KR101132268B1 - 플렉서블 광전변환 소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

플렉서블 기판 및 상기 플렉서블 기판을 실질적으로 수직으로 관통하면서 상기 플렉서블 기판 양면 밖으로 돌출된 실리콘 와이어 어레이를 포함하는 광전변환 소자 및 이의 제조방법이 제공된다.

Description

플렉서블 광전변환 소자 및 이의 제조방법{Flxible photovoltaic device and fabrication method thereof}
본 명세서에 개시된 기술은 플렉서블 광전변환 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
종래 평면 형태의 p-n 접합으로 구성된 실리콘 태양전지는 효율 대비 가격이 비싸다. 이를 개선하기 위해 값싼 기판을 사용한 실리콘 와이어가 탑재된 방사형 태양전지가 보고되었다. 방사형 태양전지의 제작을 위해 Au, Cu, or Ni 등의 촉매를 사용하여 Vapor-liquid-solid(VLS) 방식으로 높은 온도에서 사염화 규소를 실리콘 전구체로 사용하여 실리콘 나노 또는 마이크로 와이어로 성장시킨다. 또는 AgNO3와 HF 용액을 사용하여 귀금속 촉매 에칭(Noble metal catalytic etching)법으로 실리콘 와이어를 제작할 수 있다. 이러한 방법들로 제작된 실리콘 와이어를 고분자에 이송하는 방법으로는 고분자를 실리콘 와이어 상에 낮은 회전수로 도포하고 경화시킨 후 고분자와 실리콘 경계면에 면도칼날(Razer blade) 사용하여 기계적으로 분리시켜 와이어를 이송한다. 또 다른 방법은 유리(Glass) 기판에 고분자를 스핀코팅 방식으로 도포한 후 고분자가 연성을 가질 수 있도록 유리전이온도(Glass transition temperature) 이상 상승시킨 후 제작된 실리콘 와이어를 고분자 상에 놓고 적당한 힘을 인가하여 와이어를 고분자에 탑재하고 다시 온도를 유리전이온도 이하로 낮추어 경화시킨 후 외부에서 순간적인 강한 힘을 실리콘 웨이퍼에 가하여 분리시키는 방법이 있다.
하지만 VLS 방법으로 제작된 실리콘 와이어는 Au와 같은 금속을 촉매로 사용하여 1000℃의 높은 온도에서 공정을 진행함으로 금속의 오염으로 태양전지 효율 저하를 초래하게 된다. 귀금속 촉매 에칭으로 제작된 실리콘 와이어는 와이어 사이즈가 너무 작아서 와이어끼리 서로 뭉치는 현상이 발생할 수 있다. 이것은 수직으로 배열된 실리콘 와이어 하나하나가 방사형 p-n 접합을 이루어 태양전지 역할을 할 수가 없게 만드는 단점이 있다.
일 실시예에 의하면, 플렉서블 기판 및 상기 플렉서블 기판을 실질적으로 수직으로 관통하면서 상기 플렉서블 기판 양면 밖으로 돌출된 실리콘 와이어 어레이를 포함하는 광전변환 소자가 제공된다.
다른 실시예에 의하면, 실리콘 기판 위에 실리콘 와이어 어레이를 형성하는 단계; 상기 실리콘 기판 위에 산화막을 증착하는 단계; 상기 산화막 위로 돌출된 상기 실리콘 와이어에 불순물을 도핑하거나 반대 극성의 물질을 증착하여 코어-쉘 형태의 p-n 접합구조를 형성하는 단계; 상기 산화막을 에칭하여 상기 p-n 접합구조와 상기 산화막 사이에 간극을 형성하는 단계; 상기 실리콘 와이어 어레이 위에 경화성 물질을 도포하고 경화시켜 상기 실리콘 기판 위에 플렉서블 기판을 형성하되, 상기 p-n 접합구조 중 상기 쉘 부분만 노출되도록 하는 단계; 상기 플렉서블 기판 하부의 산화물을 제거하여 상기 플렉서블 기판 하부 쪽으로 상기 실리콘 와이어가 노출되도록 하는 단계; 및 상기 실리콘 기판으로부터 상기 실리콘 와이어를 분리함으로써 상기 실리콘 와이어가 상기 플렉서블 기판을 관통하며 양쪽으로 돌출되도록 하는 단계를 포함하는 광전변환 소자의 제조방법이 제공된다.
