광자 업컨버전이 태양 수소 잠재력을 확대할 수 있다

태양광을 유용한 에너지로 변환하는 데 있어, 태양전지에 많은 노력이 집중되어 왔으며, 이는 태양의 에너지 출력을 전기로 변환할 수 있는 방법입니다.

하지만 이것이 모든 적용 분야에 가장 효율적인 옵션이라는 뜻은 아닙니다. 예를 들어, 녹색 수소를 생산하는 것이 목표라면, 효율이 각 단계마다 손실되는 다단계 과정이 발생합니다: 햇빛 → 전력 → 전송 → 전기분해 → 수소.

이 때문에 다양한 접근법이 연구되어 왔으며, 특히 햇빛을 직접 사용해 물을 수소로 전환하는 광촉매(photocatalysis) 과정이 주목받고 있습니다.

문제는 적절한 촉매가 있더라도 대부분의 햇빛이 가시광선 및 적외선 영역에 머물러 있어 물 분자를 수소로 분해하기에 충분한 에너지를 갖추지 못한다는 점입니다. 따라서 실리콘 카바이드가 광촉매 효율을 높이는 경우에도 여전히 이상적이지 않습니다. 대부분의 경우, 자외선(UV) 영역만이 충분히 강합니다.

이러한 이유로, 규슈 대학과 분자과학연구소(SOKENDAI) 소속 일본 연구진이 새로운 고체 상태 방법으로 광자 에너지 수준을 높일 수 있다는 발견은 향후 녹색 수소 생산에 혁신이 될 수 있습니다. 그들은 이 결과를 권위 있는 학술지 Nature Communications¹에 “효율적인 고체 상태 광자 업컨버전을 위한 입체 보호 π-전자 시스템”이라는 제목으로 발표했습니다.

가시광선에서 자외선으로

Photocatalysis of water into hydrogen could radically boost green energy production. This is because green hydrogen is a key missing element for storing energy over weeks and months of low sunlight or no wind, and also the perfect fuel for decarbonizing sectors like shipping and air flight, either directly or through the production of ammonia and artificial fuel. But unfortunately, only UV is strong enough to perform photocatalysis.

“Although inorganic photocatalysts using ultraviolet (UV) light have achieved high-efficiency photocatalytic water splitting, they suffer from the low UV fraction in sunlight (about 3% for the 300–400 nm range).”

하지만 대안은 더 나은 촉매가 아니라, 훨씬 풍부한 가시광선을 자외선으로 변환하는, 즉 “광자 업컨버전”일 수 있습니다.

연구진은 삼중항–삼중항 소멸(triplet–triplet annihilation)-기반 광자 업컨버전(TTA-UC)이라는 과정에 집중했습니다. 가장 간단히 설명하면, 두 개의 저에너지 광자를 수용체 분자가 흡수한 뒤 재방출함으로써 하나의 고에너지 광자로 합치는 방식입니다.

출처: Nature

광자 업컨버전 안정성 최적화

액체에서 결정으로

지금까지 1,4-비스((트라이이소프로필실릴)에틴일)나프탈렌(TIPS-Nph) 및 2,5-디페닐옥소졸(PPO)과 같은 분자를 이용한 업컨버전 방법은 양자 효율(ΦUC)이 우수했지만, 용매의 휘발성이 장치 적용 및 장기 사용에 중요한 제한 요인으로 작용했습니다.

실용적인 해결책은 대규모로 배치할 수 있고 유지보수가 거의 필요 없는 안정적인 소재를 사용하는 것으로, 이를 통해 광촉매 변환기 전체 필드를 배치하여 녹색 수소를 대량 생산할 수 있게 하는 것입니다.

결정 및 고체 수용체에서는 싱글렛 소광(singlet quenching) 현상이 양자 효율을 감소시킬 수 있습니다.

연구진은 수용체로 사용되는 유기 분자에 알킬 사슬 치환(긴 탄소 사슬 추가)을 적용하여 안정성을 높이고 싱글렛 소광 발생을 감소시켰습니다.

출처: Nature

결정 성능 측정

연구진은 DHI(5,10-디하이드로인덴오[2,1-a]인덴)라는 분자를 사용했으며, 액체 형태(용액)에서는 거의 완벽한 96% 양자 효율을 보였습니다. 그러나 결정 형태에서는 일반적으로 효율이 크게 감소합니다.

분자에 추가적인 탄소 사슬을 더하면, DHI의 결정 형태가 64%‑69%까지 높은 양자 효율에 도달할 수 있습니다. 이러한 높은 결과는 공여 분자들이 수용체 결정 내에 균일하게 분산되어 효율적인 삼중항 감작을 가능하게 함을 나타냅니다.

출처: Nature

이 소재는 상온 주조 및 스핀 코팅과 같은 간단한 필름 형성 기술로도 생산될 수 있으며, 특별한 가열 처리가 필요 없어 향후 산업 대규모 적용에 더욱 적합할 가능성이 높습니다.

이 공정은 산소에 내성이 있으며 오히려 산소가 필요하기 때문에, 밀폐된 무산소 환경에서 진행될 필요가 없으며, 이는 상업적 적용을 위해 중요한 요소입니다.

“시스템 내 산소가 싱글렛 산소로 전환되어 소모될 때 TTA‑UC가 활성화됩니다. iBu‑DHI/Ir(ppy)3 필름은 강한 조사(λdt = 370 nm, Iex = 2.0 W cm⁻²) 하에서도 공기 중에서 1시간 이상 업컨버전을 보여주었습니다.”

출처: Nature

결정의 성능은 일반적으로 원자 수준의 미세 구조에 의존합니다. 따라서 연구진은 먼저 이들 결정의 가능한 구조를 파악하기 위해 이론적 계산을 수행했습니다.

