KR20110019550A - 광기전 소자 및 그 제작 방법 - Google Patents

광기전 소자 및 그 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 광기전 소자 제작 방법은, 기판 상에 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계; 나노와이어 용액을 상기 기판 상에 도포하는 단계; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 복수의 나노와이어가 배열되도록 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 교류 신호를 인가하는 단계를 포함한다.

Description

광기전 소자 및 그 제작 방법{A photovoltaic device and a method for producing the photovoltaic device}
본 발명은 나노와이어를 이용한 광기전 소자 및 그 제작 방법에 관한 것이다. 광기전 소자는 태양 전지 등에 이용될 수 있다.
나노와이어는 단면의 지름이 나노스케일인 극미세선이다. 나노와이어는 레이저, 트랜지스터, 메모리, 화학감지용 센서 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 나노와이어에 사용되는 소재는 반도체 실리콘, 주석산화물, 갈륨질화물, 알루미늄과 같은 금속 등이 있다.
최근 광기전 소자에 대한 연구 동향에서, 기존의 반도체 제조 공정을 그대로 이용할 수 있다는 장점 때문에 실리콘을 이용한 광기전 소자의 연구가 활발히 진행중이다. 특히 기존의 실리콘 태양 전지의 경우 효율을 올리는데 어려움이 있어 나노와이어를 이용한 태양전지에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.
본 발명의 실시예들은 전극 사이의 나노와이어 밀도를 높임으로 인해, 광기전 효율이 개선된 광기전 소자 및 광기전 소자 제작 방법을 제공한다.
또한 전극을 수광면을 기준으로 나노와이어 아래 배치시켜 수광 효율이 개선된 광기전 소자 및 광기전 소자 제작 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광기전 소자 제작 방법은, 기판 상에 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계; 복수의 나노와이어를 포함하는 나노와이어 용액을 상기 기판 상에 도포하는 단계; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 복수의 나노와이어가 배열되도록 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 교류 신호를 인가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기판 상에 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계는, 포토리소그래피(photolithography)를 이용하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 형성할 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 수광면을 기준으로 상기 복수의 나노와이어 아래 배치된다. 이러한 구성에 의하여, 광기전 소자의 입사광에 대한 반사율을 감소시켜, 광기전 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 복수의 나노와이어는 PN 접합 실리콘 나노와이어 또는 PIN 구조의 실리콘 나노와이어일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광기전 소자 제작 방법은, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배열되는 나노와이어의 개수를 조절하기 위하여, 상기 교류 신호의 주파수 및 전압을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 교류 신호는, 주파수가 적어도 1MHz이고, 적어도 15V의 전압을 갖는 교류 신호일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광기전 소자 제작 방법은, 상기 교류 신호를 인가하는 단계 이후에, 상기 나노와이어 용액의 액체 성분을 증발시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 나노와이어 용액에 포함된 복수의 나노와이어들은 상호 척력이 작용하는 물질이 그 표면에 증착되어, 상기 나노와이어 용액에 나노와어들이 잘 분산되도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광기전 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 제1 전극 및 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배열된 복수의 나노와이어를 포함하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 수광면을 기준으로 상기 복수의 나노와이어 아래 배치된다. 상기 복수의 나노와이어는 PN 접합 실리콘 나노와이어 또는 PIN 구조의 실리콘 나노와이어일 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 전극 사이의 나노와이어 밀도를 증가시켜, 나노와이어를 전극 사이에 하나만 배치하는 구조에 비하여 광기전 효율을 현저하게 증가시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 전극을 수광면을 기준으로 나노와이어 아래 배 치시켜, 금속 성분의 전극으로 인해 입사광이 반사되는 비율을 감소시킬 수 있고, 이로 인해 광기전 소자에서 발생되는 전력을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 하기의 설명 및 첨부된 도면은 본 발명에 따른 동작을 이해하기 위한 것이며, 본 기술 분야의 통상의 기술자가 용이하게 구현할 수 있는 부분은 생략될 수 있다.
또한 본 명세서 및 도면은 본 발명을 제한하기 위한 목적으로 제공된 것은 아니고, 본 발명의 범위는 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다. 본 명세서에서 사용된 용어들은 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전 소자 제작 방법을 나타낸 흐름도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전 소자 제작 방법은 상향식으로 광기전 소자를 제작한다.
우선, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(210)에 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)을 형성한다. 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)은 도전성이 높은 금속으로서, 구리, 백금 등의 금속이 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)을 형성하는 물질로 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 전극(220) 및 제2 전극(230) 포토리소그래피(photolithography)를 이용해서 형성될 수 있다. 본 실시예는 포토리소그래피 를 이용하여 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)을 형성함으로써, 전자광 식각(electron beam lithography)을 이용하는 경우에 비하여 제작비용이 절감되고, 광기전 소자의 수율이 높아짐으로써 생산성을 증대시킬 수 있다.
다음으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)이 형성된 기판(210) 상에 나노와이어(240) 용액을 도포한다. 나노와이어(240)는 용액에 분산되어 있을 수 있고, 나노와이어(240)가 분산된 용액을 기판(210) 상에 도포하면 나노와이어(240)는 도 3에 도시된 바와 같이 용액에 분산된 상태로 기판(210) 상에 분산된다. 나노와이어(240)는 PN 구조 또는 PIN 구조를 포함하는 나노와이어일 수 있다. 또한 나노와이어(240)는 실리콘 나노와이어일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 나노와이어(240) 표면에 상호 척력이 작용하는 물질로 증착하는 방법 등을 이용하여, 나노와이어 용액에 나노와이어가(240) 잘 분산되도록 할 수 있다.
나노와이어(240) 용액을 기판(210)에 도포한 후에, 도 4에 도시된 바와 같이, 유전영동법을 이용하여 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이에 나노와이어(240)를 배열시키기 위하여, 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이에 교류 신호를 인가한다(S106). 이를 위해 교류 신호 발생기(250)를 이용하여 제1 전극(220)과 제2 전극(230)에 교류 신호를 인가할 수 있다. 제1 전극(220)과 제2 전극에 교류 신호가 인가되면, PN 접합 실리콘 나노와이어 또는 PIN 구조의 실리콘 나노와이어는 상기 교류 신호에 의하여 형성된 전기장에 의하여, 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이에 도 4에 도시된 바와 같이, 배열된다. 본 발명의 일 실시예는 유전영동법을 이용하여 나노와이어(240)를 제1 전극(220) 및 제2 전극(230) 사이에 배치함에 의하여, 상향식 방법을 이용하여 광기전 소자를 제작하는 공정을 간소화할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이에 전기적 통로를 제공하는 나노와이어(240)와 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)은 광기전 소자로 동작한다. 도 4에서는 A 영역이 광기전 소자로 동작하게 된다. 나노와이어(240)는 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이에 전기적 통로를 제공해야하기 때문에, 제1 전극(220)과 제2 전극(230)의 간격(W)은 나노와이어(240)의 길이보다 짧게 설정되고, 나노와이어(240)는 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이의 간격(W)보다 길게 선택되어야 한다.
본 발명의 실시예들은 상향식으로 나노와이어를 이용한 광기전 소자를 제작하며, 나노와이어(240)를 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)보다 상위 층에 배치한다. 따라서 입사광이 들어오는 방향에서 바라봤을 때, 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)이 나노와이어(240)보다 아래 위치하고, 나노와이어(240)와 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)의 접합은 나노와이어(240)를 기준으로 수광면의 반대편에 위치한다. 일반적으로 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)은 금속으로 형성되는데, 금속은 입사광에 대한 반사율이 높아 광기전 소자의 광기전 효율을 감소시킬 수 있다. 본 발명의 실시예들은 전극들을 나노와이어(240)보다 아래 층에 배치하고, 많은 수의 나노와이어(240)로 전극들을 덮음으로써, 입사광의 반사율을 현저하게 감소시킬 수 있다. 또한 수광면에 많은 수의 나노와이어(240)가 배치되어, 광기전 효과로 인해 발생되는 전류가 증가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)에 배치되는 나노와이어(240)의 수를 늘리기 위하여, 나노와이어(240) 농도가 높은 나노와이어(240) 용액을 사용하거나, 나노와이어(240)를 기판(210)에 도포하는 횟수를 증가시킬 수 있다. 또한 유전영동법을 이용하여 제1 전극(220) 및 제2 전극(230) 사이에 나노와이어(240)를 배치시킬 때, 예를 들면, 적어도 1MHz의 주파수를 갖고, 적어도 15V 정도의 전압을 갖는 교류 신호를 인가할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 복수의 나노와이어를 제1 전극(220) 및 제2 전극(230) 사이에 배열시키기 위하여 1MHz 이상에서 인가되는 상기 교류 신호의 주파수를 조절하고, 15V 이상에서 인가되는 상기 교류 신호의 전압을 조절할 수 있다. 교류 신호의 주파수와 전압은 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이에 배치될 나노와이어(240)의 개수를 조절하기 위하여 그 크기가 조절될 수 있다.
유전영동법을 이용하여 나노와이어(240)의 배치가 완료되면, 나노와이어 용액의 액체 성분을 증발시켜, 나노와이어(240)를 제1 전극(220), 제2 전극(230), 및 기판 상에 고정시킨다(S108).
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 나노와이어를 이용한 광기전 소자를 주서전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 광기전 소자에는 전극들(220, 230)이 기판 상에 배치되고, 나노와이어들(240)이 전극들(220, 230) 사이에 나란하게 배열되어 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발 명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 특허청구범위에 의해 청구된 발명 및 청구된 발명과 균등한 발명들은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전 소자 제작 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전 소자를 제작하는 과정 및 본 발명의 일 실시예에 따른 광기전 소자의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 나노와이어를 이용한 광기전 소자를 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.

