KR20010062647A - 칼라 광전지, 특히 시계 다이얼용 칼라 광전지 - Google Patents

Abstract

실리콘 재질(선호됨)의 반도체를 가지는 칼라 광전지가 기술된다. 상기 광전지(1)는 고효율이면서 산뜻한 칼라 외양을 가지므로, 전지에 의해 전력을 공급받는 시계나 또다른 전자 장치용 다이얼로 사용할 수 있다. 전지는 하부 전극으로 작용하는 반사 금속 기판(2), p-i-n 정션을 형성하는 수소화 아모르포스 실리콘층의 적층 구조물, 그리고 투명 상부 전극(9)을 포함한다. 상기 상부 전극(9)은 약간 흐릿한 라카층(16)으로 코팅될 수 있고, 무색일 수도 있고 칼라일 수도 있다. 상부 전극의 두께 e1과 실리콘의 두께 e2는 물질의 굴절률 함수로 조합되어, 정해진 반사 스펙트럼 내의 간섭성 반사를 생성한다.

Description

칼라 광전지, 특히 시계 다이얼용 칼라 광전지{PHOTOVOLTAIC CELL HAVING A COLOURED APPERANCE, PARTICULARLY FOR A WATCH DIAL}

본 발명은 태양 전지라 불리는 광전지에 관한 것으로서, 시계나 다른 전기 장치를 위한 다이얼을 형성하면서 시계나 전기전력을 가지는 장치를 제공하기 위해 사용될 수 있는 광전지에 관한 것이다.

발명은 특히, 하부로부터 상부 순으로 기판, 기판 위에 위치하거나 기판에 통합되는 하부 반사 전극, 반도체 층으로 형성되는 능동 광다이오드부, 그리고 상부 전극을 포함하는 종류의 칼라 광전지에 관한 것이다. 발명은 이러한 칼라 광전지 셀을 포함하는 시계 다이얼에 또한 관련된다.

손목시계용 다이얼로 광전지를 이용하는 것은 기술적이나 심미적 측면에서 여러 문제점을 가진다. 먼저, 시계가 닳을 경우, 직렬로 연결된 전지가 짧은 시간뿐 아니라 축전 요소의 연간 에너지 균형 측면에서도 충분한 전력을 생성하여야 한다. 즉, 겨울과 같은 광이 부족한 시기도 고려하여야 한다. 시계 다이얼의 표면 영역이 제한됨에 따라, 전지는 충분한 광전 효율을 가져야 한다. 더욱이, 사람들은 가능한 얇은 시계를 원한다. 아모르포스 실리콘으로 만들어지는 광전지는 이런 측면에서 장점을 가진다. 특히, 기판이 금속이고 현재의 컬렉터 전극 중 하나를 형성할 경우 이런 측면에서 장점을 가진다.

다른 한편, 심미적인 균형이 시계 분야에서 중요하다. 전지 사이에서 보이는 상태를 유지하는 상호연결과 분리 라인을 피하기 위해, 직렬로 연결되는 여러 병렬 전지에 비해 단일 전지의 사용이 선호되는 결과를 낳는다. 한가지 근본적인 심미적 태양이 색상이다. 금속 기판 위에 증착된 아모르포스 실리콘 전지는 매력적인 것과는 거리가 먼 회색을 띤다. 이 결함을 극복하고자 제시된 여러 해법이 앞으로 언급될 것이다. 마지막으로, 매력적이면서 변화무쌍하고, 또한 충분한 색상을 획득함에 부가하여, 다이얼이 선명한 반사를 하거나 산만한 반사를 하기를 사용자가 원할 수 있다.

유럽 특허 제 872 783 호는 단일 수소화 아모르포스 실리콘 광전지로 형성되는 시계 다이얼을 공개한다. 그 상부 전극은 반투명 금속층으로 형성되고, 이는 입사광의 60-85% 사이를 반사하는 것이 선호된다. 이는 간단하면서 얇은 구조를 가능하게 하여, 다이얼에 금속 광택을 부여하지만, 대부분의 입사광이 금속층에 흡수되거나 외부를 향해 반사되어 실리콘에 도달하지 못한다는 사실에 의해 광전 효율이 감소한다.