그 후 X‑ray 결정학을 이용해 결정을 테스트했으며, 단결정과 스핀 코팅 필름의 X‑ray 회절 패턴이 유사함을 확인하여 이 방법이 작동한 이유를 입증했습니다.

출처: Nature

이는 결정이 더 최적화될 수 없다는 의미는 아니며, 이론적으로 더 높은 수율이 가능한 정밀한 결정화 방법을 통해 추가적인 개선이 가능함을 의미합니다.

“현재 고체 상태의 가시광선‑UV TTA‑UC 시스템의 성능은 공여 분자 구조를 최적화하고 제어된 결정화 과정을 적용함으로써 더욱 향상될 수 있습니다.”

미래 적용

현재 수소 생산은 화석 연료에서 생산되는 “회색 수소”가 주를 이루며, 재생 에너지로 생산되는 “녹색 수소”는 규모는 작지만 증가하고 있으나 여전히 다른 연료와 경제적으로 경쟁하기 어렵습니다.

궁극적으로 햇빛을 직접 이용해 수소를 생산하면 대규모 전력 전송, 배터리, 케이블 및 전기촉매 없이도 설치 비용을 크게 낮출 수 있습니다. 중간 단계가 없으면 전기촉매 방식을 사용할 때 발생하는 에너지 효율 문제도 개선됩니다.

“본 연구에서 개발된 π‑보호 DHI 크로모포어의 설계 원리는 다양한 크로모포어에 널리 적용될 수 있습니다. 이는 간단한 스핀 코팅 및 드롭 캐스팅 방법으로 만든 얇은 필름에서 뛰어난 TTA‑UC 특성을 가능하게 하여 광범위한 적용을 열고, 여기 상태 삼중항을 포함한 광기능 화학을 혁신할 잠재력을 제공합니다.”

이와 같은 안정성이 뛰어난 새로운 고체 상태 소재는 저강도이면서 풍부한 광자를 수소 생성 고강도 UV 광자로 변환함으로써 상업적으로 실현 가능한 차세대 광학 소재를 만들 수 있습니다.

첨단 태양 에너지에 투자하기

First Solar

현재 전 세계 태양광 패널의 대부분은 폴리실리콘 생산 및 태양전지 제조에 대한 방대한 생태계를 갖춘 중국에서 생산됩니다.

하지만 실리콘 기반 태양전지 외에도 다른 기술이 존재하며, 서구 태양광 산업의 살아남은 기업 중 하나인 First Solar는 카드뮴 텔루라이드(CdTe) 태양전지를 사용해 이 분야를 선도하고 있습니다. 이 전지는 얇은 필름 기술로 생산이 용이하고 실리콘 기반 전지보다 효율이 높지만, 원료 비용이 더 높습니다.

이 전지는 또한 내구성이 뛰어나 태양전지의 수명 비용 및 감가상각을 계산할 때 주택 소유자와 유틸리티 회사 모두에게 비용 구조를 바꿀 수 있습니다. 특히 최근 몇 년간 태양전지 효율 상승 및 비용 감소가 둔화되고 있기 때문입니다.

출처: First Solar

카드뮴 텔루라이드 전지 생산은 대부분 자동화된 제조 공정이므로 인건비 차이에 덜 민감합니다. 따라서 서구 국가에서 생산할 경우 현지 판매 시 경쟁력이 크게 향상되며, 운송 비용도 절감됩니다.

다수의 공장이 각각 폴리실리콘 정제와 같은 한 단계에 특화되어 수일이 걸리는 전통적인 방식과 달리, First Solar는 원료에서 완제품까지 4시간 이내에 생산할 수 있습니다.

출처: Department Of Energy

장기적으로 First Solar는 폐전지에서 카드뮴 텔루라이드를 90%까지 완전 재활용하고, 나머지 5‑10%의 재활용 모듈 폐기물은 주로 유리 미세 입자로, 이는 먼지 제어 시스템 및 고효율 입자 공기(HEPA) 필터 시스템으로 포집됩니다.

이는 재료 비용을 절감하고 자원 채굴에 따른 생태학적 비용을 없애며, 오염 위험도 제거할 수 있습니다.

“모듈을 판매할 때마다, 우리는 수명 종료 시 모듈을 회수하여 재활용하는 서비스를 함께 제공합니다. 이는 유럽에서 규제가 도입되기 8년 전부터 시행된 것이었습니다. 현재 우리는 PV가 포함된 전자 폐기물 지침을 가지고 있습니다.”
Andreas Wade – Global Sustainability Director at First Solar Future Techs

카드뮴 텔루라이드 외에도 First Solar는 페로브스카이트 및 카드뮴 텔루라이드‑페로브스카이트 하이브리드 전지와 같은 보다 진보된 태양전지 기술을 탐구하고 있으며, 이는 더 높은 효율과 내구성을 가질 수 있습니다.

장기적으로 First Solar가 얇은 필름 태양전지를 생산한 경험은 수소 생산용 광촉매 전지에도 적용될 수 있습니다.

전반적으로 First Solar는 서구 생산업체에 초점을 맞춘 태양 에너지 붐에 투자하려는 투자자에게 매력적인 주식이며, 지정학적으로 민감한 중국 생산업체보다 더 안전합니다.

(First Solar에 대해 더 읽어보시려면 회사 전용 투자 보고서에서 및 우리 보고서 “The Solar Age – A Bright Future To Mankind”)

최신 First Solar (FSLR) 주식 뉴스 및 개발

참조 연구

^{1. Harida, N., Shoyama, H., Boonmong, N. et al. 효율적인 고체 상태 광자 업컨버전을 위한 입체 보호 π-전자 시스템. Nature Communications. 17, 5134 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73898-0}  한국어로.