기호 및 약어 설명

FPV : 수상 태양광(Floating Photovoltaic)의 약어

UWPV : 수중 태양광(Underwater Photovoltaic)의 약어

PCE : 전력 변환 효율(Power Conversion Efficiency)의 약어

HDPE : 고밀도 폴리에틸렌(High Density Polyethylene)의 약어

FRP : 섬유강화플라스틱(Fiber Reinforced Plastic)의 약어

Encapsulation : 봉지 기술(소자를 특수 소재로 밀봉하는 기술)

EVA : 에틸렌-비닐 아세테이트(Ethylene-Vinyl Acetate)의 약어

PIB : 폴리이소부틸렌(Polyisobutylene)의 약어

AUV : 자율 무인 수중 드론(Autonomous Underwater Vehicle)의 약어

IoT : 사물인터넷(Internet of Things)의 약어

그리스 기호 설명

λ : 파장의 기호

α : 흡수 계수(Absorption Coefficient)

1. 서 론

전 세계적으로 화석연료 사용에 따른 기후변화가 문제점으로 대두되고 있다^1,2). 이에 대응하기 위한 방법으로 신재생에너지 개발이 빠르게 진행되고 있는데, 그중에서도 태양광 발전은 2024년 기준 우리나라 전체 신재생에너지 전력시장 참여 설비용량의 약 55%를 차지한다(Fig. 1). 또 Fig. 2에서 제시된 바와 같이, 전 세계 태양광 발전량은 급격히 증가하고 있으며, 특히 아시아 지역의 성장세가 두드러진다³⁾. 태양광 발전은 모듈에 입사된 태양빛을 직접 전기에너지로 변환하는 기술로, 발전 과정에서 온실가스를 배출하지 않으며 설치와 유지·보수가 다른 신재생에너지에 비해 용이하다는 장점을 지닌다^4,5).

Fig. 1

Installed capacity share of renewable energy sources in Korea (2024)¹⁾

Fig. 2

Annual global solar energy generation from 2016 to 2024, showing trends for the world, Asia, and high-income countries³⁾

그중에서도 지상형 태양광(Ground Photovoltaic, GPV)은 표준화된 시공 기술과 전력 계통 연계의 용이성으로 인해 가장 널리 보급되고 있다^5,6). 그러나 GPV는 여러 한계에 직면해 있으며, 그 대표적인 문제는 부지 확보와 관련된 환경·경제적 제약이다⁶⁾. 국토 대부분이 산지로 뒤덮인 대한민국에서는 태양광에 적합한 부지를 확보하는 데 높은 비용이 소요될 뿐만 아니라, 산지를 훼손하는 개발은 신재생에너지의 취지와 맞지 않는다는 환경적 모순이 제기되고 있다^4,5,7). 실제로 2017년부터 2020년까지 약 5,131 헥타르의 산림이 태양광 발전 부지로 전용되었고, 집중호우 시 토사 유출과 산사태 피해 증가에 대한 우려가 제기되었다⁴⁾. 이와 같은 부지 확보의 어려움과 환경적 모순은 태양광 발전 보급에 제한이 되고 있다^5,6,7,8).

이러한 공간적 한계를 극복하기 위한 대안으로 수상 태양광(Floating Photovoltaic, FPV)이 부상하고 있다^2,8,9). 수상 태양광(FPV)은 아직 상용화 초기 단계에 있는 기술로, 물 위에 태양광 모듈을 부유시키는 방식이다²⁾. 이는 태양광 설치 부지를 지상에서 수상으로 확대함으로써 앞서 말했던 GPV의 공간적 한계를 일부 해소할 뿐 아니라, 증발 억제를 통해 댐이나 저수지의 수자원을 보존하는 역할도 수행한다^8,9). 또한 수면 냉각 효과로 모듈 온도가 낮아져 발전 효율이 향상되는 장점도 있다^8,10). 그러나 현재의 FPV는 여전히 수면 위 공간만을 활용하고 있으며, 수면 아래의 광학적·열적 특성은 활용되고 있지 않다^{9,10,11,12,13)}.

