KR102654436B1 - 흑색 광기전 디바이스 - Google Patents

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Abstract

광기전 디바이스 (1) 로서,
- 전기 전도성 전면 접촉층(5);
- 전기 전도성 후면 접촉층 (13) 으로서, 상기 후면 접촉층 (13) 은 상기 전면 접촉층 (5) 보다 입사광의 소스로부터 더 멀리 위치되도록 의도된, 상기 전기 전도성 후면 접촉층 (13);
- P형 도핑된 반도체 층 (7; 11) 과 N형 도핑된 반도체 층 (11; 7) 사이에 개재하는 실질적으로 비정질인 진성 실리콘 층 (9) 을 포함하는 반도체 기반 PIN 접합 (7, 9, 11) 을 포함하고,
상기 후면 접촉층 (13) 에 가장 가깝게 위치한 상기 PIN 접합의 층 (11) 은 적어도 2 mol% 의 게르마늄을 포함하는 실리콘-게르마늄 합금 층인 것을 특징으로 하는 광기전 디바이스 (1).

Description

흑색 광기전 디바이스
본 발명은 예를 들어 전자 시계 또는 계산기와 같은 전자 디바이스에 전력을 공급하거나 대규모 태양광 발전을 위한 광기전 (PV) 디바이스의 기술 분야에 관한 것이다.
박막 비정질 실리콘을 기반으로 하는 일반적인 태양 전지는 약 650 nm 보다 긴 파장의 빛을 반사하기 때문에 붉은색/가지색을 나타낸다. 이것은 종종 미학적으로 불쾌한 것으로 인식되어 특히 실내 조명 조건(LED, 튜브 램프, 백열 전구 등)에서 탁월한 효율과 개방 회로 전압에도 불구하고 특정 애플리케이션에 바람직하지 않다.
전기 또는 전자 시계의 특정의 경우에, 전통적인 바늘 또는 디지털 디스플레이를 포함하는지에 관계없이, 시간 디스플레이의 가독성을 극대화하기 위해, 진한 흑색 다이얼이 바람직하다. 전기 또는 전자 시계의 경우에, 기존 박막 태양 전지가 다이얼에 통합되어 시계에 전력을 공급하고 배터리를 재충전할 수 있지만, 전지의 붉은색/가지색은 일반적으로 바람직하지 않아, 그러한 시계의 시장 침투를 제한한다. 결정질 실리콘 태양 전지들 (다결정, 단결정, 미세결정 등) 은 비정질 실리콘 전지보다 색상이 더 어둡지만, 그들의 흡수 스펙트럼으로 인해 실내 조명 조건에서 효율이 떨어지고, 따라서 시계와 같은 실내 응용 분야에는 덜 적합하다.
이 문제에 대한 일반적인 해결책은 예를 들어 기존의 흑색 래커로 그것을 코팅하거나 태양 전지 위에 위치한 반투명 다이얼에 의해 비정질 태양 전지를 적어도 부분적으로 숨기는 것이다. 이 후자의 경우와 관련하여, 문서 JP2000131463 및 JP2002148360은 태양 전지의 전면에 위치한 전면 다이얼 플레이트가 그 다이얼 플레이트에 의해 숨겨진 태양 전지에 도달하는 소량의 빛을 허용하는, 예를 들어 인덱스 역할을 하는 개구부를 포함하는 배열을 개시한다. 이것은 다이얼의 벌크 (bulk) 가 전통적으로 마무리되고 시계 제작자의 필요에 따라 착색되는 것을 가능하게 하지만, 아래에 놓인 태양 전지에 도달하는 빛의 양을 심각하게 제한한다. 결과적으로, 전력 생산이 낮으며, 이것은 이러한 배열의 적용가능성을 매우 낮은 전력 소비 시계로 제한한다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 종래 기술의 단점을 적어도 부분적으로 극복하는 것이다.
더욱 구체적으로, 본 발명은 광기전 디바이스에 관한 것이고, 그 광기전 디바이스는:
- 예를 들어 투명 전도성 산화물 등을 포함하는 전기 전도성 전면 접촉층;
- 예를 들어 금속층, 투명 전도성 산화물 등을 포함하는 전기 전도성 후면 접촉층으로서, 상기 후면 접촉층은 상기 전면 접촉층보다 입사광원으로부터 더 멀리 위치되어 디바이스에 "전면” 및 “후면” 측들을 정의하는, 상기 전기 전도성 후면 접촉층;
- P형 반도체 층과 N형 반도체 층 사이에 개재된 실질적으로 비정질인 진성 실리콘 층(수소화된 a-Si:H 또는 비수소화된 a-Si일 수 있음)을 포함하는 반도체 기반 PIN 접합을 포함한다. PIN 접합은 디바이스의 전면에 대해 가장 가까이에 P형 또는 N형 층을 갖는, 어느 하나의 배향으로 배열될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 후면 접촉층에 가장 가깝게 위치한 상기 PIN 접합의 층(즉, 이들 3개의 층들 중, 후면 접촉에 가장 가까운 층)은 적어도 2 mol%의 게르마늄을 포함하는 실리콘-게르마늄 합금 층이다.
