KR20100109924A - 다중접합 광기전력 전지 - Google Patents
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Abstract
복수개의 이색성 필터는 효율을 증가시키기 위하여 다중접합 광기전력 전지에 포함되어 있다. 예를 들어, 청색, 녹색 및 적색 활성층을 포함하는 다중접합 광기전력 전지에 있어서, 각각 청색, 녹색 및 적색 광을 반사하는 청색, 녹색 및 적색 이색성 필터가 제1통과부 상에 흡수되지 않은 광을 도로 반사시키도록 상기 청색, 녹색 및 적색 활성층 근방에 배치될 수 있다. 상기 이색성 필터는, PV 전지 상에 입사하는 백색 광을 역다중화시켜 적절한 활성층에 대해서 적절한 파장, 예를 들어, 청색 활성층에 대해서는 청색 파장, 녹색 활성층에 대해서는 녹색 파장, 적색 활성층에 대해서는 적색 파장을 전달하도록 이용될 수 있다. 상기 PV 전지는 부가적으로 흡수 효율을 증가시키도록 간섭계측적으로 조율될 수 있다. 따라서, 광학 공명층 및 광학 공명 공동부들이 소정의 실시형태에서 이용될 수도 있다.
Description
관련 출원 정보
본 출원은 미국 가출원 제61/016,432호(출원일: 2007년 12월 21일)에 대한 우선권을 주장하며, 이 기초 출원은 참조로 본원에 포함된다.
발명의 기술분야
본 발명은 일반적으로, 예를 들어, 광기전력 전지(즉, 태양 전지)(photovoltaic cell) 등과 같은, 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환기의 분야에 관한 것이다.
100년간, 석탄, 오일 및 천연 가스 등의 화석 연료가 미국에서 에너지의 주공급원으로서 제공되어왔다. 대체용 에너지 공급원에 대한 필요성은 증가하고 있다. 화석 연료는 신속하게 고갈 중에 있는 에너지의 비재생가능한 공급원이다. 인도 및 중국 등지의 개발 도상국의 대규모 산업화는 이용가능한 화석 연료에 대한 상당한 부담을 지고 있다. 또한, 지정학적 쟁점은 이러한 연료의 공급에 신속하게 영향을 미칠 수 있다. 지구 온난화는 또한 근년에 보다 큰 중대사이다. 지구 온난화에 기여하는 인자는 많은 것이 고려되고 있지만, 화석 연료의 광범위한 이용은 지구 온난화의 주된 원인으로 추정되고 있다. 따라서, 환경적으로도 안전한 재생가능하고 경제적으로 실용적인 에너지 공급원을 찾는 것이 긴급히 요구되고 있다.
태양 에너지는 열 및 전기 등과 같은 에너지의 기타 형태로 변환될 수 있는 에너지의 환경적으로 안전하고 재생가능한 에너지 공급원이다. 광기전력(PV: Photovoltaic) 전지는 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키고, 이에 따라 태양 에너지를 전력으로 변환하는데 이용될 수 있다. 광기전력 태양 전지는 매우 얇고 모듈 방식으로 만들어질 수 있다. PV 전지는 수 밀리미터 내지 수십 센티미터 크기의 범위일 수 있다. 하나의 PV 전지로부터의 개별적인 전기 출력은 수 밀리와트 내지 수 와트의 범위일 수 있다. 수개의 PV 전지는 전기적으로 접속되고 패키지되어 충분한 양의 전기를 발생할 수도 있다. PV 전지는 위성 및 기타 우주선에 전력을 제공하거나, 전기를 주거 및 상업적 속성으로 제공하거나 자동차 배터리를 충전하는 등과 같은 광범위한 용도에 이용될 수 있다. 그러나, 재생 가능한 에너지의 경제적으로 경쟁력 있는 공급원으로서 태양 에너지의 이용은, 광 에너지를 전기로 변환시키는 데 있어서 낮은 효율이 장애로 되고 있다.
따라서, 필요한 것은 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 데 있어서 증가된 효율을 제공하는 광기전력 장치(혹은 광기전력 소자)(photovoltaic device) 및 방법이다.
본 발명의 소정의 실시형태는, 층형상 PV 장치의 간섭으로부터의 반사가 가간섭적으로 총합되어(coherently summed), 광 에너지가 전기 에너지로 변환되는 광기전력 전지의 활성 영역에서 증가된 전계를 생성시키는 간섭계측적으로(interferometrically) 조율되는 광기전력 전기를 포함한다. 이러한 간섭계측적으로 조율되거나 간섭계측적 광기전력 장치들(iPVs)은 해당 간섭계측적 광기전력 전지의 활성 영역에서 광 에너지의 흡수를 증가시키고, 이에 따라 해당 장치의 효율을 증가시킨다. 각종 실시형태에 있어서, 하나 이상의 광학 공명 공동부(optical resonant cavity) 및/또는 광학 공명층(optical resonant layer)이 활성 영역에서 전계 집중 및 흡수를 증가시키기 위하여 상기 광기전력 장치에 포함된다. 상기 광학 공명 공동부 및/또는 광학 공명층들은 투명한 비전도성 재료(transparent non-conducting material), 투명한 전도성 재료, 공기 간극(air gap), 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 그러나, 다른 실시형태도 가능하다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는 활성층에 의해 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 해당 활성층을 포함한다. 반사체층(reflector layer)이 상기 활성층을 통해 투과된 광을 반사하도록 배치되고; 광학 공명 공동부가 상기 활성층과 상기 반사체층 사이에 배치되어 있다. 상기 광학 공명 공동부의 존재는 상기 활성층에 의해 흡수된 광량을 증가시킬 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 상기 광학 공명 공동부는 유전체를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 상기 광학 공명 공동부는 공기 간극을 포함할 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 상기 광학 공명 공동부는 복수개의 층을 포함할 수 있다.