도 1은 일 실시예에 따른 광전변환 소자를 나타낸 개략도이다.
도 2는 광전변환 소자의 제조방법을 나타낸 공정흐름도이다.
도 3은 전기화학적 에칭 공정을 위한 사전 패터닝 공정에 대한 일 실시예를 나타낸 공정 흐름도이다.
도 4는 45w% KOH 용액을 사용하여 80℃에서 4분 동안 에칭하여 얻어진 에칭 구멍의 SEM 이미지이다.
도 5는 전기화학적 에칭을 하기 위한 시스템의 대략적인 구조도이다.
도 6은 전처리 샘플에 대해 갈바노스태틱을 사용하여 임계 전류 밀도(Jps) 값의 30~60%에 해당하는 전류 밀도 인가와 25~60분 동안의 에칭을 통해 얻어진 실리콘 와이어 어레이의 SEM 이미지이다.
도 7은 전기화학적 에칭으로 제작된 실리콘 와이어 어레이를 플렉서블 기판에 이송하는 공정을 나타낸다.
도 8은 실리콘 와이어 바닥부분에 산화막을 증착하고 실리콘 와이어 측면부분의 산화막을 제거하는 과정을 나타낸 SEM 이미지이다.
도 9는 혼합한 희석제의 양에 따라 두께를 조절하며 실리콘 와이어 사이사이에 PDMS를 채운 SEM 이미지이다.
이하, 도면을 참조하여 본 개시된 기술에 대해 구체적으로 설명하고자 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 광전변환 소자를 나타낸 개략도이다. 도 1을 참조하면, 광전변환 소자는 플렉서블 기판(110) 및 플렉서블 기판(110)의 양면을 실질적으로 수직으로 관통하는 실리콘 와이어(120)의 어레이를 포함하고 있다. 각 실리콘 와이어(120)는 플렉서블 기판(110)의 양쪽 면 밖으로 돌출되어 있다. 실리콘 와이어(120)는 p형 또는 n형의 극성을 가질 수 있다. 각각의 실리콘 와이어(120)는 적어도 일부분이 반대 극성의 물질로 덮이거나 도핑되어 이루어진 쉘(124)이 코어(122)를 덮으면서 코어-쉘 형태의 p-n 접합구조의 형태를 가지고 있다. 그 결과, 플렉서블 기판(110)을 중심으로 실리콘 와이어(120)가 쉘(124)로 덮인 부분과 코어(122)가 노출된 부분으로 나뉨으로써, p형 영역과 n형 영역이 격리될 수 있다. 또한 플렉서블 기판(110)의 위쪽 면 및 아래쪽 면 각각에 돌출된 실리콘 와이어(120)를 덮는 상부전극(130) 및 하부전극(140)이 배치되어 있다.
실리콘 와이어(120) 어레이는 주기적이고 규칙적인 배열을 가질 수 있다. 이러한 배열은 후술하겠지만, 실리콘 기판에 대한 사전 패터닝 공정, 전기화학적 에칭 공정, 및 플렉서블 기판으로의 이송 공정에 의해 형성될 수 있다.
플렉서블 기판(110)은 경화성 물질로 제조될 수 있다. 플렉서블 기판(110)은 예를 들어, 폴리디메틸실록산(PDMS)과 같은 실리콘계 소재, PMMA와 같은 아크릴계 소재, SU8과 같은 에폭시계 소재 등이 될 수 있다.
또한 상기 p형 영역 및 상기 n형 영역 중 적어도 하나에 투명 전극이 정각(conformal) 형태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상부전극(130)은 주석(Sn) 첨가 산화인듐(ITO), 알루미늄(Al) 첨가 산화아연(AZO), 또는 갈륨(Ga) 첨가 산화아연(GZO)과 같은 투명 전도성 물질로 이루어질 수 있고 하부전극(140)은 Al일 수 있다. 기타, 상부전극(130) 및 하부전극(140)에 모두 적용될 수 있는 물질로 PEDOT:PSS, 폴리아닐린, 폴리피롤과 같은 전도성 고분자를 들 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광전변환 소자(100)는 플렉서블 기판(110)의 한쪽 면에는 태양전지가 형성되고 다른 쪽 면에는 발광다이오드가 형성됨으로써 플렉서블 융복합 소자로 제작될 수 있다.