Si-Ge 합금은 적색 파장 범위, 즉 비정질 실리콘 기반 디바이스에서 일반적으로 투과되는 파장 범위에서 가시광선을 특히 강하게 흡수한다. 이것은 PV 디바이스에 대해 짙은 흑색을 야기하여, 비정질 실리콘 PV 디바이스가 갖는 일반적인 빨간색, 가지색 또는 보라색 색상을 보상하여, 고품질 미학을 유지하기 위해 부분적으로 숨겨질 필요 없이, 시계(예를 들어, 다이얼로 사용되거나, 시계의 베젤 또는 다른 가시적 부분에 통합될 때), 계산기, 스마트폰 및 기타 휴대용 전자 디바이스에 통합될 때 그것을 눈에 띄지 않는 사용을 위해 특히 유용하게 한다. 비정질 전지는 (LED, 형광등 등으로부터의) 일반적인 실내 조명에 노출될 때 결정질 전지보다 더 효율적이고 개방 회로 전압이 더 높기 때문에, 이것은 흑색 광기전 디바이스에서 생성되는 전력량을 종래 기술의 결정질 전지 솔루션과 비교하여 크게 증가시키는 것을 허용한다.
유리하게는, 상기 실리콘-게르마늄 합금은 적어도 10 몰% 게르마늄, 더욱 바람직하게는 10% 내지 25% 게르마늄, 더욱 바람직하게는 실질적으로 20% 게르마늄을 포함한다.
유리하게는, 디바이스는 정반사를 감소시키는 것을 돕기 위해 상기 전면 접촉 층의 광 입사 측에 위치된 실질적으로 투명한 반사 방지 층(예를 들어, 실리콘 산질화물 층)을 더 포함한다. 이 반사 방지 층은 다층 구조를 포함할 수 있다.
유리하게는, 상기 반사 방지 층은 상기 전면 접촉층의 굴절률보다 낮은 굴절률을 나타내어, 정반사를 감소시키는 것을 더욱 돕는다.
유리하게는, 전면 접촉 층을 향하는 실리콘-게르마늄 합금 층의 표면은 특정 거칠기를 갖는다. 이 거칠기는 스택이 후면으로부터 또는 전면으로부터 증착되는지 여부 (즉, 디바이스가 전면 기판 또는 후면 기판을 갖는지 여부) 에 따라, 예를 들어 텍스처 전면 (또는 후면) 접촉층으로부터 층 스택을 통해 전치됨으로써 형성될 수 있다. 이러한 텍스처는 이러한 계면에서 빛의 확산을 도와 반사를 줄이고 디바이스의 흑도 (blackness) 를 심화시킨다. 전면(또는 후면) 접촉층의 rms 거칠기에 대한 일반적인 값은 10-500 nm, 보다 특히 20-300 nm 범위이다.
하나의 구성에서, 디바이스는 상기 전면 접촉 층의 광 입사 측에 위치한 실질적으로 투명한 기판을 포함할 수 있으며, 이 경우 기판의 전면 상에 반사 방지 코팅을 제공하는 것이 유리하다. 이러한 반사방지 코팅이 상기 기판의 굴절률보다 낮은 굴절률을 나타내는 경우, 정반사가 최소화된다. 이 반사 방지 층은 다층 구조를 포함할 수 있다.
이러한 전면-기판 구조에서, 전면 접촉층은 유리하게는 산화아연 및/또는 산화주석을 포함할 수 있으며, 이는 증착의 결과로 텍스처링된 표면을 갖는다. 이러한 텍스처는 그 후 후속적으로 증착된 층을 통해 PV 접합의 I형 층과 실리콘-게르마늄 합금 층 사이의 계면으로 전치된다. 또한, 이러한 텍스처는 이러한 계면에서 빛의 확산을 도와 반사를 줄이고 디바이스의 흑도를 심화시킨다.
대안적인 구성에서, 디바이스는 상기 후면 접촉 층의 광 입사 측으로부터 멀어지는 방향으로 향하는 상기 후면 접촉 층의 표면 상에 직접적으로 또는 간접적으로 배열된 기판을 포함할 수 있다.
이러한 후면-기판 구성에서, 후면 접촉 층은 상기와 동일한 이유로 유리하게는 산화아연 및/또는 산화주석을 포함할 수 있다. 다시, 이것은 실리콘-게르마늄 합금 층의 전면을 향하는 표면이 텍스처링되게 하여, I형 층과의 계면에서 빛의 확산을 향상시킨다.