다른 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 적어도 하나의 활성층을 포함한다. 상기 광기전력 장치는 적어도 하나의 광학 공명층을 또한 포함하며, 상기 적어도 하나의 활성층은 태양광 스펙트럼의 파장에 대해서 흡수 효율(absorption efficiency)을 지니고, 상기 태양광 스펙트럼의 파장에 대해서 적분된(integrated) 흡수 효율은 상기 적어도 하나의 광학 공명층의 존재에 의해 적어도 약 20%만큼 증가한다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 활성층을 포함한다. 상기 광기전력 장치는 적어도 하나의 광학 공명층을 추가로 포함하며, 이때, 상기 광기전력 장치는 태양광 스펙트럼의 파장에 대해 전체 변환 효율(overall conversion efficiency)을 지니며, 상기 태양광 스펙트럼의 파장에 대해서 적분된 전체 변환 효율은 상기 적어도 하나의 광학 공명층의 존재에 의해 적어도 15% 증가한다.
다른 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 활성층을 포함한다. 상기 광기전력 장치는 광학 공명층을 추가로 포함하되, 상기 광학 공명층은, 상기 광기전력 장치가 0.7보다 큰 태양광 스펙트럼에 대해서 적분된 전체 변환 효율을 지니도록 두께를 지닌다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 활성층을 포함한다. 상기 광기전력 장치는 활성층의 평균 전계 강도를 증가시키는 적어도 하나의 광학 공명층을 추가로 포함하며, 상기 활성층은, 상기 광기전력 장치가 태양광에 노출될 때 태양광 스펙트럼의 파장에 대해서 그의 평균 전계 강도를 지닌다. 상기 적어도 하나의 광학 공명층의 존재는, 상기 광기전력 장치 내의 임의의 다른 층에 대한 태양광 스펙트럼에 대해서 적분된 평균 전계 강도의 증가보다도 상기 활성층에 대해서 보다 큰 상기 태양광 스펙트럼에 대해서 적분된 평균 전계 강도의 증가를 발생시킨다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 활성층을 포함한다. 상기 활성층은, 상기 광기전력 장치가 태양광에 노출될 경우 태양광 스펙트럼의 파장에 대해 평균 전계 강도 및 흡수 광학 파워(absorbed optical power)를 지닌다. 상기 광기전력 장치는 상기 활성층의 평균 전계 강도 및 흡수 광학 파워를 증가시키는 적어도 하나의 광학 공명층을 포함하되, 상기 적어도 하나의 광학 공명층의 존재는 상기 광기전력 장치 내의 임의의 다른 층에 대한 태양광 스펙트럼에 대해서 적분된 흡수 광학 파워의 증가보다도 상기 활성층에 대해서 보다 큰 태양광 스펙트럼에 대해서 적분된 흡수 광학 파워의 증가를 발생시킨다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는, 기판; 상기 기판 상에 배치된 광학 적층체(optical stack); 및 상기 광학 적층체 상에 배치된 반사체층을 포함한다. 상기 광학 적층체는 적어도 하나의 활성층과 하나 이상의 층을 추가로 포함하되, 상기 적어도 하나의 활성층은 대략 400㎚에서 광에 대해서 0.7보다 큰 흡수 효율을 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 간섭 원리를 이용해서 광기전력 장치 내의 활성층의 내부의 광 흡수를 증가시키는 방법은, 광을 흡수하여 해당 광을 전기 에너지로 변환시키는 적어도 하나의 활성층을 제공하는 단계; 및 상기 활성층에 대해서 적어도 하나의 광학 공명층을 위치결정시키는 단계를 포함하되, 상기 적어도 하나의 활성\층의 태양 에너지의 흡수는 전자기 방사선의 간섭 원리에 의해 적어도 5% 증가되고, 해당 흡수는 태양광 스펙트럼의 파장에 대해서 적분된 것이다.