이하, 광전변환 소자의 제조방법의 일 실시예에 관해 설명하고자 한다. 도 2는 광전변환 소자의 제조방법을 나타낸 공정흐름도이다.
도 2를 참조하면, 단계 S1에서 실리콘 기판 위에 실리콘 와이어 어레이를 형성한다. 상기 실리콘 와이어 어레이의 형성은 전기화학적 에칭에 의해 수행될 수 있다. 상기 실리콘 기판은 p형 및 n형 (100) 결정방향의 단결정 실리콘이 모두 사용가능하며, 불산(Hydrofluoric acid)이 포함된 전해질 용액을 이용하여 실리콘 기판에 기공(Pore) 또는 와이어(Wire)를 형성할 수 있다.
또한 상기 전기화학적 에칭 단계 이전에 사전 패터닝을 수행하여 상기 실리콘 와이어 어레이가 주기적 구조를 갖도록 할 수 있다. 에칭 전 정렬된 사전 패턴(Pre-pattern)을 형성한 후 적당한 조건으로 에칭을 하게 되면 실리콘 와이어들이 뭉치지 않고, 규칙적으로 배열된 실리콘 와이어 어레이를 얻을 수 있다. 이렇게 함으로써 수직한 실리콘 와이어 하나하나가 방사형 p-n 접합을 이루어 태양전지의 역할을 할 수 있으며, 입사된 태양광의 흡수 방향과 태양광에 의해 형성된 전하의 확산 방향을 분리시키므로 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 와이어의 길이를 증가시키면 와이어 길이 방향으로 태양광 흡수도를 증가시킬 수 있으며, 와이어 반경 방향으로 소수 캐리어의 확산거리가 짧게 된다. 따라서 태양광 흡수에 의해 발생된 정공과 전자가 접합부에서 재결합(Recombination) 되는 것을 최소화할 수 있기 때문에 효율 향상에 기여하게 된다.
단계 S2에서 상기 실리콘 기판 위에 산화막을 증착한다. 상기 산화막의 증착은 튜브 로 장비를 사용하여 산소 또는 수증기의 진행 방향과 평행한 방향으로 상기 실리콘 와이어를 배치하여 수행될 수 있다.
단계 S3에서 상기 산화막 위로 돌출된 상기 실리콘 와이어에 불순물을 도핑하거나 반대 극성의 물질을 증착하여 코어-쉘 형태의 p-n 접합구조를 형성한다.
단계 S4에서 상기 산화막을 에칭하여 상기 p-n 접합구조와 상기 산화막 사이에 간극을 형성한다.
단계 S5에서 상기 실리콘 와이어 어레이 위에 경화성 물질을 도포하고 경화시켜 상기 실리콘 기판 위에 플렉서블 기판을 형성하되, 상기 p-n 접합구조 중 상기 쉘 부분만 노출되도록 한다.
단계 S6에서 상기 플렉서블 기판 하부의 산화물을 제거하여 상기 플렉서블 기판 하부 쪽으로 상기 실리콘 와이어가 노출되도록 한다.
단계 S7에서 상기 실리콘 기판으로부터 상기 실리콘 와이어를 분리함으로써 상기 실리콘 와이어가 상기 플렉서블 기판을 관통하며 양쪽으로 돌출되도록 한다. 상술한 단계들을 포함함으로써 광전변환 소자가 제조될 수 있다.
도 3은 전기화학적 에칭 공정을 위한 사전 패터닝 공정에 대한 일 실시예를 나타낸 공정 흐름도이다. 도 3의 (a) 내지 (h)를 참조하면, 사전 패터닝 공정은 일반적인 포토리소그래피(PR coating, baking, developing), 산화막 증착(Thermal oxidation), 이방성 산화막 드라이 에칭(ICP etching), 이방성 실리콘 KOH 에칭, 산화막 제거, 및 웨이퍼 백사이드 전극(Al, Ti/Au, Ag, Pt) 증착의 순으로 이루어질 수 있다.