유럽 특허 제 788 037 호와 819 995 호에 공개된 또다른 해법은 다이얼의 바람직한 외양을 제공하는 다양한 반투명 칼라층으로 형성되는 판을 광전지 위에 위치시키는 과정으로 이루어진다. 그러나, 이 판은 실리콘을 감추기 위해 확산되어야 하고, 이는 한편으로 광다이오드에 도달하는 광의 양을 감소시키고, 다른 한편으로 광택없는 젖빛 외양을 다이얼에 부여한다. 더욱이 이 판은 이 구조의 전체 두께를증가시킨다.

본 발명의 목적은 동일한 심미적 균형을 가지면서, 시계 다이얼이나 장치에 사용될 때 앞서 언급한 결점이 없는 광전지 셀을 생성하는 것이다. 특히, 발명은 광다이오드에 도달하는 입사광의 일부를 크게 감소시키지 않으면서, 다이얼 색상을 폭넓게 선택할 수 있어야 한다. 발명의 추가적인 목적은 입사광의 깨끗한 반사와 흐릿한 반사 사이의 선택을 설계자에게 제공하는 것이다.

발명의 첫 번째 태양에 따라, 앞서 언급한 종류의 광전지가 제공된다. 상부 전극과 능동 광다이오드부의 두께 쌍이 그 물질의 각각의 굴절률 함수로 선택되어, 정해진 반사 스펙트럼에 따라 입사광의 간섭성 반사를 생성하는 특징을 가진다.

그러므로, 광전지의 다층 구조는 반사 간섭성 필터를 포함하고, 이 필터로 반사광에서 다양한 범위의 색상을 얻는 것이 가능하다. 즉, 광전지의 구성 물질을 이용하여 간섭 성 반사를 생성하는 층의 두께를 적절히 선택함으로서 다양한 범위의 색상을 얻는 것이 가능하다. 실제로, 상기 두께는 광전지를 적절히 작동시키는 두께 범위로부터 선택될 수 있다. 특히 공급되는 전력에 비추어 적절히 작동시키는 두께 범위로부터 선택될 수 있다.

입사광의 상당한 부분이 외부로 반사되는 스펙트럼 부분은 상대적으로 좁을 수 있다. 그래서, 대부분의 입사광이 광다이오드에 의해 흡수되어 전력을 생성할 수 있다. 모든 다른 조건은 동일하고, 그러므로 이 종류의 전지는 칼라 광택으로 덮힌 반반사(半反射) 금속 상부 전극의 전지에 비해 상당히 높은 전류를 얻을 수있다. 광다이오드는 기존 방식과 같이 수소화 아모르포스 실리콘으로부터 만들어지는 장점을 가진다. 기판이 금속이고 하부 전극 및 반사체 모두로 작용하는 것이 선호되는 점이다.

실리콘 광다이오드의 능동부가 100-600 nm 사이의 두께를 가지고 상부 전극은 60-300 nm의 두께를 가지며, 이 두 두께의 짝지어서 정해진 색상의 반사광을 얻는 것이 선호된다. 특히 선호되는 두께 범위로서, 실리콘 광다이오드의 능동부 두께는 250-450 nm 사이이고, 상부전극의 두께는 70-150 nm이다. 두께의 하한 아래에서는 상부 전극의 시트 저항이 증가하여 불필요한 오옴 손실을 일으키고, 실리콘 두께가 너무 얇을 경우 실리콘의 전력 보존이 감소된다. 앞서 언급한 상한 위에서는 상부 전극의 증착 비용이 부담이 되고 기판 위에 실리콘을 기계적으로 고정시키는 것이 불확실하게 된다.

가용한 색상의 팔렛을 확대하기 위하여, 상부 전극이 확산성의 투명한 라카로 덮히는 점에서 발명의 전개가 이루어진다. 이 층은 추가로 착색제나 안료를 포함할 수 있어서, 일부 파장을 흡수함으로서 반사광의 색상을 변조하도록 정해진 흡수 스펙트럼을 보일 수 있다. 이 기술은 기존 시계 다이얼의 색상과 외양을 조작할 수 있는 다이얼을 얻게 한다.