소정의 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는, 전자기 방사선을 흡수하여 해당 전자기 방사선을 전기 에너지로 변환시키는 적어도 하나의 활성층을 포함한다. 상기 광기전력 장치는 상기 활성층에 대해서 배치된 적어도 하나의 광학 공명층을 추가로 포함하되, 상기 광학 공명층은 광 간섭의 결과로서 상기 적어도 하나의 활성층의 태양 에너지의 흡수를 적어도 5% 증가시키고, 상기 흡수는 태양광 스펙트럼에 대해서 적분된 것이다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 활성층을 포함한다. 반사체층이 상기 활성층을 통해 투과된 광을 반사하도록 배치되어 있고, 해당 반사체층은, 상기 광기전력 장치가 일부의 파장에 대해서 부분적으로 투과성이 되도록 부분적으로 광학적으로 투과성이다. 상기 광기전력 장치는 상기 활성층과 상기 반사체층 사이에 배치된 적어도 하나의 광학 공명층을 추가로 포함하고, 해당 적어도 하나의 광학 공명층의 존재는 상기 활성층에 의해 흡수된 광량을 증가시킨다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 활성층을 포함한다. 상기 광기전력 장치는 적어도 하나의 광학 공명층을 추가로 포함하되, 상기 적어도 하나의 광학 공명층의 존재는 상기 활성층에 의해 흡수된 광량을 증가시키며, 적어도 하나의 광학 공명층의 두께는 해당 두께를 제어하기 위한 제어 신호의 인가에 의해 조정가능하다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 전지의 흡수 효율을 최적화시키는 방법은, 층들의 적층체를 포함하는 광기전력 전지를 제공하는 단계를 포함하되, 상기 층들 중 적어도 하나의 층이 적어도 하나의 활성층을 포함하고, 상기 광기전력 전지를 제공하는 단계는, 간섭 원리를 이용해서 복수의 파장에서 상기 광기전력 전지 중의 상기 적어도 하나의 활성층의 흡수 효율을 최적화시키는 단계를 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는 기판; 상기 투명 기판 상에 배치된 광학 적층체; 및 상기 기판 상에 배치된 반사체를 포함한다. 상기 광학 적층체는 하나 이상의 박막층과, 해당 하나 이상의 박막층의 두께에 의거해서 선택된 파장의 광을 흡수하기 위해 최적화된 활성층을 포함하며, 상기 활성층의 흡수는 복수의 계면으로부터의 반사의 가간섭성 총합(coherent summation)의 분석을 통해서 최적화된다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 제1 및 제2활성층을 포함한다. 상기 광기전력 장치는 상기 제1활성층과 제2활성층 사이에 위치된 제1광학 공명층을 추가로 포함하되, 상기 광학 공명층의 존재는 상기 제1 및 제2활성층 중 적어도 하나에 의해 흡수된 광량을 증가시킨다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는 광을 흡수하는 광 흡수 수단을 포함한다. 상기 광 흡수 수단은 광이 해당 광 흡수 수단에 의해 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성되어 있다. 광을 반사하는 광 반사 수단은 상기 적어도 하나의 광 흡수 수단을 통해 투과된 광을 반사하도록 배치되어 있다. 공명 발생 수단은 상기 광 흡수 수단과 상기 광 반사수단 사이에 배치되어 있다. 상기 광학 공명 발생 수단은 상기 적어도 하나의 광 흡수 수단에 의해 흡수된 광량을 증가시키도록 구성되고, 상기 광학 공명 발생 수단은 전기적으로 절연성인 절연 수단을 포함한다.
다른 실시형태에 있어서, 광기전력 장치를 제조하는 방법은, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 활성층을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 활성층을 통해 투과된 광을 반사하도록 반사체층을 배치하는 단계; 및 상기 활성층과 상기 반사체층 사이에 광학 공명 공동부를 배치하는 단계를 추가로 포함한다. 일 실시형태에 있어서, 상기 광학 공명 공동부는 유전체를 포함한다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 광학 공명 공동부는 공기 간극을 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는 광을 흡수하는 광 흡수 수단을 포함한다. 상기 광 흡수 수단은 광이 해당 광 흡수 수단에 의해 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성되어 있다. 상기 광기전력 장치는 상기 광 흡수 수단을 통해 투과된 광을 반사하도록 배치된 광 반사 수단; 및 상기 광 흡수 수단과 상기 광 반사수단 사이에 위치된 광학 공명 발생 수단을 추가로 포함한다. 상기 광학 공명 발생 수단은 상기 적어도 하나의 광 흡수 수단에 의해 흡수된 광량을 증가시키도록 구성되고, 상기 광학 공명 발생 수단은 해당 광학 공명 발생 수단을 통해서 광을 전파시키는 광 전파 수단을 복수개 포함한다.
다른 실시형태에 있어서, 광기전력 장치를 제조하는 방법은, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 활성층을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 적어도 하나의 활성층을 통해 투과된 광을 반사하도록 배치된 반사체층을 배치하는 단계; 및 상기 활성층과 상기 반사체층 사이에 광학 공명 공동부를 형성하는 단계를 추가로 포함하되, 상기 광학 공명 공동부는 복수개의 층을 포함한다.
