그러나 높은 효율과 좋은 광 투과성을 결합한 태양 전지를 개발하는 것은 매우 어렵다.

온실 유리 대신 투명한 태양 전지를 사용해도채소는 잘 자란다. Ⓒ 위키피디아

일반적인 박막 태양 전지는 더 많은 빛을 가두도록 투명하지 않은 금속 배경을 사용한다. 이에 비해 투명한 태양 전지는 빛이 통과하는 배경 전극을 사용한다. 이 경우 광자가 통과할 때 일부 손실되므로 효율이 떨어진다. 적절한 빛이 통과하는 전극을 만드는 것은 비용이 들어간다.

낮은 효율성 문제는 도핑 기술로 해결되지만, 불순물이 재료에 제대로 도포되도록 하려면 복잡한 접근 방식과 값비싼 장비가 필요하다. 바로 이 문제를 해결하기 위해 ITMO 대학의 파벨 보로실로프(Pavel Voroshilov) 연구원은 비싼 장비 대신 이온 액체를 사용하여 재료를 도핑하는 기술을 개발했다.

연구팀은 작은 분자에 만든 태양 전지에 나노튜브를 부착하고, 이온 게이트를 이용해 나노튜브를 도핑한 다음, 활성층의 전하가 전극에 성공적으로 도달할 수 있도록 전송 층도 처리했다.

이 모든 과정을 비싼 진공 챔버 장비 없이 진행했다. 파벨 보로실로프 연구원은 “필요한 특성을 만들기 위해 이온 액체를 약간 떨어뜨리고 약간의 전압을 가하면 된다”라고 말했다.

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