유리하게는, 실리콘-게르마늄 합금을 기반으로 하는 것 이외의 PIN 또는 NIP 접합의 층은 비정질 실리콘(a-Si)을 기반으로 한다. 이것은 저렴하고 잘 알려진 기술이며, a-Si 기반 층과 아래에 놓인 Si-Ge 층 사이에 시너지가 존재하며, 이는 후자는 일반적으로 a-Si에 의해 흡수되지 않는 빛의 적색 파장을 흡수하기 때문이다. 완전성을 위해, PIN 접합이 디바이스의 전면 (광 입사) 측을 향해 위치된 P형 층을 갖는 경우, P 및 I형 층들은 a-Si를 기반으로 하고 Si-Ge층은 N형이 도핑되고, 반대의 경우에, N형층은 전면을 향해 위치되며, N형과 I형 층들은 a-Si를 기반으로 하고, Si-Ge층은 P형이 도핑된다.
본 발명의 PV 디바이스는 제한 없이 광범위하게 적용될 수 있지만, 특히 유리하게는 그것은 시계에 통합되어, 예를 들어 상기 시계의 다이얼 및/또는 베젤의 적어도 일부를 형성할 수 있다.
마지막으로, 본 발명은 상기한 바와 같은 광기전 디바이스의 제조 방법에 관한 것으로, 여기서 상기 실리콘-게르마늄 층은 이 경우에 사용되는 특정 반응기 유형의 치수들 (13.56 MHz, 15 mm 전극간 거리, 45 x 55 cm 전극 표면 치수) 에 대해 다음 조건 하에 플라즈마 보조 화학 기상 증착에 의해 증착된다:
- 실란 흐름 30-50 sccm;
- 게르만 흐름 6-10 sccm;
- 수소 흐름 1200-1500 sccm;
- 포스펜 흐름 0.5-1.5 sccm(N-형 도핑의 경우) 또는 디보란 흐름 0.5-1.5 sccm(P-형 도핑의 경우);
- 압력 3.0-3.5 mbar;
- 플라즈마 전력 100-150W.
본 발명의 추가 세부사항은 다음의 도면과 관련하여 하기 설명을 읽으면 더 명확하게 나타날 것이다.
- 도 1: 전면 기판을 갖는, 본 발명에 따른 PV 디바이스의 개략적인 단면도.
- 도 2: 후면 기판을 갖는, 본 발명에 따른 추가 PV 디바이스의 개략적인 단면도.
- 도 3: 본 발명에 따른 추가 PV 디바이스의 개략 단면도;
- 도 4: 종래 전지 및 2개의 상이한 두께의 흡수층을 갖는 도 3에 따른 전지에 대한 입사광의 파장의 함수에 따른 난반사의 그래프; 및
- 도 5: 본 발명에 따른 PV 디바이스를 포함하는 시계의 개략 표현.
도 1 은 본 발명에 따른 흑색 광기전 (PV) 디바이스 (1) 의 가장 간단한 형태의 변형의 개략적인 단면을 도시한다.
PV 디바이스 (1) 는 유리, 폴리머, 사파이어 또는 알루미나와 같은 투명 세라믹, 유리-세라믹 또는 임의의 다른 편리한 재료로 만들어질 수 있는 임의의 원하는 두께의 실질적으로 투명한 기판(3)을 포함한다. 재료와 그것의 두께에 따라, 그것은 실질적으로 단단하거나 유연할 수 있으며, 평평하거나, 구부러지거나, 원하는 모양으로 형성될 수 있다. 본 문서에서 "실질적으로 투명한"은 가시광선(350-750 nm)의 적어도 95% 의 투과율을 나타내는 것으로 이해되어야 하며, 모든 굴절률은 가시광선 파장과 관련된다.
본 기술 분야에서의 관습과 같이, 디바이스(1)는 입사광을 수신하도록 의도된 디바이스(1)의 전면을 바라보는 관찰자의 관점을 나타내는 눈 기호에 의해 개략적으로 표시된 전면, 및 전면과 반대쪽에 있고 사용 시 가려지도록 의도되는 후면을 갖는다.
전면으로부터 멀어지는 방향을 향하는 기판(3)의 제1 면(3a) 상에, 실질적으로 투명한 전면 접촉부(5)가 제공된다. 이 전면 접촉부(5)는 도 1 에 도시된 바와 같이 상기 제1 면(3a) 위에 직접 위치할 수 있거나, 일반적으로 알려져 있고 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 하나 이상의 보충 층들이 기판(3)과 전면 접촉부(5) 사이에 개재된 채로, 그 위에 간접적으로 위치될 수 있다.
전면 접촉부(5)는 예를 들어 기판(3a)으로부터 멀리 향하는 전면 접촉부(5)의 표면(5a) 으로 하여금 지그재그 선으로 개략적으로 표현된 바와 같이, 복수의 피라미드 형태들을 포함하는 텍스처를 나타내게 할 화학적 기상 증착(CVD), 물리적 기상 증착 (PVD) 등에 의해 제1 표면(3a) 상에 형성된 도핑되거나 도핑되지 않은 투명한 전도성 산화물, 예를 들어 산화아연의 층일 수 있다. 이 층에 다른 특히 적합한 재료는 CVD 증착된 산화주석으로, 이것은 투명하고 산화아연의 날카롭게 정의된 피라미드 형태보다 더 둥근 표면 형태를 나타낸다. 인듐 주석 산화물 (ITO) 또는 기타 물질과 같은 다른 물질도 동등하게 사용될 수 있으며, 예를 들어 간행물 Transparent Conducting Oxides―An Up-To-Date Overview, Andreas Stadler, Materials (Basel) 2012, Apr; 5(4): 661-683 을 참조하라. 일반적인 시트 저항은 5-100 Ohm/square 의 범위이다.