대안적인 실시형태에 있어서, 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 광전 변환수단은, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 광 흡수 수단을 포함한다. 상기 광전 변환수단은 상기 적어도 하나의 광 흡수 수단을 통해 투과된 광을 반사하도록 배치된 광 반사 수단; 및 상기 광 흡수 수단과 상기 광 반사수단 사이에 배치된, 광학 공명을 발생하는 광학 공명 발생 수단을 추가로 포함하되, 상기 광 흡수 수단은 상기 태양광 스펙트럼의 파장에 대해 흡수 효율을 지니고, 상기 태양광 스펙트럼의 파장에 대해서 적분된 흡수 효율은 상기 광학 공명 발생 수단의 존재에 의해 적어도 약 20%만큼 증가한다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치를 제조하는 방법은, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 적어도 하나의 활성층을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 적어도 하나의 활성층을 통해 투과된 광을 반사시키는 반사체층을 배치하는 단계; 및 상기 활성층과 상기 반사체층 사이에 적어도 하나의 광학 공명층을 배치하는 단계를 포함하되, 상기 적어도 하나의 활성층은 태양광 스펙트럼의 파장에 대해 흡수 효율을 지니고, 해당 태양광 스펙트럼의 파장에 대해서 적분된 흡수 효율은 상기 적어도 하나의 광학 공명층의 존재에 의해 적어도 약 20%만큼 증가한다.
일 실시형태에 있어서, 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 광전 변환수단은, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 광 흡수 수단을 포함한다. 상기 광전 변환수단은 상기 광 흡수 수단 중 적어도 하나를 통해서 투과된 광을 반사시키도록 배치된 광 반사 수단; 및 상기 광 흡수 수단과 상기 광 반사 수단 사이에 배치된 광학 공명 발생수단을 추가로 포함한다. 상기 광전 변환 수단은 태양광 스펙트럼의 파장에 대해서 전체 광전 변환을 지니며, 상기 태양광 스펙트럼의 파장에 대해서 적분된 전체 광전 변환 효율은 상기 광학 공명 발생 수단의 존재에 의해 적어도 약 15% 증가된다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치를 제조하는 방법은, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 활성층을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 적어도 하나의 활성층을 통해 투과된 광을 반사하도록 반사체층을 배치시키는 단계; 및 상기 적어도 하나의 활성층과 상기 반사체층 사이에 적어도 하나의 광학 공명층을 제공하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 광기전력 장치는 태양광 스펙트럼의 파장에 대해서 전체 광전 변환을 지니며, 상기 태양광 스펙트럼의 파장에 대해서 적분된 전체 광전 변환 효율은 상기 적어도 하나의 광학 공명층의 존재에 의해 적어도 약 15% 증가된다.
일 실시형태에 있어서, 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 광전 변환수단은, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 광 흡수 수단을 포함한다. 상기 광전 변환 수단은 상기 광 흡수 수단의 평균 전계 강도 및 흡수 광학 파워를 증가시키는 광학 공명 발생 수단을 추가로 포함한다. 상기 광 흡수 수단은 상기 광전 변환수단이 태양광에 노출되는 경우 태양광 스펙트럼의 파장에 대해 평균 전계 강도를 지닌다. 상기 광학 공명 발생 수단의 존재는 상기 광 에너지 변환 수단 내의 임의의 다른 층에 대한 태양광 스펙트럼에 대해서 적분된 평균 전계 강도의 증가보다도 상기 광 흡수 수단에 대해서 보다 큰 상기 태양광 스펙트럼에 대해서 적분된 평균 전계 강도를 증가시킨다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치를 제조하는 방법은, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 활성층을 제공하는 단계를 포함하되, 상기 활성층은 상기 광기전력 장치가 태양광에 노출된 경우 태양광 스펙트럼의 파장에 대해 평균 전계 강도 및 흡수 광학 파워를 지닌다. 상기 방법은 적어도 하나의 광학 공명층을 제공하는 단계를 추가로 포함하되, 상기 광학 공명 공동부는 상기 활성층의 평균 전계 강도 및 흡수 광학 파워를 증가시키고, 상기 적어도 하나의 광학 공명층의 존재는 상기 광기전력 장치 내의 임의의 다른 층에 대한 태양광 스펙트럼에 대해서 적분된 흡수 광학 파워의 증가보다도 상기 활성층에 대해서 보다 큰 상기 태양광 스펙트럼에 대해서 적분된 상기 흡수 광학 파워의 증가를 발생한다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는 지지 수단을 포함한다. 상기 광기전력 장치는 상기 지지 수단 상에 배치된 광 상호작용 수단을 추가로 포함하되, 상기 광 상호작용 수단은 적어도 하나의 광 흡수 수단 및 하나 이상의 광 전파 수단을 포함한다. 상기 광기전력 장치는 상기 광 상호작용 수단 상에 배치된 광 반사 수단을 포함하되, 상기 적어도 하나의 광 흡수 수단은 대략 400㎚에서 광에 대해서 0.7보다 큰 흡수 효율을 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치를 제조하는 방법은 기판을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 기판 상에 광학 적층체를 배치하는 단계; 및 상기 광학 적층체 상에 반사체층을 배치하는 단계를 추가로 포함하되, 상기 광학 적층체는 적어도 하나의 활성층과 하나 이상의 층을 포함하며, 상기 적어도 하나의 활성층은 대략 400㎚에서 광에 대해서 0.7보다 큰 흡수 효율을 포함한다.
소정의 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는 광을 흡수하여 해당 흡수된 광을 전기 에너지로 변환시키도록 구성된 광 흡수 수단을 포함한다. 상기 광기전력 장치는 광학 공명 발생 수단을 추가로 포함하되, 상기 광 흡수 수단 내의 태양 에너지의 흡수는 전자기 방사선의 간섭 원리에 의해 적어도 5% 증가되고, 해당 흡수는 태양광 스펙트럼의 파장에 대해서 적분된 것이다.