Claims (10)

  1. 기판 상에 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계;
    복수의 나노와이어를 포함하는 나노와이어 용액을 상기 기판 상에 도포하는 단계; 및
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 복수의 나노와이어가 배열되도록 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 교류 신호를 인가하는 단계를 포함하는 광기전 소자 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판 상에 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계는, 포토리소그래피(photolithography)를 이용하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 형성하는, 광기전 소자 제작 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 수광면을 기준으로 상기 복수의 나노와이어 아래 배치되는, 광기전 소자 제작 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 나노와이어는 PN 접합 실리콘 나노와이어 또는 PIN 구조의 실리콘 나노와이어인, 광기전 소자 제작 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 교류 신호는, 주파수가 적어도 1MHz이고, 적어도 15V 의 전압을 갖는 교류 신호인, 광기전 소자 제작 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 교류 신호를 인가하는 단계 이후에, 상기 나노와이어 용액의 액체 성분을 증발시키는 단계를 더 포함하는, 광기전 소자 제작 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배열되는 나노와이어의 개수를 조절하기 위하여, 상기 교류 신호의 주파수 및 전압을 조절하는 단계를 더 포함하는, 광기전 소자 제작 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어 용액에 포함된 복수의 나노와이어들은 상호 척력이 작용하는 물질이 그 표면에 증착된, 광기전 소자 제작 방법.
  9. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 제1 전극 및 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배열된 복수의 나노와이어를 포함하고,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 수광면을 기준으로 상기 복수의 나노와이어 아래 배치되는, 광기전 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 나노와이어는 PN 접합 실리콘 나노와이어 또는 PIN 구조의 실리콘 나노와이어인, 광기전 소자.
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