최근에는 수중 태양광 발전(Underwater Photovoltaic, UWPV)을 통해 이를 활용하는 방안이 연구 중에 있다. UWPV는 수중에 태양광 모듈을 설치하여 수면을 통과한 빛을 이용해 전기에너지를 생산하는 기술이다^14,15,16). 이는 물의 모듈 냉각 효과를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 기존 FPV에서의 부유 구조물이나 해상 풍력발전 시스템에 설치된 전력망을 연계 활용할 수 있는 가능성도 가지고 있다¹⁷⁾. 이러한 이유로 UWPV는 FPV와 함께 공간적·경제적 효율성 측면에서도 주목할 만한 차세대 수면 기반 태양광 기술로 평가된다. 본 논문에서는 수상 태양광(FPV)의 구조와 상용화에 대한 동향을 정리하고, 두 편의 수중 태양광 관련 논문에서 각각 다룬 실제 소자 구조의 특성과 실험 결과를 분석하여 UWPV의 구현 가능성을 논의한다.

2. 수상 태양광 발전(FPV) 기술 및 시장 동향

2.1 FPV 기술 분류

현재 대부분의 수상 태양광 발전(Floating Photovoltaics, FPV) 시스템에는 결정질 실리콘(c-Si) 태양전지가 적용되고 있으며, 이는 우수한 구조적 안정성과 약 20% 이상의 높은 전력 변환 효율(Power Conversion Efficiency, PCE)을 가지고 있다¹⁸⁾. 이 모듈을 수면 위에 안정적으로 설치하기 위해서는 파도 높이, 풍속, 수위 변동, 수질(염분 농도, pH) 등 설치 환경의 영향을 크게 받는다^2,9). 이러한 조건에 따라 FPV는 파도가 낮고 수질이 담수인 환경(댐, 저수지 등)에 설치되는 내륙형 담수 FPV와, 높은 파도와 강한 바람, 염분에 의한 부식 위험이 존재하는 연안(Nearshore) 및 원해(Offshore) 해양 환경에 설치되는 해상형 FPV로 구분된다^2,11). 설치 환경의 차이는 구조적 설계 방식에도 반영되며, 부유체(Floats)의 구성 방식에 따라 FPV를 크게 세 가지 유형으로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 이 세 가지 구조 유형을 중심으로 기술하고자 한다^{8,9,10,11,19)}.

(1) 순수 부유체 기반(Pure pontoon-based floats)

순수 부유체 기반(Pure pontoon-based floats) 구조(Fig. 3)는 가장 먼저 상용화가 이루어진 형태로, 고밀도 폴리에틸렌(High Density Polyethylene, HDPE)과 같은 플라스틱 소재로만 구성된 단일 부유체 시스템이다⁹⁾. 이 구조는 비교적 설계가 단순하고 제작 비용이 저렴하다는 장점을 가지며, 설치와 유지보수 측면에서도 효율적이다. 이는 파도와 바람 등 외부 물리적 교란이 적은 내륙형 FPV에는 적합하나, 파도와 염분이 존재하는 해상 환경에서는 구조적으로 충격 흡수 및 염분으로 인한 부식 저항에 한계가 있어 부적절할 수 있다²⁾.

Fig. 3

Floating solar PV systems with pontoon-based design⁹⁾: (a) Schematic diagram of pontoon-based design, (b) On-site installation

(2) 부유체 + 금속·섬유강화플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP)

부유체(Pontoon floats)와 금속 또는 FRP이 결합한 구조(Fig. 4)는 순수 부유체 기반 구조에 비해 기계적 안정성이 강화된 형태로, 중-대형 FPV 시스템에 적합하다¹⁰⁾. 이 방식은 내륙형 FPV에 적합할 뿐만 아니라, 금속 프레임에 부식 방지 처리를 하면 상대적으로 파도가 약한 연안(nearshore) 등 일부 해상형 FPV에도 적용 가능하다는 유연성을 지닌다^2,19,20).

Fig. 4

Floating solar PV with pontoon and support structure⁹⁾: (a) Schematic diagram of pontoons, and support frames, (b) On-site installation

(3) 비부유체 기반(Non-pontoon-based)

비부유체 기반(Non-pontoon-based) 구조(Fig. 5)는 기존 플라스틱 부유체 중심 설계와 달리 얇은 막(Membrane) 위에 태양광 모듈을 직접 설치하거나, 고정형 플랫폼 위에 모듈을 배치하는 방식으로 구현된다^11,21,22). 이 방식은 모듈을 물과 가까이하여 일부를 직접 접촉함으로써 수온을 이용한 냉각 효과를 향상시킬 수 있다는 특징이 있다. 유연한 구조 설계와 고정 기술을 활용하여 원해(Offshore) 조건과 같은 높은 파도나 강풍 등의 해양 환경에서도 안정적으로 운용이 가능하도록 설계된다. 그러나 설치 공정이 비교적 복잡하고 유지·관리에 전문성이 요구되기 때문에 소규모의 내륙형 FPV에는 비효율적일 수 있다^2,21,22).