도 1은 발명에 따르는 광전지의 제 1 실시예의 단면도.

도 2는 발명의 제 2 실시예를 도시하는 단면도.

도 3은 발명의 제 3 실시예를 도시하는 단면도.

도 4는 투명 상부 전극과 실리콘의 다른 두께 쌍에 대해 도 1에 도시되는 구조로 얻어진 파장의 함수로 반사도를 나타낸 그래프.

도 5는 도 4에 도시되는 반사 스펙트럼을 가지는 구조의 반사광의 RGB 코오더니트 도면.

도 6은 도 1, 2, 3에 각각 도시되는 구조로 얻어진 파장의 함수로 반사도를 나타내는 그래프.

도 7은 도 3과 6에 도시되는 경우 중 하나에 사용되는 착색제의 흡수 스펙트럼.

(참조 번호 설명)

1 ... 광전지 2 ... 금속 기판

3 ... 하부 전극 4 ... 상부면

5,6,7 ... 수소화 아모르포스 실리콘 박막층

8 ... 능동 광다이오드부 9 ... 상부 전극

10 ... 입사광 11 ... 중앙 구멍

14 ... 반사광

도 1에 도시되는 시계 다이얼은 본 발명에 따르는 광전지(1)에 의해 형성된다. 즉, 전지의 하부 전극(3)으로 작용하는 금속 기판(2)을 포함한다. 기판(2)은 스테인레스 스틸로 만들어지는 것이 선호되지만, 알루미늄과 같은 다른 금속이나크롬으로 코팅된 금속 기판도 사용될 수 있다. 전력 효율 개선을 위해 기판의 상부면(4)은 광을 깨끗하게 또는 불투명하게 반사한다. 기판(2)은 각각 n, I, p, 또는 그 역의 종류를 가지는 수소화 아모르포스 실리콘의 세 박막층(5, 6, 7)의 적층 구조를 지지한다. 그래서 n-i-p 또는 p-i-n 정션 광다이오드(8)의 능동부를 형성한다. 실리콘층 적층 구조 위에는 전도형 산화물 박막층으로 형성되는 투명 상부 전극(9)이 가해진다. 그 예로는 주석으로 도핑된 인듐 옥사이드(ITO)층이나 안티몬으로 도핑된 틴옥사이드층이 있다.

시계에서, 전극을 전기 축전기의 충전 회로에 연결하는 것은 전지(1)에 의해 형성되는 다이얼의 변부에 기존 방식의 영향을 받는다. 중앙 구멍(11)은 다이얼을 통해 배열되어, 시계 바늘의 축이 통과하게 한다.

물론, 기판 물질이 인접 n 또는 p형 층(5)과 양립되지 못하는 경우에 하부 전극(3)은 기판(2)으로부터 구별되는 물질로 만들어지는 반사 금속층을 포함할 수 있다.

실리콘 및 ITO 층은 층 두께를 정확하게 제어하는 기존 방법에 의해 증착될 수 있다. 가령, ITO에 대한 음극 스퍼터링 증착과 실리콘에 대한 RF 플라즈마 증착을 예로 들 수 있다. 한 묶음으로 이 종류의 광전지를 제작하는 방법의 예는 미국 특허 제 4 485 125 호와 5 457 057 호, 그리고 유럽 특허 제 948 060 호에 공개되어 있다.

능동 광다이오드부(8)를 형성하는 실리콘 층은 실수부가 대략 4인 굴절률과 총두께 e2를 가진다. 상부 전극(9)을 형성하는 ITO는 제어된 두께 e1과 대략 2의실수 굴절률을 가지며, 이러한 층의 특정한 경우에 흡수는 무시될 수 있다. 결과적으로, 대기 및 금속 기판 사이에 배열되는 광전지의 두 개의 구성 층(8, 9)은 굴절류 R(λ)를 가지는 간섭성 광학 시스템을 형성하고, 이때 λ는 입사광(10)의 파장이며, 상기 입사광(10)은 스펙트럼 강도 I₀(λ)를 가진다. 스펙트럼 강도 I₀(λ)R(λ)로 나타나는 전지(1)에 의한 반사광(14)은 간섭계 요소의 두께와 굴절률에 의해 정의되는 반사도 R(λ)에 따라 좌우되는 칼라 외양을 가진다.