소정의 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 광 흡수 수단을 포함한다. 상기 광기전력 장치는 상기 적어도 하나의 광 흡수 수단을 통해 투과된 광을 반사시키도록 배치된 광 반사 수단; 및 상기 광 흡수 수단과 상기 광 반사수단 사이에 배치된 광학 공명 발생 수단을 포함하되, 상기 광학 공명 발생 수단의 존재는 상기 광 흡수 수단에 의해 흡수된 광량을 증가시키고, 상기 반사수단은, 상기 광전 변환 수단이 일부의 파장에 대해 부분적으로 투과성이 되도록 부분적으로 광학적으로 투과성이다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치를 제조하는 방법은, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 활성층을 형성하는 단계; 상기 적어도 하나의 활성층을 통해 투과된 광을 반사하도록 배치된 반사체층을 형성하는 단계; 및 상기 활성층과 상기 반사체층 사이에 적어도 하나의 광학 공명층을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 적어도 하나의 광학 공명층의 존재는 상기 활성층에 의해 흡수된 광량을 증가시키고, 상기 반사층은, 상기 광기전력 장치가 일부의 파장에 대해서 부분적으로 투과성이 되도록 부분적으로 광학적으로 투과성이다.
소정의 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 광 흡수 수단을 포함한다. 상기 광기전력 장치는 상기 적어도 하나의 광 흡수 수단을 통해 투과된 광을 반사하도록 배치된 광 반사 수단; 및 상기 광 흡수 수단과 상기 광 반사수단 사이에 배치된 광학 공명 발생 수단을 추가로 포함하되, 상기 광학 공명 발생 수단의 존재는 상기 광 흡수층에 의해 흡수된 광량을 증가시키고, 상기 광학 공명 발생 수단의 두께는 해당 두께를 제어하기 위한 제어 신호의 인가에 의해 조정가능하다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치를 제조하는 방법은, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 적어도 하나의 활성층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 적어도 하나의 활성층을 통해 투과된 광을 반사하도록 배치된 반사체층을 형성하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 활성층과 상기 반사체층 사이에 적어도 하나의 광학 공명층을 형성하는 단계를 추가로 포함하되, 상기 적어도 하나의 광학 공명층의 존재는 상기 활성층에 의해 흡수된 광량을 증가시키고, 상기 적어도 하나의 광학 공명층의 두께는 해당 두께를 제어하기 위한 제어 신호의 인가에 의해 조정가능하다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 제1 및 제2광 흡수 수단을 포함한다. 상기 광기전력 장치는 제1광학 공명 발생 수단을 추가로 포함한다. 상기 제1광학 공명 발생 수단의 존재는 상기 제1 및 제2광 흡수 수단에 의해 흡수된 광량을 증가시킨다.
일 실시형태에 있어서, 광기전력 장치를 제조하는 방법은, 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 제1 및 제2활성층을 형성하는 단계; 및 제1광학 공명층을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 제1광학 공명층의 존재는 상기 제1 및 제2 활성층에 의해 흡수된 광량을 증가시킨다.
본 명세서에 개시된 실시예는 첨부 도면에 예시되어 있고, 이들 첨부 도면은 단지 예시적인 목적을 위해 제공된 것이다.
도 1은 광학 간섭계 공동부(optical interferometric cavity)를 개략적으로 나타낸 도면;
도 2는 반사된 광을 증가시키는 광학 간섭계 공동부를 개략적으로 나타낸 도면;
도 3은 흡수체층(absorber layer), 광학 공명 공동부 및 반사체를 포함하는 복수개의 층을 구비한 간섭계 변조기(interferometric modulator: "IMOD") 적층체의 블록도;
도 4a는 도 3의 "IMOD"에 입사하는 광선에 의해 발생된 반사의 일부를 표시한 개략도로, 해당 반사의 일부만이 예시적인 목적으로 도시되어 있지만, 임의의 주어진 층에 대해서, 입사광 및 IMOD 내의 각종 간섭으로부터 반사된 광선이 가간섭적으로 총합되어 그 층 내의 전계 강도를 결정함;
도 4b는 "개방" 상태의 IMOD를 나타낸 도면;
도 4c는 "폐쇄" 상태의 IMOD를 나타낸 도면;
도 5a 내지 도 5d는 표준 입사(normal incidence) 및 반사광에 대해서 "개방" 상태의 간섭계 광 변조기(interferometric light modulator)의 얻어지는 스펙트럼 응답, 예컨대, 반사 및 흡수를 나타낸 도면;