Fig. 5

Non-pontoon-based offshore floating solar PV system developed for high wave and wind resistance⁹⁾

2.2 FPV의 냉각 효과와 효율 향상

태양전지는 작동 중 일사에 의해 모듈 온도가 주변 기온보다 20 ~ 40℃ 이상 상승하며, 이에 따라 변환 효율이 저하된다. 결정질 실리콘(c-Si) 셀의 경우 온도 계수(temperature coefficient)는 약 −0.4 ~ −0.5%/℃로 보고되어 있으며²¹⁾, 셀 온도가 25℃에서 65℃로 상승할 경우 전력 변환 효율(PCE)은 초기값 대비 약 20% 감소할 수 있다. 이는 온도가 증가하면 반도체의 밴드갭이 좁아지고, 결함에 의한 전하 재결합이 증가하여 전기적 출력이 줄어드는 반도체 물성의 특성 때문이다^23,24).

FPV는 물과의 접촉을 통해 자연대류와 증발 냉각 효과를 얻을 수 있으며, 실제 육상 설치 대비 모듈 온도가 5 ~ 10℃ 낮게 유지되고 발전 출력이 약 10 ~ 17% 향상된 사례가 보고되었다^25,26). 추가적인 연구에서는 약 10℃ 냉각 시 효율이 12.5% 상승한 결과가 확인되었으며, 펌프나 분사 장치를 활용해 물을 순환·분사하는 능동적 수냉각 방식을 적용할 경우 최대 30%의 발전량 향상까지 보고된 바 있다²⁶⁾.

이와 같이 FPV는 수온에 의한 냉각 효과 덕분에 온도 상승으로 인한 출력 저하 문제를 효과적으로 완화할 수 있으며, 이러한 특성은 다음 3장에서 다룰 수중 태양광(UWPV)에서 더욱 극대화될 수 있다.

2.3 FPV 상용화 및 주요 설치 사례

수상 태양광 발전(Floating Photovoltaic)은 기술 연구 단계를 넘어 점차 상업화 단계로 진입하고 있으며, 실제 설치 사례와 향후 발전 가능성을 나타낸 보고서를 통해 FPV의 잠재력을 확인할 수 있다. 2017년 이후로 세계적으로 FPV 프로젝트가 빠르게 증가하면서 누적 설치 용량도 가파르게 증가하는 추세이다^2,12,27,28). 아래 Fig. 6에 나타난 바와 같이, 2017년 이전까지의 누적 설치 용량은 정체 상태에 가까웠으나, 그 이후 본격적인 상업화가 시작되며 급격히 증가하는 모습을 보인다. 2017년 270 MWp에 불과했던 FPV의 전체 누적 설치 용량은 2023년 기준 7700 MWp까지 늘었으며, FPV가 태양광 전체 시장가치 규모에서 차지하는 비율도 꾸준하게 증가하여 2025년에는 약 96억 달러 규모(전체 태양광 시장의 8.3%)까지 성장할 수 있을 것으로 예측된다^2,12,29).

Fig. 6

Global floating photovoltaic capacity trends from 2007 to 2023²⁾. ©2025 IEA PVPS

이러한 성장세는 우리나라와 중국 등 대부분 아시아 국가들의 대규모 프로젝트에 기반하고 있다. 구체적인 사례로 중국은 산둥성에 2024년 1,000 MW 규모의 해상형(Offshore) FPV 발전소를 건설하며 단일 프로젝트로는 세계 최대 규모의 FPV 프로젝트를 달성하였고, 대한민국은 새만금 지역에 약 2,100 MW 규모의 해상형 FPV 프로젝트를 계획하고 있다. 대부분 아시아-태평양을 중심으로 프로젝트가 진행되고 있지만, 유럽 국가 중에서도 대표적인 국가로 네덜란드가 759 MW 규모의 해상 풍력과 FPV를 결합한 대규모 프로젝트를 2025년까지 상용화하는 것을 목표로 개발 중이다^30,31,32). 이는 향후 FPV와 해상 풍력의 융합 가능성을 실증적으로 제시하는 사례로 주목된다. 이처럼 FPV와 해상풍력의 융합은 공간 효율을 극대화하는 사례로서 업계의 관심을 끌고 있다. 나아가 유럽, 미국 등도 수상 태양광 도입을 위한 정책적 지원과 연구를 확대하면서 FPV 시장이 전 세계로 확장되고 있다²⁹⁾.