광전지를 제작하기 위해 사용되는 물질의 굴절률을 알면, 광전지에 대한 양호한 전기적/기계적 특성을 얻기 위해 부여되는 제약을 고려하여, 간섭성 반사 스펙트럼과 색채 굴절률을 두께 e1, e2의 함수로 계산할 수 있고, 원하는 색상을 제공하는 두께 조합을 선택할 수 있다. 다른 굴절률을 가지는 다른 물질로 동일한 작용이 이루어질 수 있다.

도 2는 제 2 실시예를 도시한다. 제 2 실시예에서는 도 1을 참고로 기술되는 광전지의 구조가 상부 전극(9) 위에 가해지는 선명한 또는 흐릿한 라카(16)층에 의해 완료된다. 대략 1.5의 굴절률, 1-수십 ㎛의 두께를 가지는 이 층은 아래의 간섭계의 반사도 R(λ)를 수정한다. 왜냐하면, 그 굴절률이 ITO의 굴절률과 다르기 때문이다. 더욱이, 흐릿한 라카는 반사광 간섭의 각도 의존성을 감소시키거나 제거시키면서, 기존 다이얼의 외양을 더 양호하게 재생성하고, 이 예에서, 층(16)의 라카는 어떤 진성 흡수(intrinsic absorption)도 가지지 않는다. 즉, 고유 색상을 가지지 않는다. 두께가 상대적으로 크기 때문에, 간섭성 반사의 주목할만한 영향은 라카와 상부 전극(9) 사이 인터페이스에서 광학 조건을 수정하는 그 굴절률에 있다. 더욱이, 라카는 전극(9)에 대한 기계적/화학적 보호를 구현한다.

도 3은 도 1을 참고하여 기술되는 광전지(1) 구조가 칼라 라카(18)층에 의해 완료되는 제 3 실시예를 도시한다. 상기 칼라 라카층은 상부 전극(9) 위에 가해지는 것으로, 투명하거나 약간 흐릿하다. 무색 라카(16)층과 동일한 효과를 발함에 더하여, 칼라 라카(18)는 반사광(14)을 수정하는 투과 스펙트럼 T(λ)를 가진다. 반사광(14)의 스펙트럼은 스펙트럼 I₀(λ), R(λ), 그리고 T(λ)에 의해 얻어진다. 이 수단에 의해, 가령 간섭성 반사 스펙트럼의 불필요한 성분을 제거하기 위해 반사광의 색상을 수정할 수 있다. 이는 본 발명의 원리를 이용하여 다양한 OR상 음영을 얻을 수 있게 한다.

도 4는 세가지 다른 쌍의 두께 e1, e2에 대하여 도 1에 도시되는 구조를 가지는 광전지의 세가지 예에 대해 파장 λ의 함수로 반사도 R을 나타내는 스펙트럼 다이어그램이다. 도 5는 이 세가지 예에 대한 색상 R(적색), G(녹색), B(청색)의 코오더니트를 도시한다.

실선으로 도시되는 스펙트럼(21)은 두께 e2 = 280 nm 실리콘, e1 = 80 nm ITO에 상응한다. 도 5에 따라, 반사광은 청색이 지배적일 것이다.

일점 쇄선으로 나타나는 스펙트럼(22)은 앞서 예와 같이 e1 = 80 nm이지만, e2 = 420 nm의 실리콘이다. 그러므로, 스펙트럼이 녹색 및 적색 영역으로 수정되고, 반사광은 지배적이면서도 약간 틀린 청색을 가진다.