도 6a 내지 도 6d는 표준 입사 및 반사광에 대해서 "폐쇄" 상태의 간섭계 광 변조기의 스펙트럼 응답을 나타낸 도면;
도 7a 내지 도 7d는 입사각 혹은 시야각이 대략 30°인 경우 "개방" 상태의 간섭계 광 변조기의 스펙트럼 응답을 나타낸 도면;
도 8a 내지 도 8d는 입사각 혹은 시야각이 대략 30°인 경우 "폐쇄" 상태의 간섭계 광 변조기의 스펙트럼 응답을 나타낸 도면;
도 9는 p-n 접합부를 포함하는 광기전력 전지를 개략적으로 나타낸 도면;
도 10은 비정질 실리콘을 포함하는 p-i-n 접합부를 지닌 광전지를 개략적으로 나타낸 블록도;
도 11a는 다른 종래의 PV 전지를 개략적으로 나타낸 도면;
도 11b 내지 도 11h는 간섭계 변조(interferometric modulation)의 원리를 이용해서 PV 전지의 활성 영역의 흡수를 증가시킴으로써 효율을 증가시키는 PV 전지를 포함하는 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 11i 내지 도 11j는 정전기적으로 변화될 수 있는 두께를 지닌 광학 공명 공동부를 지닌 PV 전지를 포함하는 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 12는 PV 전지의 각 층에서의 전계 강도를 계산하는데 이용되는 각 명칭을 개략적으로 나타낸 도면;
도 13은 IMOD의 원리를 이용해서 PV 전지의 활성 영역의 흡수를 증가시키는 PV 전지의 제조방법을 나타낸 순서도;
도 14는 PV 전지의 각종 설계에 대한 Cu(In,Ga)Se2(CIGS) 활성층에서의 표본화된(modeled) 흡수의 그래프;
도 15a는 제1 및 제2인듐 주석 산화물(ITO: indium tin oxide)층 및 알루미늄(Al) 반사체에 의해 둘러싸인 a-Si-H를 포함하는 p-i-n 접합부를 포함하는 종래의 PV 전지의 일례를 나타낸 도면으로서, 900㎚ 두께의 제1 ITO층, 330㎚ 두께의 α-Si 활성층 및 80㎚ 두께의 제2 ITO층을 구비한 도 15a에 도시된 것과 같은 PV 전지에 대한 흡수 및 반사율 스펙트럼은 이하에 제공됨;
도 15b는 도 15a의 PV 전지용의 총 흡수(total absorption) 대 파장의 그래프;
도 15c는 도 15a의 PV 전지용의 총 반사(total reflection) 대 파장의 그래프;
도 15d는 도 15a의 PV 전지용의 활성층의 흡수 대 파장의 그래프;
도 15e는 도 15a의 PV 전지용의 제1 ITO층의 흡수 대 파장의 그래프;
도 15f 내지 도 15g는 도 15a의 PV 전지용의 ITO층 및 반사체층의 흡수 대 파장의 그래프;
도 16a는 제1전극 및 제2전극의 두께의 함수로서 도 15a의 광기전력 장치의 활성층의 적분된 흡수를 나타낸 등고선 도표로, 적분된 흡수는 태양광 스펙트럼에 대해서 적분된 흡수를 포함함;
도 16b 내지 도 16c는 각각 제1 ITO층(두께 54㎚), α-Si 활성층(두께 330㎚) 및 제2 ITO층(두께 91㎚)을 지니는 도 15a의 PV 전지의 최적화된 변형예의, 활성층의 흡수와 총 흡수의 그래프;
도 17은 Cu(In,Ga)Se2("CIGS") p형 층 및 CdS n형 층을 포함하는 활성 영역을 포함하는, Krc 등에 의해 개시된 광기전력 장치를 개략적으로 나타낸 도면으로, 여기서 Cu(In,Ga)Se2("CIGS") p형 층 및 CdS n형 층은 최대 흡수 효율을 위해 최적화되어 있지 않음;
도 18a 내지 도 18c는 CIGS p형 층 및 CdS n형 층을 포함하는 도 17의 광기전력 장치의 표본화된 흡광도 대 파장의 일련의 그래프;
도 19a 내지 도 19b는 활성 영역과 반사층 사이에 광학 공명 공동부의 추가 후 도 17에 도시된 바와 같은 광기전력 장치의 약도;
도 20a 내지 도 20c는 도 17의 장치에 비해서 활성 영역에서 증가된 흡수를 입증하는, CIGS p형 층과 CdS n형 층을 포함하는 활성 영역, 및 광학 공명 공동부를 포함하는 도 19a에 도시된 장치에 대한 표본화된 흡광도 대 파장의 일련의 그래프;
도 21은 전도층(ITO층 및 금속층)에 의해 상하로 둘러싸인 활성 영역을 지니는 동시에 여기에 전기 접속을 위한 통공부(via)를 포함하는 광기전력 장치를 개략적으로 나타낸 도면으로, 여기서 상기 장치는 활성 영역의 흡수를 간섭계측적으로 증가시키도록 설계되어 있는 광학 공명 공동부를 추가로 포함함;
도 22는 광학 공명층과 금속층에 의해 상하로 둘러싸인 활성 영역을 지니는 동시에 전기 접속용의 통공부를 지니는 광기전력 장치를 개략적으로 나타낸 도면으로, 여기서, 상기 장치는 활성 영역의 흡수를 간섭계측적으로 증가시키도록 설계되어 있는 광학 공동부를 추가로 포함함;
도 23은 활성 영역과 금속층 사이에 배치된 광학 공명 공동부를 지니는 동시에 전기 접속용의 통공부를 지니는 광기전력 장치를 개략적으로 나타낸 도면으로, 여기서, 상기 광기전력 장치는 활성 영역의 흡수를 간섭계측적으로 증가시키도록 설계되어 있음;
