연구원들은 세계에서 가장 건조한(비{0}}) 사막의 태양 에너지 생산에 대해 과소평가된 잠재적인 위협인 미생물의 영향을 식별하고 정량화하기 위한 국제 공동 노력을 주도했습니다. 최근 결과에 따르면 아타카마 사막에서 광전지 패널 표면에 서식하는 생물막을 형성하는 미생물-의 영향으로 단락 전류가 최대 30.66% 감소한 것으로 나타났습니다. 이는 태양광 설치가 단락 지점에서 현재 생산량을 줄였기 때문에 예상 에너지 생산량을 거의 1/3 정도 줄일 수 있음을 의미합니다.-
태양 전지판 "오염"에 대한 미생물 기여와 운영 효율성 감소를 통한 에너지 수율에 대한 후속 영향 평가("아타카마 사막의 건조한 지역의 극한 환경 내 태양광 모듈 오염에 대한 미생물 기여 및 영향"에서 논의됨)는 극한 환경에서 태양 전지판에 대한 먼지 코팅의 접착 및 지속성에 대한 미생물 군집의 영향을 평가하기 위한 동종 최초의 연구입니다.
무기 먼지에서 살아있는 껍질까지
태양광 패널 오염에 대한 기존의 이해는 오랫동안 무기 광물 먼지 입자의 축적에 초점을 맞춰 왔습니다. 그러나 이 연구는 미생물 생명체 - 특히 박테리아가 속의 박테리아임을 입증함으로써 패러다임을 전환합니다.Arthrobacter, 디에치아, 그리고코쿠리아- 패널 표면을 적극적으로 식민지화하고 먼지 침전물의 특성을 극적으로 변화시키는 견고한 생물막을 생성합니다.
이러한 미생물은 세포외 고분자 물질, 즉 약 65%의 다당류, 25%의 펩타이드 및 10%의 지질로 구성된 끈적끈적한 매트릭스인 EPS(EPS)를 생성합니다. 72-시간의 성장 기간 동안 연구원들은 EPS 두께가 0.2마이크로미터에서 0.8마이크로미터로 확장되는 것을 관찰했습니다. 전계 방출 주사형 전자 현미경으로 관찰하면 이러한 생물막은 미생물 세포와 광물 입자를 모두 캡슐화하여 먼지 층을 패널 표면에 효과적으로 접착시켜 제거에 훨씬 더 강한 저항성을 갖게 하는 조밀한 3차원 네트워크로 나타납니다.
빛 포착을 방해하는 광보호 안료
놀라운 진화적 반전으로, 이 연구는 또한 카로티노이드 색소 - 특히 루테인-과 같은 화합물과 관련 크산토필 -을 확인했습니다.디에치아균주. 이러한 색소는 박테리아가 평방 미터당 약 3.5킬로와트의 일일 강도에 도달하는 아타카마 사막의 극자외선 복사에서 살아남는 데 도움이 됩니다.
결정적으로, 이러한 광보호 화합물은 단결정 실리콘 광전지 모듈의 변환 창과 겹치는 스펙트럼 범위에서 빛을 흡수합니다. 이러한 중복은 박테리아가 사막의 태양을 견디도록 돕는 바로 그 색소가 들어오는 광자를 놓고 태양 전지와 경쟁하는 추가적인 광학 간섭 메커니즘을 암시합니다.
실험실 테스트에서 상당한 전기 손실이 밝혀졌습니다.
미생물 생물막의 성능 영향을 정량화하기 위해 연구원들은 통제된 실험실 조건에서 광전지 유리 샘플에 대한 가속 집락화 테스트를 수행했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 생물막 개발 7일 만에 안토파가스타 대학의 샘플에서 15.20%~30.66% 범위의 단락 전류 손실이-나타났습니다. 아타카마 사막 태양광 플랫폼의 샘플은 11.01%에서 20.12% 사이의 손실을 보였습니다.