스펙트럼(23)은 앞서예와 같이 e2 = 420 nm이나, e1은 ITO에 대해 80nm가 아니라 60nm이다. 그러므로 스펙트럼이 여러 영역에서 크게 수정되고, 반사광은 지배적인 마젠타(자홍) 색상을 가질 것이다. 그러므로, ITO 전극의 두께는 고려되는 예에서 가장 중요하다고 생각할 수 있다.

도 6은 실리콘 및 ITO의 두께(e2 = 450 nm, e1 = 90 nm인 동일한 쌍)에 대하여 도 1, 2, 3에 각각 도시되는 구조를 가지는 광전지의 세가지 예에 대해 파장 λ의 함수로 반사도 R을 나타내는 스펙트럼 다이어그램이다. 실선으로 도시되는 스펙트럼(24)은 도 1의 라카가 없는 경우에 상응하고 청색이 강하게 나타난다. 일점 쇄선으로 나타나는 스펙트럼(25)은 수 ㎛의 두께를 가지는 굴절률 1.5의 무색 라카(16)층을 가지는 도 2의 경우에 상응한다. 스펙트럼(24)에 비해, 녹색 및 적색 영역이 향상되고 청색 영역은 감소하였다. 스펙트럼(26)은 도 7에 도시되는 흡수 스펙트럼 α(λ)를 가지는 청색 착색제를 혼합시킨 라카(18)층이 있는 도 3의 경우에 상응한다. 이 라카층은 수 ㎛의 두께를 가진다. 착색제를 첨가하는 것은 반사광의 양을 감소시킨다. 특히, 황색 및 적색 영역을 감소시킨다.

본 발명의 목적은 동일한 심미적 균형을 가지면서, 시계 다이얼이나 장치에 사용될 때 앞서 언급한 결점이 없는 광전지 셀을 생성하는 것이다. 특히, 발명은 광다이오드에 도달하는 입사광의 일부를 크게 감소시키지 않으면서, 다이얼 색상을 폭넓게 선택할 수 있어야 한다. 발명의 추가적인 목적은 입사광의 깨끗한 반사와 흐릿한 반사 사이의 선택을 설계자에게 제공하는 것이다.

Claims (10)

1. 하부로부터 상부 순으로 기판(2), 기판 위에 위치하거나 기판에 통합되는 하부 반사 전극(3), 반도체 층으로 형성되는 능동 광다이오드부(8), 그리고 투명 상부 전극(9)을 포함하는 종류의 칼라 광전지로서,

   상부 전극(9)과 능동 광다이오드부(8)의 두께 쌍(e1, e2)이 물질 각각의 굴절률의 함수로 선택되어, 정해진 반사 스펙트럼에 따라 입사광의 간섭성 반사를 생성하는 것을 특징으로 하는 칼라 광전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체는 n, i, 그리고 p형의 수소화 아모르포스 실리콘인 것을 특징으로 하는 광전지.
3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 상부 전극(9)은 선명한 라카(16, 18)층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 광전지.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 라카(16, 18) 층이 흐릿한 것을 특징으로 하는 광전지.
5. 제 3 항 또는 4 항에 있어서, 상기 라카(18) 층은 착색제나 안료를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전지.
6. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 기판(2)은 금속이고, 하부 전극(3) 및 반사체로 작용하는 것을 특징으로 하는 광전지.
7. 제 2 항에 있어서, 실리콘 재질의 능동 광다이오드부(8)는 100-600 nm 사이의 두께(e2)를 가지고, 상부 전극(9)은 60-300 nm 사이의 두께(e1)를 가지며, 상기 두께 쌍은 반사광(14)의 정해진 색상을 이끄는 것을 특징으로 하는 광전지.
8. 제 7 항에 있어서, 실리콘 재질의 능동 광다이오드부(8)는 250-450 nm의 두께(e2)를 가지고, 상부 전극(9)은 70-150 nm 사이의 두께(e1)를 가지는 것을 특징으로 하는 광전지.
9. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 광전지(1)를 포함하는 시계 다이얼.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 시계 다이얼은 한 개의 광전지로 형성되고, 그 기판(2)은 다이얼의 기판을 구성하는 것을 특징으로 하는 시계 다이얼.