3. 수중 태양광(Underwater Photovoltaic, UWPV)

기존 수상 태양광(FPV) 시스템은 수면 위 공간만을 활용하는 구조로, 수면 아래에 존재하는 자원을 충분히 활용하지 못한다는 한계를 지닌다. 예를 들어 FPV는 수온 냉각 효과를 간접적으로 활용하는 데 그치지만, 수중 태양광(UWPV)은 물과의 직접 접촉 또는 완전 침수를 통해 열 방출과 냉각을 극대화할 수 있는 잠재력을 지닌다¹⁷⁾. 이를 통해 모듈이 온도 상승에 따라 효율이 감소될 수 있는 문제를 효과적으로 완화할 수 있다. 더불어 FPV는 수면 위에 설치됨에 따라 경관을 저해하거나 미관상 민원이 발생할 수 있으나, UWPV는 수중에 설치되므로 이러한 문제로부터 자유롭다는 장점도 가진다^17,18,19,20).

물은 파장에 따라 빛을 선택적으로 흡수하는 특성을 가지고 있는데, 수심이 깊어질수록 물은 700 nm 이상의 긴파장 빛을 대부분 흡수하고, 가시광선 중에서도 일부 짧은 파장을 가진 빛만이 수심에 도달하게 된다. Fig. 7의 물의 파장별 광 흡수 특성에서도 나타나는 것처럼, 700 nm를 기준으로 장파장 영역의 빛은 급격히 감쇠하며, 반대로 400 ~ 700 nm 범위의 가시광선, 즉 1.8 ~ 3.0 eV 밴드갭에 해당하는 단파장 영역의 빛은 비교적 깊은 곳까지 도달 가능하다³³⁾. 이에 따라 얕은 수역에서도 실리콘 태양전지(c-Si)가 일정 수준 발전 성능을 보일 수는 있겠지만, 수심이 깊어질수록 수중 환경과 소자의 스펙트럼 응답 범위 간 불일치가 발생하게 되어 에너지 수율 저하의 원인이 된다. 그러나 이러한 제한점은 오히려 수중 환경에 도달하는 짧은 파장의 빛 흡수에 최적화된 소자 설계를 통해 극복이 가능하며, 물 자체가 빛 반사를 줄이고 소자 내부의 전기장을 강화하여 오히려 더 높은 효율을 구현할 수 있다는 연구 결과도 보고된 바 있었다^19,20,34,35).

Fig. 7

Optical absorption coefficient as a function of wavelength, indicating the visible light region, suitable bandgap range (1.8–3.0 eV). Reprinted with permission from³³⁾ ©2022 IEEE

한편, 경제적 측면에서 살펴보면, 수중 태양전지는 아직 효율과 안정성 면에서 실리콘 태양전지에 뒤처지지만, 이론적으로는 공정 단순화와 소재 다양화를 통해 비용 경쟁력을 확보할 가능성이 제기된다³⁶⁾. 예를 들어, 금속 산화물 박막전지는 저온·용액 공정을 통해 제조가 가능하여 대규모 생산 시 실리콘보다 잠재적으로 저렴해질 수 있다. 그러나 현재 기준으로는 실리콘 모듈이 이미 $0.2/W 이하의 제조 단가를 달성하고 있어, UWPV의 경제성 확보는 효율·수명·환경 적합성 개선과 병행될 필요가 있다^36,37). 따라서 기술적 차별성과 경제적 현실성을 함께 고려한 연구가 요구된다. 이와 같은 맥락에서 최근에는 수중 태양광 시스템에 적합한 소재에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있으며, 아래에서는 실제 연구 사례를 기반으로 기술적 구현 가능성을 살펴본다.