이 텍스처가 의무적인 것은 아니지만, 그것은 아래에서 명백해지는 바와 같이 바람직하며, 하부 층의 표면 형태를 따를, 투명 전도성 폴리머 등과 같은, 증착 동안 본질적으로 텍스처 표면을 형성하지 않는 상이한 투명 전도성 재료를 증착한 후 별도의 단계에서 상기 표면(5a)을 텍스처링하는 것이 가능하다. 이 텍스처링은 기계적으로(예를 들어 기계가공, 그라인딩, 연마 브러시, 샌드 또는 비드 블라스팅 등에 의해), 이온 에칭, 레이저 에칭 또는 삭마에 의해, 또는 화학적 에칭에 의해 수행될 수 있다. (존재하는 경우) 텍스처가 어떻게 형성되는지는 중요하지 않지만, 이상적으로 텍스처는 20-300 nm 의 범위에서 최소 rms 거칠기 값을 가져야 하며, 그것이 형성되는 방법에 따라 확률적이거나 비확률적일 수 있다. RMS 거칠기는 표준 ASME B46.1에 설명되어 있고, 따라서 당업자에게 잘 알려져 있다.
대안적으로, 기판의 표면(3a) 자체가 텍스처링될 수 있고; 이 텍스처는 본질적으로 텍스처 표면을 형성하지 않는 재료로 만들어지더라도 텍스처 층(5)의 표면(5)으로 전사된다.
전면 접촉 층(5)이 어떻게 형성되는지와 상관없이, 그 두께는 이상적으로는 0.1 내지 5㎛ 두께, 바람직하게는 1.5 내지 2㎛ 두께이다.
전면 접촉층(5)의 상기 표면(5a) 상에 직접 또는 간접적으로. 일반적으로 알려진 바와 같이, PIN 또는 NIP 접합이 위치된다. 예를 들어, 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 층 (7) 은 P-도핑된 비정질 실리콘일 수 있고, 층 (9) 는 진성 비정질 실리콘 층(a-Si 또는 a-Si:H)이고, 층 (11) 은 N-도핑된 반도체 층이다. 반대 배열도 가능하며, 층 (7) 은 N형 비정질 실리콘 층이고 층 (11) 은 P형 반도체 층이다. 표면(5a)이 텍스처링되는 경우, 텍스처는 층들 사이의 지그재그 계면들에 의해 개략적으로 표현된 바와 같이 후속적으로 증착된 층들 전체에 걸쳐 전치된다. 의심스러운 경우, "비정질" 또는 "실질적으로 비정질" 층이 5% 미만의 라만 결정도를 갖는 것으로 파라미터화될 수 있다.
금속 또는 다른 전도성 물질(예를 들어, 투명 전도성 산화물 등)의 후면 접촉부(13)는 층(11) 상에 위치되며, 다양한 층들이 원하는 대로 패턴화되고 상호 연결되며, 일반적으로 알려져 있다.
본 발명에 따르면, 후면 접촉부(13)를 향해 가장 가깝게 위치된 PIN 또는 NIP 접합의 층(11)은 적절하게 도핑된 실리콘-게르마늄 합금을 포함하며, 여기서 게르마늄의 몰 백분율은 적어도 2%, 바람직하게는 10% 내지 30% 게르마늄, 더 바람직하게는 15% 내지 25% 게르마늄, 더 바람직하게는 실질적으로 20% 게르마늄이며, 나머지는 실질적으로 모두 실리콘 (및 그 층이 수소화된 SiGe:H인 경우 수소) 이다. 이 층은 전형적으로 10 내지 500 nm, 보다 구체적으로 30 내지 200 nm의 두께를 가지며, 전형적으로 N형 SiGe:H 에 대해 다음의 증착 파라미터들을 갖는 CVD 에 의해 증착된다:
층 유형 [SiH 4 ] 흐름
(sccm) 		[GeH 4 ] 흐름
(sccm) 		[H 2 ]
흐름
(sccm) 		[PH 3 ]
흐름
(sccm) 		압력
(mbar)
압력
(W)
층 두께 (nm)
(n) SiGe:H 30-50 6-10 1200-1500 0.5-1.5 3.0-3.5 100-150 30-200
P형 SiGe:H의 경우, 비록 포스핀 대신에 디보란이나 다른 P형 도펀트가 사용되고, 결과적으로 유량이 조정되지만, 파라미터들은 유사하다.