도 24는 500㎚ 내지 750㎚ 사이에서 활성 영역의 평균 약 90%의 흡수를 나타내는 대략 400㎚ 내지 대략 1100㎚의 파장 범위에 대한 도 23의 광기전력 장치의 CIGS p형 층의 표본화된 흡수의 그래프;
도 25a는 광전지의 활성층이 광학 공명 공동부과 광학 공명층 사이에 배치되어 있는 광전지의 일 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 25b는 활성층 위쪽의 공명층이 유전체를 포함하고 활성층 아래쪽의 공명 공동부가 공기 간극 혹은 유전체를 포함하며 통공부가 상기 공기 간극 혹은 유전체를 통해 전기 전도를 제공하는 도 25a에 나타낸 광전지와 유사한 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 25c는 ITO층이 활성층과 공명 공동부 사이에 배치되어 있는 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 26은 광전지의 활성층과 반사체 사이에 광학 공명 공동부를 지니는 간략화된 광전지(상기 활성층 위에는 어떠한 층도 도시되어 있지 않음)의 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 27은 종래의 다중접합(multi-junction) 광기전력 장치를 개략적으로 나타낸 도면;
도 28a는 활성 영역의 흡수를 간섭계측적으로 증가시키도록 설계된 광학 공명 공동부 및 광학 공명층을 추가로 포함하는 도 27에 나타낸 것과 같은 다중접합 광기전력 장치의 일 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 28b는 공명 공동부가 공기 간극 혹은 유전체를 포함하고 통공부가 상기 공기 간극 혹은 유전체를 통해 전기 전도를 제공하는 도 28a에 나타낸 다중접합 광전지와 유사한 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 29a는 활성 영역의 흡수를 간섭계측적으로 증가시키도록 설계된 광학 공명 공동부 및 광학 공명층을 복수개 추가로 포함하는 도 27에 나타낸 다중접합 광기전력 장치의 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 29b는 공명 공동부가 공기 간극 혹은 유전체를 포함하고 통공부가 해당 공기 간극 혹은 유전체를 통해 전기 전도를 제공하는 도 29a에 나타낸 다중접합 광전지와 유사한 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 30은 종래의 반투명 PV 전지를 개략적으로 나타낸 도면;
도 31은 증가된 투명성을 제공하는 저감된 두께를 지닌 반사체를 구비한 PV 전지를 개략적으로 나타낸 도면;
도 32a는 광학 공명층을 포함하지만 광학 공명 공동부는 포함하지 않는 반투명성 다중접합 PV 전지를 개략적으로 나타낸 도면;
도 32b는 전기 전도를 제공하는 통공부를 포함하는 도 32a에 도시된 것과 유시한 반투명성 다중접합 PV 전지를 개략적으로 나타낸 도면.
도 33은 이색성 필터(dichroic filter)의 단면도를 개략적으로 나타낸 도면;
도 34는 이색성 필터층들이 각각의 활성층 밑에 배치되어 있는 다층 접합 PV 전지의 일 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 35는 광학 공명 공동부들이 각각의 활성층 밑에 배치되어 있는 다층 접합 PV 전지의 일 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 36은 광학 공명 공동부 층들이 각각의 활성층과 이색성 필터층들 사이에 삽입되어 있는 다층 접합 PV 전지의 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 37은 이색성 필터층들이 활성층들 밑에 배치되고 해당 활성층들이 상이한 합금 조성을 지니는 다층 접합 PV 전지의 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 반사된 광을 증가시키는 광학 간섭계 공동부를 개략적으로 나타낸 도면;
도 3은 흡수체층(absorber layer), 광학 공명 공동부 및 반사체를 포함하는 복수개의 층을 구비한 간섭계 변조기(interferometric modulator: "IMOD") 적층체의 블록도;
도 4a는 도 3의 "IMOD"에 입사하는 광선에 의해 발생된 반사의 일부를 표시한 개략도로, 해당 반사의 일부만이 예시적인 목적으로 도시되어 있지만, 임의의 주어진 층에 대해서, 입사광 및 IMOD 내의 각종 간섭으로부터 반사된 광선이 가간섭적으로 총합되어 그 층 내의 전계 강도를 결정함;
도 4b는 "개방" 상태의 IMOD를 나타낸 도면;
도 4c는 "폐쇄" 상태의 IMOD를 나타낸 도면;