실제 실험예에서, 실리콘 와이어 어레이를 형성하기 위하여 사용된 실리콘 웨이퍼는 p형 (100) 결정 방향을 가지고 있으며, 저항은 10~15ohm cm 였다. p형 (100) 실리콘 웨이퍼 상에 SiO2 산화막을 두께 300nm로 증착하였고, 포지티브(Positive)의 AZ 1512를 포토레지스트로 사용하였으며, 포토마스크 디자인으로서 도 3(i)처럼 2x2um, 피치 4um인 격자 패턴을 사용하여 패터닝하였다. ICP 에칭 및 KOH 에칭을 거쳐 p형 (100) 실리콘 웨이퍼 위에 에칭 구멍(etch pit)를 형성하였다. 실리콘 웨이퍼의 뒷면은 전자빔 증발 또는 스퍼터링 방식으로 증착하여 전처리 샘플을 제조하였다. 도 4는 45w% KOH 용액을 사용하여 80℃에서 4분 동안 에칭하여 얻어진 에칭 구멍의 SEM 이미지이다.
상기 전처리 샘플을 이용하여 전기화학적 에칭 공정을 진행한다. 도 5는 전기화학적 에칭을 하기 위한 시스템의 대략적인 구조도이다. 도 5를 참조하면, 상기 전처리 샘플을 테프론으로 제작된 배스(Bath) 내부에 불산(HF)이 포함되어 있는 전해질(49% HF(Hydrofluoric acid) : DMSO(dimethyl sulfoxide) : DI(Deionized water) = 2 : 5 : 15)과 함께 넣는다. 특히 DMSO의 비율에 따라 기공 형성 또는 와이어 형성을 조절할 수 있다. 또한 전해질의 일정한 온도 유지 및 조절을 위하여 온도 콘트롤러(controller)를 사용할 수 있다. 이때 사용 중인 샘플 웨이퍼의 뒷면은 전해질에 노출되지 않도록 하고, 에칭 구멍(etch pit)이 있는 부분만 전해질에 노출시킨다. 그리고 전해질 속에는 백금(Pt) 와이어를 보조 전극(Counter electrode)과 기준 전극(Reference electrode)으로 사용하고, 웨이퍼 뒷면에는 구리-크롬 합금 재질의 작업전극(Working electrode)와 센서전극(Sensor electrode)이 사용된다. 특히 보조 전극을 로드(rod) 형태 대신 루프 링(looped ring) 형태로 사용할 수 있다. 이 경우, 대면적에 균일한 전기장을 인가하여 실리콘 와이어 제작의 균일도 또는 재현성을 향상시킬 수 있다. 이 시스템에서 순방향 바이어스(Forward bias)를 인가하여 전기화학적 에칭 공정을 진행한다. 일반적으로 단위 면적당 일정한 전류를 인가하는 갈바노스태틱(Galvanostatic) 또는 일정한 전압을 인가하는 포텐티오스테틱(Potentiostatic)을 사용할 수 있다. 전기화학적 에칭의 변수로는 인가되는 전류 밀도, 전해질의 용액 농도, 용액의 온도, 사용되는 웨이퍼의 저항, 그리고 에칭 시간 등이 있으며, 각 변수에 따라 여러 가지 형태의 실리콘 기공 또는 와이어를 만들 수 있다.
전기화학적 에칭 공정은 일반적으로 전류 밀도와 전압 그래프를 보면, 낮은 전류 밀도의 안정적인 기공 형성 영역(Stable pore formation region), 임계 전류 밀도(Critical current density) 보다 높은 전기화학적 연마 영역(Electrochemical polishing region), 그리고 두 영역 사이의 와이어 형성 전이 영역(Wire formation transition region)으로 나누어질 수 있다.
도 6은 전처리 샘플에 대해 갈바노스태틱을 사용하여 임계 전류 밀도(Jps) 값의 30~60%에 해당하는 전류 밀도 인가와 25~60분 동안의 에칭을 통해 얻어진 실리콘 와이어 어레이의 SEM 이미지이다. 도 6을 참조하면, 종횡비(Aspect ratio=height/diameter)가 15인 고 종횡비의 실리콘 와이어 어레이가 제작되었다.