그러나 이번 연구의 교신 저자인 그라나다 대학의 Aitor Marzo는 이러한 수치를 맥락화하는데 주의를 기울였습니다. "이러한 테스트는 제한된 실험실 기간 내에 생물막 접착 및 강화의 초기 단계를 재현하기 위한 가속 실험으로 설계되었습니다."라고 그는 설명했습니다. "관찰된 최대 손실은 생물학적 영향의 상한선을 나타내며 일반적인 현장 값으로 직접 해석되어서는 안 됩니다." Marzo는 실제-조건에서 군집화가 더 점진적으로 발생하며 복사조도, 습도, 먼지 침착 및 영양분 가용성과 같은 환경 요인의 영향을 받는다고 지적했습니다.
기존 세척 프로토콜에 대한 과제
아마도 즉각적인 성능 손실보다 더 우려스러운 점은 기존의 세척 방법이 성숙한 생물막에 효과적이지 않을 수 있다는 사실입니다. 연구에서는 EPS 증착이 증가하면 생물막 구조 내 응집력이 향상되어 드라이 브러싱 및 물로 헹구는 것과 같은 표준 세척 기술의 효율성이 감소한다는 사실을 발견했습니다.
"미생물은 오염의 수동적 구성요소가 아니라 퇴적물 경화에 기여하고 광학 투과율을 감소시키며 기존 세척 방법의 효율성을 감소시키는 활성 물질입니다."라고 저자는 썼습니다.
글로벌 태양광 확장으로 문제 증폭
이번 연구 결과는 전 세계 태양광 산업에 있어 중요한 시기에 나왔습니다. 국제에너지기구(International Energy Agency)에 따르면, 재생 가능한 전기 생산량은 2030년까지 매년 약 1,050테라와트-시간 증가할 것으로 예상되며, 태양광발전은 매년 그 성장 중 600테라와트-시간 이상을 차지할 것입니다. 2025년 한 해에만 태양광 발전을 통한 전 세계 전력 생산량 증가는 620테라와트-시간이라는 기록을 세웠으며, 이는 역대 최대 연간 증가율-입니다-.
이러한 확장의 대부분은 세계의 사막을 포함하여{0}}일사량이 높은 지역에서 발생하고 있습니다. 본 연구가 수행된 아타카마 사막은 매년 약 6,800시간에 달하는 태양광 조사를 받으며, 이는 지구상 어디에서나 태양 에너지 개발을 위한 가장 유망한 장소 중 하나이지만 - 패널 유지 관리 측면에서 가장 어려운 곳 중 하나이기도 합니다.
미래 연구 및 잠재적 솔루션
연구팀은 이번 연구 결과가 토양 오염 예측 모델과 건조한 지역에 대한 태양광 시스템 완화 전략에 생물학적 요인을 통합해야 할 긴급한 필요성을 강조한다고 강조했습니다. "우리의 연구는 아타카마 사막의 광전지 모듈에서 분리된 미생물 군집이 건조와 극심한 복사열에 대한 높은 내성을 보인다는 것을 보여줍니다."라고 Marzo는 말했습니다.PV 잡지.
동시에 색소가디에치아연구에서 확인된 균주는 기술 혁신을 위한 예상치 못한 길을 열 수 있습니다. 저자는 "이러한 안료는 코팅 및 자가 세척 기술에 잠재적인 생명공학 응용 분야를 제시합니다."라고 지적하면서 문제를 일으키는 바로 그 유기체가 해당 솔루션 개발에 영향을 줄 수도 있음을 시사했습니다.
첨단 소재를 통해 미생물 오염을 해결하려는 업계의 노력이 이미 진행 중입니다. 예를 들어, 호주의 나노기술 회사인 Nanoveu는 태양광 패널에서 생물막 형성과 조류 성장을 억제하도록 설계된 친수성-자정 나노-코팅을 개발했으며, 다른 연구 그룹에서는 자가 세척 특성과 광학적 투명성을 모두 제공할 수 있는 초소수성 코팅을 탐색하고 있습니다.-
이 연구는 스페인 그라나다 대학과 칠레 아타카마 대학의 연구원들이 수행했으며, 연구 결과는 2025년 7월호에서 확인할 수 있습니다.고급 지속 가능한 시스템.