3.1 주요 소재와 소자 구조

수중 태양광(UWPV)은 짧은 파장 위주의 스펙트럼 특성에 적합하고 수중 환경에서 높은 안정성을 확보할 수 있는 소재 선택이 핵심이다. 기존 상용 태양광의 대부분을 차지하는 실리콘(c-Si)은 약 1.12 eV의 비교적 좁은 밴드갭을 가져 장파장 빛 흡수에 최적화되어 있으므로, 청색광 파장대(약 450 nm) 빛 위주의 수중 환경에서는 에너지 변환 효율이 필연적으로 감소한다.

따라서 수중 환경에서는 물을 투과하는 단파장 빛을 효과적으로 흡수할 수 있는 ‘광대역 밴드갭(Wide-bandgap)’ 소재를 탐색하고, 이를 적용한 소자 구조를 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 대한 연구는 크게 두 가지 방향으로 진행되고 있는데, 첫째는 실리콘 태양전지를 기반으로 수중 적용 가능성을 탐색하는 것이며, 둘째는 수중 환경에 최적화된 새로운 소재와 구조를 개발하는 것이다. 아래에서는 이 두 가지 접근 방식의 실제 연구 사례를 살펴본다.

(1) 상용화 실리콘 기반 태양광(c-Si Photovoltaic)

현재 상용화된 태양전지의 대부분은 결정질 실리콘(c-Si) 기반으로 제작되며, 수중 환경에서 사용될 경우 특정 파장대의 빛 흡수 손실이라는 제약이 있는 동시에 굴절률 차 감소로 인한 빛 반사 억제라는 이점도 나타난다. 일반적으로 공기 중에서는 반사 손실을 줄이기 위해 미세 텍스처 가공과 SiNx 반사방지막 공정이 필요하다^19,38). 그러나 소자를 수중에 배치할 경우, 물(n ≈ 1.33)과 실리콘(n ≈ 3.5) 사이의 상대적으로 작은 굴절률 차로 인해 계면 반사가 자연스럽게 억제된다(Fig. 8). 이는 공기(n ≈ 1.0)와 실리콘 사이의 큰 굴절률 차에서 발생하는 높은 Fresnel 반사 손실을 감소시켜³⁹⁾, 별도의 복잡한 텍스쳐링 공정 없이도 효율적인 광흡수를 가능하게 한다¹⁶⁾. 이와 같은 특성은 제조비용 절감과 공정 단순화로 이어질 뿐만 아니라, 기존에 사용되는 c-Si 기반 기술의 안정성을 유지하면서 수중 조건에서 요구되는 높은 광흡수 성능과 내구성을 동시에 확보할 수 있다는 장점을 지닌다.

Fig. 8

Reduced refractive index contrast at the air–water–c-Si interface suppressing reflection¹⁶⁾

(2) 금속산화물 기반 투명 태양광(Metal-Oxide Transparent Photovoltaic)

기존 불투명 실리콘 태양전지와 달리, 금속 산화물 기반 박막형 수중 태양전지는 투명 태양전지 기술을 응용하여 설계됐다. Fig. 9(b)에 따르면 해당 구조는 p형 산화구리(Cu₂O)와 산화갈륨(Ga₂O₃)으로 구성된 이종접합(p–p heterojunction) 구조 위에 n형 산화아연(ZnO)을 적층한 p–p–n 박막 구조를 설계하였다. ZnO는 전자 수송층으로 작동하여 전하 수송효율을 높인다. 그리고 상부 투명전극으로 은 나노와이어(AgNW)를 이용해 광전효과를 향상하고 그 위에 보호층으로 ZnO를 증착하여 수중 환경에서의 부식 억제 및 물리적 손상 완화 기능을 부여하였다. 여기서 Ga₂O₃는 Cu₂O와의 접합 계면에서 발생할 수 있는 불필요한 전하 재결합을 억제하여 광전 특성의 저하를 방지한다. 광흡수층으로 사용된 Cu₂O는 수중 환경에 적합한 밴드갭(약 2.0 eV)을 가져 수중에서 입사되는 단파장의 빛(≈ 620 nm 이하)을 효율적으로 흡수할 수 있다. 또한 InGaP, GaAsP, 페로브스카이트 등 다양한 광대역 밴드갭 광흡수체가 UWPV 후보로 연구되고 있으나, 이들은 비교적 높은 비용과 희소 원소 사용, 수중에서의 안정성 부족 등의 한계가 있다^18,34,35). 반면 Cu₂O는 무독성이며 원재료가 풍부하고 저비용 공정으로 합성이 가능해 실질적 응용 가능성이 높은 소재로 평가된다^36,40).