도 7은 전기화학적 에칭으로 제작된 실리콘 와이어 어레이를 플렉서블 기판에 이송하는 공정을 나타낸다. 도 7(a)는 전기화학적 에칭에 의해 만들어진 실리콘 와이어이며, 산화막 증착 전 알루미늄 등과 같은 백사이드(Back side) 전극은 에칭액에 의해 제거되었다.
도 7(b)에서, 산화막이 p형 실리콘 기판 위에 증착된다. 산화막 증착 방법으로는 습식 열산화(Wet thermal oxidation) 증착과 건식 열 산화(Dry thermal oxidation) 증착이 있으며, 산화막 증착 두께를 고려하여 두 방법 중에서 선택할 수 있다. 예를 들어, 건식 열 산화법은 일반적으로 얇은 산화막에 사용되며, 습식 열 산화법은 보통 300nm 이상부터 최대 1um까지 가능하다. 일반적으로 튜브 로(tube furnace) 장비를 사용하여 산화막을 증착하기 때문에 산소 또는 수증기의 진행(Flow) 방향과 평행한 방향으로 실리콘 와이어를 배치한 후 증착을 해야 도 7(b)와 같이 실리콘 와이어 아래 부분에만 산화막이 증착될 수 있다. 만약 수직하게 배치하게 되면 실리콘 와이어 자체의 전체로 산화막이 증착될 수 있다.
도 8은 실리콘 와이어 바닥부분에 산화막을 증착하고 실리콘 와이어 측면부분의 산화막을 제거하는 과정을 나타낸 SEM 이미지이다. 도 8(b)에서, 도 8(a)의 실리콘 와이어가 형성된 기판을 건식 열산화방법으로 1050℃, 1시간 30분 동안 산소(O2) 유속 5sccm으로 실시하여 실리콘 와이어 바닥 부분에 산화막을 증착하였다. 이때 실리콘 바닥 부분에서만 산화막이 증착되지 않고 실리콘 와이어 자체의 측면에도 증착될 가능성이 있지만 바닥 부분의 산화막 두께와 와이어 자체 측면의 산화막 두께 차이가 상당히 발생한다. 도 8(c)에서, BOE(Buffered oxide etch)을 사용하여 짧은 시간 동안의 에칭을 함으로써 와이어 자체의 산화막을 완전히 제거할 수 있으며, 바닥 부분의 산화막은 잔존하게 된다. 산화막의 질(Quarty)에 따라 다르지만 일반적으로 BOE의 에칭 속도는 100nm/min 정도이다.
도 7(c)는 실리콘 와이어 바닥 부분에 산화막을 증착한 후 SOD 또는 POCl3를 사용하여 n-type의 불순물인 포스포러스(phosphorus)를 도핑한 것이다. 이때 산화막 위 부분에만 도핑이 되어 코어-쉘(core-shell) 형태의 방사형 p-n 접합이 이루어진다. 다르게는 도핑 방법이 아닌 다양한 종류의 n형 특성을 나타내는 물질, 예를 들어 n형 비정질 실리콘 (a-Si:H), n형 비정질 실리콘을 급속 열처리(RTP)와 같은 열처리를 통해 결정화된 실리콘, n-type 아연산화물 (ZnO), 및 알루미늄 (Al)이 첨가된 Al-doped ZnO (AZO) 등을 ALD (Atomic layer deposition), CVD (Chemical vapor deposition) 등의 장비를 사용하여 와이어 표면에 수직하게 박막을 증착하여 p-type 실리콘 와이어와 증착막끼리 방사형 p-n 접합을 이루게 할 수도 있다.
도 7(d)에서, BOE를 사용하여 산화막을 ~100nm 이하로 더 제거한다. 이렇게 함으로써 p-n접합 영역과 산화막 간의 약간의 간극이 존재하게 된다.
