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- 먼지, 꽃가루, 그을음, 모래 등은 태양광 모듈의 성능을 크게 저하시킨다.
- 전 세계적으로 오염으로 인한 평균 손실률은 약 3~5%에 달한다
- 태양광 모듈 표면을 초소수성(疏水性)으로 만드는 투명 코팅 개발
- 나노복합 코팅이 적용된 태양광 모듈은 코팅되지 않고 세척되지 않은 모듈보다 16% 더 많은 전력을 생산
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▲ 먼지, 모래 및 기타 입자는 태양광 패널의 성능을 떨어뜨린다. © WichienTep / depositphotos.com

[더사이언스플러스 문광주 기자] 태양광 모듈은 먼지, 모래, 그을음 등의 이물질이 쌓이면 성능이 현저히 떨어진다. 새로운 초소수성 나노 코팅이 적용된 모듈은 연꽃 효과 덕분에 자가 세척이 가능하여, 매일 수동으로 세척하는 모듈보다 훨씬 뛰어난 성능을 발휘한다.

▲ 단일 다이오드 모델 회로도.

먼지, 꽃가루, 그을음, 모래 등의 이물질은 태양 전지에 도달하는 빛의 양을 감소시켜 태양광 모듈의 성능을 크게 저하시킨다. 전 세계적으로 오염으로 인한 평균 손실률은 약 3~5%에 달한다. 특히 건조하고 먼지가 많은 지역이나 오염이 심한 지역에서는 오염으로 인한 태양광 발전소의 전력 생산량 감소가 훨씬 더 심각할 수 있다.

따라서 과학자들은 오랫동안 태양광 모듈 표면의 오염을 줄이기 위한 다양한 코팅 기술을 연구해 왔다. PSN 기술과학연구소(PSNA CET)의 C. 아야나르(Ayyanar) 연구팀이 태양광 모듈 표면을 초소수성(疏水性)으로 만드는 투명 코팅을 개발했다. 초소수성 표면에서는 물방울이 거의 구형으로 수축하며 쉽게 굴러떨어진다. 이른바 연꽃 효과로 인해 물방울이 태양광 모듈의 먼지를 제거하고 전력 손실을 줄여준다.

태양광 모듈용 나노복합 코팅

C. 아야나르 연구팀의 설명에 따르면, 초소수성 나노복합 코팅은 이산화규소 나노입자(SiO₂)를 에탄올과 혼합한 후, 자석 교반 및 초음파 처리를 통해 제조되었다. 이 용액에 폴리디메틸실록산(PDMS)과 경화제를 첨가한 후, 태양광 모듈의 유리 표면에 분사하고 80℃에서 2시간 동안 경화시켰다. 그 결과 약 1.5~2μm 두께의 투명 코팅이 형성되었다.

"이번 연구의 독창성은 태양광 모듈용 초소수성 PDMS/SiO₂ 나노복합 코팅에 대한 실험 및 계산적 평가를 통합적으로 수행했다는 점에 있다. 코팅의 소수성 또는 자가 세척 특성에 주로 초점을 맞춘 기존 연구와 달리, 본 연구는 장기간 옥외 성능 테스트와 입자 군집 최적화(PSO)를 이용한 단일 다이오드 PV 모델의 다섯 가지 매개변수 추출을 결합했다"고 C. 아야나르 교수는 말했다.

▲ 태양광 패널 청소 절차 (a) 먼지가 쌓인 패널, (b) 부분적으로 청소된 태양광 패널, (c) 완전히 청소된 태양광 패널. 출처:Polymer with silicon dioxide coating on solar photovoltaic for enhancement of power output performance – Experimental study / Next Energy / Volume 13, October 2026

PDMS/SiO₂ 코팅 vs. 수동 세척

연구진은 정격 출력 165와트(W), 효율 15.8%의 동일한 태양광 모듈 세 개를 사용하여 실험을 진행했다. 한 모듈에는 PDMS/SiO₂ 코팅을 적용했고, 다른 모듈에는 코팅을 하지 않고 매일 수동으로 세척했으며, 나머지 한 모듈에는 코팅을 하지 않고 6개월 동안 세척도 하지 않았다. 이 모듈들은 인도 타밀나두의 한 주택 지붕에 30도 경사로 남향으로 설치되었다.

"이번 연구는 코팅 처리된 태양광 모듈, 수동 세척된 모듈, 그리고 자연적으로 먼지가 쌓인 모듈을 동일한 환경 조건에서 직접 비교하여, 먼지로 인한 전력 손실을 줄이고 태양광 발전 성능을 향상시키는 데 있어 코팅의 효과를 종합적으로 평가했다"고 C. 아야나르 교수는 설명했다.

▲ 태양광 패널 수동 청소 과정 (a) 증류수와 주방세제 혼합액으로 청소, (b) 부드러운 브러시 사용 (패널 2). 출처:Polymer with silicon dioxide coating on solar photovoltaic for enhancement of power output performance – Experimental study / Next Energy / Volume 13, October 2026

C. 아야나르 교수에 따르면, 연구팀은 코팅된 태양광 모듈의 측정된 전류-전압(I-V) 데이터를 사용하여 표준 단일 다이오드 모델을 보정했다. 그리고 시뮬레이션된 I-V 곡선과 측정된 I-V 곡선 간의 편차를 최소화하는 PSO 알고리즘을 이용하여 모델의 다섯 가지 전기적 매개변수를 결정했다.
나노복합 코팅, 수동 세척보다 우수한 성능 발휘

나노복합 코팅이 적용된 태양광 모듈은 코팅되지 않고 세척되지 않은 모듈보다 훨씬 더 많은 전력을 생산했다(16%). 또한 수동으로 세척한 태양광 모듈보다도 우수한 성능을 보였지만, 수동으로 세척한 모듈은 코팅되지 않고 세척되지 않은 모듈보다 7% 더 많은 전력을 생산했다.

▲ 태양광 패널 세척 실험 장치: (a) PDMS/SiO2 코팅 패널, (b) 코팅되지 않은 패널, (c) 먼지 패널(기준), (d) 부하(저항 변수), (e) 데이터 측정 장치. PDMS = 폴리디메틸실록산. 출처:Polymer with silicon dioxide coating on solar photovoltaic for enhancement of power output performance – Experimental study / Next Energy / Volume 13, October 2026

과학자들에 따르면, 더 높은 출력은 코팅된 태양광 모듈의 오염도가 낮아진 것과 나노복합 코팅의 반사 방지 효과 덕분이며, 이 코팅은 또한 모듈 내부로 더 많은 빛이 들어오도록 한다.

"이번 연구에서 가장 놀라운 결과는 PDMS/SiO₂ 코팅된 태양광 모듈이 수작업으로 세척한 모듈보다 성능이 더 우수했다는 점이다. 코팅된 모듈은 먼지가 쌓인 기준 모듈보다 약 16%, 수작업으로 세척한 모듈보다 약 7% 더 높은 출력을 달성해, 자가 세척 코팅이 기존의 수작업 세척보다 더 효과적일 수 있음을 보여주었다"고 C. 아야나르는 설명했다.

이 실험은 또한 나노복합 코팅이 태양광 모듈의 온도를 12% 낮추어 성능 안정성과 수명을 향상시키는 것을 보여준다.

출처:
학술지 Next Energy에 게재된 연구 논문, doi: 10.1016/j.nxener.2026.100803

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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