실리콘-게르마늄 합금은 특히 적색 파장 범위(650nm 파장 이상)에서 가시광선 파장을 특히 강하게 흡수한다. 이 파장 범위는 일반적으로 350 nm 내지 650 nm 파장 범위에서 흡수하는 기존의 박막 비정질 실리콘 PV 전지에서는 흡수되지 않는다. 또한, Si-Ge 합금은 3-4 정도의 a-Si:H와 유사한 굴절률을 가지며, 이는 일반적으로 PV 디바이스의 전면을 향해 위치한 다른 층들의 굴절률을 크게 초과한다. 그 결과, Si-Ge 층(11)은 a-Si/Si-Ge 계면에서 추가적인 반사를 추가하지 않으며, 나머지 적색광이 Si-Ge 층에 직접 진입하는 것을 가능하게 한다. 또한, 전면 텍스처는 다중 반사에 의해 흡수층으로의 빛의 재활용을 향상시켜 최대의 빛을 흡수하여, 일반적으로 적색 파장(>700nm)을 흡수하지 않고 따라서 보통 자주색/가지색/붉은색을 갖는, 비정질 실리콘인 진성층에도 불구하고 짙은 흑색 셀이 생성되는 것을 가능하게 한다. 본질적으로, 본 발명은 바람직한 진한 흑색을 제공하면서 휴대용 애플리케이션을 위한 비정질 셀의 이점(개방 회로 전압, 실내 조명 조건 하에서의 효율)을 허용한다.
PV 디바이스(1)의 이러한 변형은 각 개별 층에 적절한 임의의 적절한 프로세스 또는 프로세스들에 의해 일반적으로 알려진 바와 같이 투명 기판(3)으로부터 후면 접촉부(13)를 향해 층들의 원하는 시퀀스를 증착함으로써 형성된다. 이를 위해, 화학적 기상 증착(플라즈마 보조가 있거나 없는 CVD 등), 물리적 기상 증착(PVD, 스퍼터링 등), 스핀 코팅, 스프레이 코팅 등의 변형들이 사용된 재료들의 기능이 일반적으로 알려진 대로 적용될 수 있다.
일단 구성되면, PV 디바이스(1)는 필요하다면 캡슐화될 수 있다.
이러한 구성은 또한 종래의 수단에 의해 쉽게 취급되고 세정될 수 있는 PV 디바이스(1)의 특히 견고한 상부 표면을 제공한다.
도 2 는 전면 접촉부(5)를 향해 후면 기판(15)으로 구성된 PV 디바이스(1)의 다른 변형을 도시한다. 이 실시형태에서, 기판(15)은 투명한지 불투명한지 여부에 관계없이 임의의 편리한 재료일 수 있고, 층들은 참조 부호 13-11-9-7-5의 순서로 증착된다. 이들 층은 도 1의 실시형태에서 변경되지 않았으며, 보호 층과 같은 하나 이상의 추가 층이 전면 접촉부(5) 상에 증착될 수 있다.
이러한 구성에서, 후면 접촉부(13)는 산화아연 또는 산화주석과 같은 물질로 되어 있고, 자동적으로 그리고 증착 공정의 함수로서 전술한 바와 같은 표면 텍스처를 나타내는 것이 유리하다. 대안적으로, 후면 접촉부(13) 또는 기판(15)의 전면은 전술한 바와 같이 텍스처링될 수 있고, 금속을 포함하는 임의의 적합한 전도성 재료가 후면 접촉부(13)에 사용될 수 있다. 이러한 텍스처는 Si-Ge 층(11)의 전면 계면도 텍스처링되는 것을 보장하며, 필수는 아니지만 위에서 설명한 바와 같이 광 확산을 최대화하는 데 있어 동일한 이점을 제공한다.
도 3 은 PV 디바이스(1)의 흑도를 개선하기 위해 추가 층이 통합된 도 1 의 실시형태의 유리한 변형을 도시한다. 동일한 원리가 기판의 위치와 무관하게 적용될 수 있고 따라서 도 2 의 실시형태에 필요한 부분만 약간 수정하여 직접 적용될 수 있다. 따라서 대응하는 실시형태를 상세하게 설명할 필요가 없다.
도 3의 실시형태는 도시된 바와 같이 개별적으로 또는 조합하여 적용될 수 있는 PV 디바이스(1)의 흑도를 더욱 개선하기 위해 두 가지 전략을 적용한다.