Fig. 9(a)는 Cu₂O와 c-Si의 광흡수계수를 파장에 따라 비교한 그래프로^25,26), Cu₂O가 주로 620 nm 이하의 단파장 영역에서 높은 흡수도를 보이며 이는 앞서 Fig. 7에서 나타냈던 수중 태양광 스펙트럼과 잘 부합함을 확인할 수 있다. 이에 반해, c-Si는 주로 장파장 영역(> 700 nm)에서 흡수하는 특성을 가져 수중 환경에서 효율 저하가 발생할 수 있다¹⁷⁾.

Fig. 9

(a) Optical absorption spectra of c-Si and Cu₂O^25,26). (b) Schematic illustration of the proposed p–p–n structured underwater transparent photovoltaic device¹⁷⁾

3.2 봉지 기술(Encapsulation) 및 안정성 확보 방안

수중 태양전지는 장시간 물속에 노출되기 때문에, 염분, 수압, 용존 산소 및 미생물에 의해 전극과 흡수층이 빠르게 열화될 수 있다. 따라서 봉지(encapsulation) 기술은 UWPV의 장기 안정성 확보에 핵심적인 역할을 한다^41,42,43). 기존 GPV는 EVA (Ethylene-Vinyl Acetate) 수지와 백시트, 전면 유리로 봉지되지만, 수중 환경에서는 높은 수압과 완전 침수 조건 때문에 추가적인 차단 성능이 요구된다. 최근 연구에서는 에폭시 기반 투명 실런트와 유리-유리 적층 구조를 적용하여 수압 내성을 높이고, 수분 침투를 최소화하는 봉지 설계가 제안되었다⁴⁴⁾. 또한 폴리이소부틸렌(Polyisobutylene), 실리콘 겔, 불소계 고분자는 낮은 수분 투과율과 우수한 내화학성을 바탕으로 차세대 UWPV 봉지 소재 후보로 검토되고 있다^45,46). 특히 나노입자 코팅을 이용한 투명 방오봉지층은 생물 부착을 억제하면서도 광투과 특성을 유지하는 효과를 보여 주목받고 있다^47,48). 봉지 기술은 소자의 광학적 특성뿐만 아니라, 납·은 등의 금속 이온 용출을 억제하여 환경 안정성 확보에도 기여할 수 있다^49,50). 따라서 소재 선택과 봉지 공정의 최적화는 UWPV 상용화를 달성하기 위해 반드시 해결되어야 할 핵심 연구 과제로 평가된다.

3.3 UWPV의 응용 가능성 및 전망

수중 태양전지는 단순 발전원으로서의 기능을 넘어 다양한 분야로 확장될 수 있는 가능성을 지니고 있다. 예를 들어, 박막형 투명 태양전지를 활용한 수중 전력 공급 장치는 해양 환경 모니터링, IoT 기반 센서 네트워크, 자율 수중 드론(Autonomous Underwater Vehicle)의 보조 전원 등 대규모 전력이 필요하지 않지만 장기적인 자가 구동이 중요한 분야에 적용될 수 있다^51,52). 또한 기존 수상 태양광(FPV) 및 해상 풍력 발전과 연계하여 복합 에너지 시스템을 구축하거나, 해양 구조물에 부착되어 부식 방지 장치나 소규모 통신 모듈을 구동하는 등 특수 목적에도 활용 가능하다.

하지만, 최근 제안된 잠수정 창문형 태양전지 응용에 대해서는 실효성 논란이 존재하기도 한다³⁵⁾. 실제로 심해 잠수함은 수압에 의한 구조적 위험 때문에 창문이 거의 없으며, 관광용 잠수정 역시 작은 창만을 보유하고 있어 발전 면적 자체가 제한적이다. 현재 투명 태양전지의 효율을 고려하면 창문형 PV로 얻을 수 있는 전력은 수십 와트 정도에 불과해, 주 동력원으로서의 실용성은 낮다⁵⁰⁾. 그러나 얕은 수심에서 운용되는 관광용 잠수정이나 해저 관측 장치의 경우, 창문형 태양전지가 조명·센서·계측기와 같은 소형 부하를 부분적으로 지원하는 보조 전원으로 활용될 가능성은 존재한다⁵¹⁾. 특히 열대 해역과 같이 투과광이 상대적으로 풍부한 환경에서는, 향후 소자 효율이 향상될 경우 수백 와트 규모의 보조 발전까지도 기대할 수 있다³⁵⁾.