도 7(e)는 도 7(d)의 실리콘 와이어 위에 폴리디메틸실록산(PDMS)을 드롭 캐스팅 또는 스핀 캐스팅 방법으로 도포한 것이다. 예로써 PDMS는 다우 코닝사의 Sylgard 184를 사용하고 경화제를 10:1 무게 비(Weight ratio)로 교반하면서 혼합한다. 이것을 도 7(d)까지 완성된 샘플에 적당량을 적하한 후 적당한 회전수로 회전시켜서 PDMS를 도포한다. 회전수에 따라 PDMS의 코팅 두께를 조절할 수 있으며, 회전수를 증가시키면 두께가 낮아진다. 하지만 두께를 낮추는데 한계가 있다. 따라서 와이어 길이에 따라 회전수 하나만으로 조절이 가능한 경우도 있지만 그렇지 않은 경우도 있다. PDMS 두께를 조절하는 다른 방법은 혼합된 PDMS에 헥산(Hexane)과 같은 희석제를 무게비로 적당히 혼합하는 것이다. 희석제를 넣어 회전수를 변화시키면 희석제가 없는 경우보다 더 낮은 두께까지 조절이 가능하다.
도 7(d)에서 상술한 간극의 존재로 이후 태양전지를 제작할 때 p형 영역에 양극을 n형 영역에 음극을 연결할 수 있다. 왜냐하면 PDMS가 p형 영역과 n형 영역을 격리시켜 주기 때문이다.
도 9는 혼합한 희석제의 양에 따라 두께를 조절하며 실리콘 와이어 사이사이에 PDMS를 채운 SEM 이미지이다. 도 9는 도 7의 공정 흐름도에서 개시된 기술과 달리 산화막 증착단계를 생략하고 실리콘 와이어 상에 PDMS를 스핀 코팅하여 PDMS가 잘 도포되는지를 확인하기 위한 것이다. 회전수는 6000rpm/120초이고, 경화는 115℃에서 20분간 진행하였다. 이때 희석제로 사용한 헥산은 도포 후 또는 경화 시 모두 증발하게 된다. PDMS 상부에 위치한 와이어에 미량의 잔존하는 PDMS가 있을 경우 KOH 45w%, 60℃, 30sec 이하 또는 황산 18.0mol/L로 적당한 시간 에칭하면 제거가 가능하다.
도 7(f)에서, BOE를 사용하여 증착된 산화막을 모두 제거하게 되면 바닥 부분에 실리콘 와이어 직경이 작아진다(도 8(c) 참조). 따라서 도 7(f)의 샘플에서, 실리콘 기판으로부터 약한 힘으로도 쉽게 PDMS를 분리시킬 수 있다.
그 결과, 도 7(g)와 같이 방사형으로 p-n 접합이 이루어진 실리콘 와이어가 양쪽으로 돌출된 PDMS 필름을 제작할 수 있다.
상술한 제조방법에 따르면, 기존의 평면(Planar) p-n 접합(junction) 방식이 아닌 방사형(Radial) p-n 접합(junction) 방식의 태양전지(Solar cell)를 구현 할 수 있다. 방사형 p-n 접합이된 고종횡비의 실리콘 와이어 어레이를 제작할 수 있으며 이를 플렉서블 기판에 이송함으로써 플렉서블 광전변환 소자에 사용할 수 있다. 특히 플렉서블 기판 면 양쪽으로 p-n 접합구조의 나노와이어가 돌출됨으로써 p형과 n형 부분 각각에 태양전지나 다이오드 물질을 증착하여 플렉서블 융복합 소자를 구현할 수 있다. 상술한 제조방법으로 태양전지를 제조할 경우, 저 순도(Low-purity)의 실리콘 사용, 한 장의 실리콘 웨이퍼에 여러 번의 실리콘 와이어 제작, 그리고 가격이 저렴한 플렉서블 기판의 사용이 가능해 태양전지의 효율의 저하없이 가격을 낮출 수 있어 종래의 평면형 p-n 접합 실리콘 태양전지에 비해 효율 대비 가격이 싸다.