색상을 더 진하게 하기 위한 첫 번째 조치는 의도된 시야 방향을 향하는, 즉 Si-Ge 합금 층(11)으로부터 멀어지는 방향을 향하는 기판(3)의 표면에 적용된 하나 이상의 층을 포함하는 반사 방지 코팅(17)의 존재이다. 이 반사 방지 코팅(17)은 또한 스크래치 방지 및 마모 방지 특성을 가질 수 있으며, 이러한 코팅은 그 자체로, 특히 안경 분야에서 정반사를 감소시켜 광택을 감소시키는 것으로 잘 알려져 있다. 그 예는 예를 들어 US9726786, WO2008112047, DE102015114877, US9817155 및 수많은 다른 문서에 개시되어 있다. 대안적으로, 반사 방지 코팅(11)이 사용 시에 스크래치에 노출되기 쉽고 스크래치에 대한 저항성이 불량하다면 추가적인 스크래치 방지 코팅(도시되지 않음)이 반사 방지 코팅(11) 상에 제공될 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 반사 방지 코팅 (17) 은 유리하게는 도 3 의 실시형태의 경우에 기판(3) 인 바로 아래의 층의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는다. 이는 역반사를 감시시키고, 이리하여 색상을 진하게 한다.
색상을 진하게 하기 위한 두 번째 조치는 기판(3)과 전면 접촉 층(5) 사이에 개재된 추가 반사 방지 층 (19) 이다. 이 층은 전형적으로 기판(3)과 텍스처 층(5)의 값 사이에 위치한 값을 갖는 굴절률을 가지며, 예를 들어 두께가 10 내지 200 nm, 보다 바람직하게는 70 내지 90nm인 실리콘 산질화물 층일 수 있다. 이러한 층은 또한 층의 두께를 통해 증가하는 점진적 굴절률을 나타내는 다중 층일 수 있다.
더 유리하게는, 굴절률이 전면에서 PIN 또는 NIP 접합의 I-층으로 층 스택을 통해 점진적으로 증가하면, 반사가 더 감소된다. 예를 들어 다음과 같은 굴절률 값을 사용할 수 있다:
층 가시광선에 대한 굴절률 재료 예
반사 방지 코팅 (17) 1.3 MgF2
기판 (3) 1.5 유리
반사 방지 층 (19) 1.73 실리콘 산질화물
전면 접촉부 (5) 2 산화 아연
PIN/NIP 접합의 최전방 2개 층들 4.3 a-Si
본 발명의효과는 다음과 같은 특성을 갖는 일련의 PV 디바이스(1)를 제조함으로써 실험적으로 입증되었다.
디바이스 A: 층(11)이 n형 μc-Si:H 및 SiOx:H를 포함하는 것을 제외하고 도 1의 구조를 갖는 종래 기술의 PV 전지. 층 구조는 다음과 같다:
층 재료 두께
기판 (3) 유리 0.5 mm
전면 접촉부 (5) ZnO 1.5-2.0 μm
PV 접합 층 (5) P형 a-SI:H 12 nm
진성 층 (7) I형 a-SI:H 380 nm
PV 접합 층 (11) N형 μc-Si:H + n-SiOx (16+26) nm
후면 접촉부 (13) Al/NiV 200 nm
디바이스 B: 도 1의 구조를 갖는 본 발명에 따른 PV 디바이스(1). 층 구조는 다음과 같다:
층 재료 두께
기판 (3) 유리 0.5 mm
전면 접촉부 (5) ZnO 1.5-2.0 μm
PV 접합 층 (5) P형 a-SI:H 12 nm
진성 층 (7) I형 a-SI:H 380 nm
PV 접합 층 (11) N형 SiGe:H, Si:Ge 비율 약 5:1 30 nm
후면 접촉부 (13) Al/NiV 200 nm
디바이스 C: 도 3의 구조를 갖지만 반사 방지 층 (19) 를 제외시킨, 본 발명에 따른 PV 디바이스(1). 층 구조는 다음과 같다:
층 재료 두께
반사 방지 코팅 (17) MgF2 95 nm
기판 (3) 유리 0.5 mm
전면 접촉부 (5) ZnO 1.5-2.0 μm
PV 접합 층 (5) P형 a-SI:H 12 nm
진성 층 (7) I형 a-SI:H 380 nm
PV 접합 층 (11) N형 SiGe:H, Si:Ge 비율 약 5:1 30 nm
후면 접촉부 (13) Al/NiV 200 nm
디바이스 D: 도 3의 구조를 갖지만 반사 방지 코팅 (17) 를 제외시킨, 본 발명에 따른 PV 디바이스(1). 층 구조는 다음과 같다:
층 재료 두께
기판 (3) 유리 0.5 mm
반사 방지 층 (19) SiNxOy 80 nm
전면 접촉부 (5) ZnO 1.5-2.0 μm
PV 접합 층 (5) P형 a-SI:H 12 nm
진성 층 (7) I형 a-SI:H 380 nm
PV 접합 층 (11) N형 SiGe:H, Si:Ge 비율 약 5:1 30 nm
후면 접촉부 (13) Al/NiV 200 nm
디바이스 E: 도 3의 구조를 갖는 본 발명에 따른 PV 디바이스(1). 층 구조는 다음과 같다:
층 재료 두께
반사 방지 코팅 (17) MgF2 95 nm
기판 (3) 유리 0.5 mm
반사 방지 층 (19) SiNxOy 80 nm
전면 접촉부 (5) ZnO 1.5-2.0 μm
PV 접합 층 (5) P형 a-SI:H 12 nm
진성 층 (7) I형 a-SI:H 380 nm
PV 접합 층 (11) N형 SiGe:H, Si:Ge 비율 약 5:1 30 nm
후면 접촉부 (13) Al/NiV 200 nm
각 셀의 색상 파라미터는 지각적으로 균일하고 인간의 눈 인식과 상관 관계가 있는 L*a*b* 시스템에서 측정되었다. 이 모델에서, L*은 휘도 (L*=0, 흑색에서 L*=100, 백색까지)를 나타내고, a*는 녹색-적색 스케일 (a*=-128, 녹색에서 a*=+127, 적색까지) 이고, b*는 청색-황색 스케일 (b*=-128, 청색에서 b*=+127, 황색까지) 이다. 따라서 완벽한 흑색은 L*=a*=b*=0으로 정의된다. 샘플은 반사의 정반사 성분이 포함되는 SCI 모드에서, 및 반사의 난반사 성분만 포함되는 SCE 모드에서 동시에 측정된다. 반사 방지 코팅은 반사의 정반사 성분을 줄이는 데 도움이 되므로 그 효과는 아래 보고된 SCI 모드 측정에서 볼 수 있다. 반면에, 스택 내부에서 층들을 수정하는 것은 대부분 반사의 난반사 성분에 영향을 미치며, 따라서 SCE 모드 측정에서 그 효과를 볼 수 있다. 10° 관찰자와 함께, 표준 D65 광원이 사용되었다.