또한 기술 발전의 여지도 크다. 최근 보고된 반투명 페로브스카이트 전지는 15% 이상의 효율을 달성하였으며, 투명 전극 저항 저감과 수중 환경에 특화된 스펙트럼 설계가 병행될 경우, 투명 태양전지의 성능은 현저히 개선될 수 있다^18,46). 이러한 진전은 잠수정 창문, 해저 관측 창 등 특수 용도에서 조명 전원, 센서 구동, 긴급 전력원 확보 등 제한적이지만 실제적 가치가 있는 응용으로 이어질 가능성이 있다^35,51,52).

현재 UWPV는 대규모 상용화 관점에서 효율과 경제성 측면의 제약이 크지만, 특수 목적 응용에서는 차별적 가치를 가지며, 향후 기술 발전을 통해 해양 재생에너지 시스템의 보완적 전원으로 자리매김할 잠재력이 충분하다.

4. 결 론

본 논문에서는 환경적·사회적 제약으로 활용이 제한된 육상 부지를 대체할 수 있는 부유식 태양광(FPV) 시스템의 구조와 한계를 종합적으로 분석하고, 이를 기반으로 FPV의 한계를 보완할 수 있는 수중 태양전지(UWPV)로의 기술 확장을 모색하였다. 현재 FPV는 전 세계적으로 상업화가 빠르게 진행 중인 유망한 태양광 기술로 자리매김하고 있으나, 설계 특성상 수면 아래 공간을 직접 활용하지 못하는 제약이 존재한다^11,17).

이에 따라 제안된 수중 태양전지(UWPV)는 물-소자 계면의 굴절률 매칭에 따른 반사 저감, 수온 냉각에 따른 온도 안정화, 수중 스펙트럼에 최적화된 광흡수 설계를 통해 FPV의 기존 설치 방식에서 발생하는 제약을 완화하면서 다양한 부가 이점을 함께 확보할 수 있는 차세대 태양광 발전 방식으로 주목받고 있다. 최근 발표된 두 편의 연구^16,17)에서 UWPV는 단순한 개념을 넘어 실제 구현 가능한 수준의 기술로 진화하고 있으며, 이는 수중 환경에 특화된 다양한 응용 분야로의 확장을 가능하게 한다^17,18,19,20).

다만, UWPV의 상용화를 위해서는 여전히 해결해야 할 여러 기술적 과제가 존재한다. 우선 상용화를 위해서는 수중 환경에서 장기 신뢰성을 보장할 봉지(encapsulation) 체계가 핵심이다. 유리–유리 적층, 에폭시계 실런트, 낮은 수분 투과율의 PIB, 불소계 고분자, 투명 방오 코팅 등은 전극/접합부 열화 억제와 생물 부착 저감, 광투과 유지에 기여할 수 있다. 봉지 재료 선택과 공정 최적화, 그리고 장시간 담수/해수·가압·열사이클 조건에서의 가속 수명 시험이 필수적이다^{41,42,43,44,45,46,47,48)}.

경제성 측면에서는, c-Si의 대규모 양산 인프라와 낮은 W당 비용이 여전히 기준점이다. 금속산화물 기반 박막은 저온·용액 공정의 비용 잠재력이 있으나, 현 시점에서는 효율과 안정성 향상 없이는 경쟁이 어렵다. 반면, 투광성이 요구되는 수중 센서, 관측 장치, 보조 전원, 해양 구조물 유지와 같은 특수 응용에서는 발전과 투광·시인성을 결합한 특징이 부가가치가 될 수 있다^51,52).

현 시점에서 UWPV는 단기간에 대규모 전력원으로의 즉각적 전개보다는 FPV, 수상 풍력 발전과의 연계 및 특수 목적 부문에서 단계적 도입이 타당하다. 향후 연구는 수중 스펙트럼에 적합한 재료·구조 설계, 봉지 기술과 경제성 검증에 중점을 둘 필요가 있다. 이와 같은 연구 성과가 축적된다면, UWPV는 FPV와 함께 재생에너지 시스템의 새로운 축으로 발전하여 기후위기 대응과 글로벌 에너지 전환을 촉진하는 핵심 기술로 자리매김할 수 있을 것이다^2,8,40).