상술한 제조방법에 따르면, 수직적으로 집적화된 와이어 전계 효과 트랜지스터(Vertically integrated wire field effect transistors), 바이오 화학적 센서(Bio-chemical sensors), 광전소자(Photovoltaic devices), 열전소자(Thermoelectric devices), 리튬 전지(Lithium battery) 등에 큰 잠재력을 가지고 있는 고 종횡비의 수직적으로 정렬된 실리콘 나노 또는 마이크로 와이어를 제작할 수 있으며, 이 제작된 와이어를 투명 고분자(Transparent polymer)에 잘 정렬되고 기판에 수직하게 이송(Transfer)하여 고분자의 유연성(Flexibility)와 단결정의 빛 흡수재의 이점이 결합된 복합재료(Composite material)를 형성할 수 있다.
이상에서 개시된 기술의 실시예들에 대해 상세히 기술하였지만, 해당 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 개시된 기술의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 개시된 기술을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 플렉서블 기판;
    상기 플렉서블 기판을 실질적으로 수직으로 관통하면서 상기 플렉서블 기판의 상면 및 하면 밖으로 돌출된 실리콘 와이어 어레이;
    상기 실리콘 와이어 어레이의 상기 상면 밖으로 돌출된 영역을 덮는 상부전극; 및
    상기 실리콘 와이어 어레이의 상기 하면 밖으로 돌출된 영역을 덮는 하부전극을 구비하며,
    상기 실리콘 와이어 어레이에 포함된 각각의 실리콘 와이어는 코어-쉘 형태의 p-n 접합구조를 가짐으로써 광을 전기로 변환하는 것인 광전변환 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 실리콘 와이어는 p형 또는 n형이고, 상기 실리콘 와이어의 적어도 일부분이 반대 극성의 물질로 덮거나 도핑하여 코어-쉘 형태의 상기 p-n 접합구조를 가지며, 상기 플렉서블 기판을 중심으로 상기 실리콘 와이어가 상기 쉘로 덮인 부분과 상기 코어가 노출된 부분으로 나뉨으로써, p형 영역과 n형 영역이 격리되는 광전변환 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판은 경화성 물질로 제조되는 광전변환 소자.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 p형 영역 및 상기 n형 영역 중 적어도 하나에 투명 전극이 정각(conformal) 형태로 배치된 광전변환 소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 실리콘 와이어 어레이는 주기적이고 규칙적인 배열을 갖는 광전변환 소자.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판의 한쪽 면에는 태양전지가 형성되고 다른 쪽 면에는 발광다이오드가 형성된 광전변환 소자.
  7. 실리콘 기판 위에 실리콘 와이어 어레이를 형성하는 단계;
    상기 실리콘 기판 위에 산화막을 증착하는 단계;
    상기 산화막 위로 돌출된 상기 실리콘 와이어에 불순물을 도핑하거나 반대 극성의 물질을 증착하여 코어-쉘 형태의 p-n 접합구조를 형성하는 단계;
    상기 산화막을 에칭하여 상기 p-n 접합구조와 상기 산화막 사이에 간극을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 와이어 어레이 위에 경화성 물질을 도포하고 경화시켜 상기 실리콘 기판 위에 플렉서블 기판을 형성하되, 상기 p-n 접합구조 중 상기 쉘 부분만 노출되도록 하는 단계;
    상기 플렉서블 기판 하부의 산화물을 제거하여 상기 플렉서블 기판 하부 쪽으로 상기 실리콘 와이어가 노출되도록 하는 단계; 및
    상기 실리콘 기판으로부터 상기 실리콘 와이어를 분리함으로써 상기 실리콘 와이어가 상기 플렉서블 기판을 관통하며 양쪽으로 돌출되도록 하는 단계를 포함하는 광전변환 소자의 제조방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 실리콘 와이어 어레이의 형성은 전기화학적 에칭에 의해 수행되는 광전변환 소자의 제조방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 전기화학적 에칭 단계 이전에 사전 패터닝을 수행하여 상기 실리콘 와이어 어레이가 주기적 구조를 갖도록 하는 광전변환 소자의 제조방법.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 산화막의 증착은 튜브 로 장비를 사용하여 산소 또는 수증기의 진행 방향과 평행한 방향으로 상기 실리콘 와이어를 배치하여 수행되는 광전변환 소자의 제조방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 전기화학적 에칭 단계에서 보조 전극을 루프 링 형태로 사용하는 광전변환 소자의 제조방법.
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