얻은 색상이 얼마나 흑색인지 정량화하기 위해, “흑색도 (jetness)” 로 지칭되는 파라미터 Mc 는 다음과 같이 정의되었다:
여기서
여기서,
그리고, 여기서 L*, a*, b* 는 측정된 L*a*b* 색상 파라미터들이고, Xn, Yn 및 Zn 은 참조 백색(n=중성)의 성분들이다. Mc 계산을 위해, Xn = 94.811, Yn = 100.000 및 Zn = 107.304 가 사용되었다. X, Y 및 Z 는 L*, a* 및 b* 와 동시에 측정 동안 분광 광도계에 의해 직접 계산된다.
이 정의에서 알 수 있듯이, "흑색도” Mc 가 높을수록, 샘플이 더 검다.
수득된 결과는 다음과 같다:
SCI SCE
L* a* b* Mc L* a* b* Mc
디바이스 A 29-31 1.5-3.0 -1.5-0.0 120-125 4-12 6.0-9.0 1.5-4.5 185-190
디바이스 B 29-30 0.0-1.5 -2.0- -1.2 120-125 4-6 0.0-4.0 1.3-2.6 190-225
디바이스 C 21-22 0.5-2.0 -1.0-0.0 143-150 4-7 0.5-4.0 1.8-3.8 190-225
디바이스 D 24-26 1.0-2.5 -2.5- -0.5 133-140 4-6 0.5-4.5 2.0-3.5 190-225
디바이스 E 13-15 2.5-5.0 -1.5-2.0 165-180 4-6 0.5-4.5 2.0-4.0 190-225
이 표에서, SiGe 합금 층(11)으로 인한 색상 값의 범위는 이 층의 두께에 따라 달라지며, 이는 제어된 변동으로 인해 변한다.
장치(1)의 "흑색도"는 최후방 광기전 접합층(11)에 SiGe 합금을 사용함으로써 상당히 개선되고, 반사 방지 코팅(17) 및/또는 반사 방지층(19) 의 사용은 흑색도를 향상시킴을 분명히 알 수 있으며, 두 측정들의 조합은 SCI 데이터의 감소된 L* 값에서 볼 수 있듯이 반사의 정반사 성분을 포함할 때 특히 효과적이다.
도 4 는 층(11)이 종래의 N형 층 스택인 기준과 비교하여, 위의 디바이스 E의 구조를 갖는 디바이스(1)에서 층(11)에 대해 다양한 두께의 n-SiGe를 사용하는 것의 영향을 예시한다. 명확하게 볼 수 있듯이, 난반사율 Rdiffuse 의 차이는 약 590nm 파장 이상에서 높게 표시되고, 180nm 두께의 흡수층(11)은 30nm 두께의 층보다 더 강하게 흡수한다.
도 5 는 본 발명에 따른 2 개의 PV 디바이스들을 포함하는 시계 (21) 를 개략적으로 예시한다. 이들 중 첫 번째는 시계의 다이얼(23)의 전체 또는 일부를 형성하고 다른 하나는 베젤(25)에 통합된다. 임의의 특정 시계가 이들 PV 디바이스들 중 어느 하나를 통합할 수 있고, 예를 들어 다이얼(23)의 역할을 하는 PV 디바이스(1)의 표면에 인덱스가 제공될 수 있다는 것은 말할 필요도 없다. 또한, 본 발명의 PV 디바이스(1)를 시계 케이스, 팔찌 등에 또는 계산기, 스마트폰의 케이스, 태블릿 컴퓨터 등과 같은 다른 장치에 통합하는 것이 가능하다.
마지막으로, 유형 A의 디바이스 (1) 은 일반적으로 9mW/cm2의 전력 출력을 갖는 반면, 유형 E의 디바이스는 약 8mW/cm2의 전력 출력을 가지며, 이는 예를 들어 도입부에서 논의된 종래 기술에서와 같이 부분적으로 투명한 시계 다이얼로 PV 디바이스를 마스킹하는 것에 비해 상대적으로 작은 감소이다.
본 발명이 특정 실시형태를 참조하여 설명되었지만, 첨부된 청구범위의 범위를 벗어나지 않고 그에 대한 변형이 가능하다.

Claims (14)

  1. 광기전 디바이스 (1) 로서,
    - 전기 전도성 전면 접촉층 (5);
    - 전기 전도성 후면 접촉층 (13) 으로서, 상기 후면 접촉층 (13) 은 상기 전면 접촉층 (5) 보다 입사광의 소스로부터 더 멀리 위치되도록 의도된, 상기 전기 전도성 후면 접촉층 (13);
    - P형 도핑된 반도체 층 (7; 11) 과 N형 도핑된 반도체 층 (11; 7) 사이에 개재하는 실질적으로 비정질인 진성 실리콘 층 (9) 을 포함하는 반도체 기반 PIN 접합 (7, 9, 11) 을 포함하고,
    상기 후면 접촉층 (13) 에 가장 가깝게 위치한 상기 PIN 접합의 상기 P형 도핑된 반도체 층 (11) 또는 상기 N형 도핑된 반도체 층 (11) 은 2 mol% 내지 25 mol%의 게르마늄을 포함하는 실리콘-게르마늄 합금 층인 것을 특징으로 하는 광기전 디바이스 (1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘-게르마늄 합금은 적어도 10 몰% 게르마늄, 더욱 바람직하게는 15% 내지 25% 게르마늄, 더욱 바람직하게는 실질적으로 20% 게르마늄을 포함하는, 광기전 디바이스 (1).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전면 접촉층 (5) 의 광 입사측에 위치되는 반사 방지층 (19) 을 더 포함하는, 광기전 디바이스 (1).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 반사 방지층 (19) 은 상기 전면 접촉층 (5) 의 굴절률보다 낮은 굴절률을 나타내는, 광기전 디바이스 (1).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전면 접촉층 (5) 을 향하는 상기 실리콘-게르마늄 합금 층 (11) 의 표면은 적어도 10 nm 의 rms 거칠기를 갖는, 광기전 디바이스 (1).
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전면 접촉층 (5) 의 광 입사측에 위치되는 실질적으로 투명한 기판 (3) 을 더 포함하는, 광기전 디바이스 (1).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 실질적으로 투명한 기판의 전면 측에 배치된 반사 방지 코팅 (17) 을 더 포함하고, 상기 반사 방지 코팅 (17) 은 바람직하게는 상기 기판 (3) 의 굴절률보다 낮은 굴절률을 나타내는, 광기전 디바이스 (1).
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 전면 접촉층 (5) 은 산화아연 및/또는 산화주석을 포함하는, 광기전 디바이스 (1).
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 후면 접촉층 (13) 의 광 입사 측으로부터 떨어져 대향하는 상기 후면 접촉층 (13) 의 표면 상에 배열된 기판 (15) 을 더 포함하는, 광기전 디바이스 (1).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 후면 접촉층 (13) 은 산화아연 및/또는 산화주석을 포함하는, 광기전 디바이스 (1).
  11. 제 1 항에 있어서,
    실리콘-게르마늄 합금 (11) 을 기반으로 하는 것 이외의 PIN 접합 (7, 9) 의 층들은 비정질 실리콘을 기반으로 하는, 광기전 디바이스 (1).
  12. 제 1 항에 따른 광기전 디바이스 (1) 를 포함하는 시계 (21).
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 광기전 디바이스 (1) 는 상기 시계 (21) 에 포함된 다이얼 (23) 또는 베젤 (25) 의 적어도 일부를 형성하는, 시계 (21).
  14. 제 1 항에 따른 광기전 디바이스 (1) 를 제조하는 방법으로서,
    상기 실리콘-게르마늄 층 (11) 은 13.56 MHz 플라즈마 여기 주파수, 15 mm 전극 거리, 45 x 55 cm 전극 표면 치수들의 반응기에 대해 다음 조건들하에서 플라즈마 보조 화학 기상 증착에 의해 증착되는, 광기전 디바이스 (1) 를 제조하는 방법:
    - 실란 흐름 30-50 sccm;
    - 게르만 흐름 6-10 sccm;
    - 수소 흐름 1200-1500 sccm;
    - 포스펜 흐름 0.5-1.5 sccm, 또는 디보란 흐름 0.5-1.5 sccm;
    - 압력 3.0-3.5 mbar;
    - 플라즈마 전력 100-150W.


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