도 5a 내지 도 5d는 표준 입사(normal incidence) 및 반사광에 대해서 "개방" 상태의 간섭계 광 변조기(interferometric light modulator)의 얻어지는 스펙트럼 응답, 예컨대, 반사 및 흡수를 나타낸 도면;
도 6a 내지 도 6d는 표준 입사 및 반사광에 대해서 "폐쇄" 상태의 간섭계 광 변조기의 스펙트럼 응답을 나타낸 도면;
도 7a 내지 도 7d는 입사각 혹은 시야각이 대략 30°인 경우 "개방" 상태의 간섭계 광 변조기의 스펙트럼 응답을 나타낸 도면;
도 8a 내지 도 8d는 입사각 혹은 시야각이 대략 30°인 경우 "폐쇄" 상태의 간섭계 광 변조기의 스펙트럼 응답을 나타낸 도면;
도 9는 p-n 접합부를 포함하는 광기전력 전지를 개략적으로 나타낸 도면;
도 10은 비정질 실리콘을 포함하는 p-i-n 접합부를 지닌 광전지를 개략적으로 나타낸 블록도;
도 11a는 다른 종래의 PV 전지를 개략적으로 나타낸 도면;
도 11b 내지 도 11h는 간섭계 변조(interferometric modulation)의 원리를 이용해서 PV 전지의 활성 영역의 흡수를 증가시킴으로써 효율을 증가시키는 PV 전지를 포함하는 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 11i 내지 도 11j는 정전기적으로 변화될 수 있는 두께를 지닌 광학 공명 공동부를 지닌 PV 전지를 포함하는 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 12는 PV 전지의 각 층에서의 전계 강도를 계산하는데 이용되는 각 명칭을 개략적으로 나타낸 도면;
도 13은 IMOD의 원리를 이용해서 PV 전지의 활성 영역의 흡수를 증가시키는 PV 전지의 제조방법을 나타낸 순서도;
도 14는 PV 전지의 각종 설계에 대한 Cu(In,Ga)Se2(CIGS) 활성층에서의 표본화된(modeled) 흡수의 그래프;
도 15a는 제1 및 제2인듐 주석 산화물(ITO: indium tin oxide)층 및 알루미늄(Al) 반사체에 의해 둘러싸인 a-Si-H를 포함하는 p-i-n 접합부를 포함하는 종래의 PV 전지의 일례를 나타낸 도면으로서, 900㎚ 두께의 제1 ITO층, 330㎚ 두께의 α-Si 활성층 및 80㎚ 두께의 제2 ITO층을 구비한 도 15a에 도시된 것과 같은 PV 전지에 대한 흡수 및 반사율 스펙트럼은 이하에 제공됨;
도 15b는 도 15a의 PV 전지용의 총 흡수(total absorption) 대 파장의 그래프;
도 15c는 도 15a의 PV 전지용의 총 반사(total reflection) 대 파장의 그래프;
도 15d는 도 15a의 PV 전지용의 활성층의 흡수 대 파장의 그래프;
도 15e는 도 15a의 PV 전지용의 제1 ITO층의 흡수 대 파장의 그래프;
도 15f 내지 도 15g는 도 15a의 PV 전지용의 ITO층 및 반사체층의 흡수 대 파장의 그래프;
도 16a는 제1전극 및 제2전극의 두께의 함수로서 도 15a의 광기전력 장치의 활성층의 적분된 흡수를 나타낸 등고선 도표로, 적분된 흡수는 태양광 스펙트럼에 대해서 적분된 흡수를 포함함;
도 16b 내지 도 16c는 각각 제1 ITO층(두께 54㎚), α-Si 활성층(두께 330㎚) 및 제2 ITO층(두께 91㎚)을 지니는 도 15a의 PV 전지의 최적화된 변형예의, 활성층의 흡수와 총 흡수의 그래프;
도 17은 Cu(In,Ga)Se2("CIGS") p형 층 및 CdS n형 층을 포함하는 활성 영역을 포함하는, Krc 등에 의해 개시된 광기전력 장치를 개략적으로 나타낸 도면으로, 여기서 Cu(In,Ga)Se2("CIGS") p형 층 및 CdS n형 층은 최대 흡수 효율을 위해 최적화되어 있지 않음;
도 18a 내지 도 18c는 CIGS p형 층 및 CdS n형 층을 포함하는 도 17의 광기전력 장치의 표본화된 흡광도 대 파장의 일련의 그래프;
도 19a 내지 도 19b는 활성 영역과 반사층 사이에 광학 공명 공동부의 추가 후 도 17에 도시된 바와 같은 광기전력 장치의 약도;
도 20a 내지 도 20c는 도 17의 장치에 비해서 활성 영역에서 증가된 흡수를 입증하는, CIGS p형 층과 CdS n형 층을 포함하는 활성 영역, 및 광학 공명 공동부를 포함하는 도 19a에 도시된 장치에 대한 표본화된 흡광도 대 파장의 일련의 그래프;
도 21은 전도층(ITO층 및 금속층)에 의해 상하로 둘러싸인 활성 영역을 지니는 동시에 여기에 전기 접속을 위한 통공부(via)를 포함하는 광기전력 장치를 개략적으로 나타낸 도면으로, 여기서 상기 장치는 활성 영역의 흡수를 간섭계측적으로 증가시키도록 설계되어 있는 광학 공명 공동부를 추가로 포함함;
도 22는 광학 공명층과 금속층에 의해 상하로 둘러싸인 활성 영역을 지니는 동시에 전기 접속용의 통공부를 지니는 광기전력 장치를 개략적으로 나타낸 도면으로, 여기서, 상기 장치는 활성 영역의 흡수를 간섭계측적으로 증가시키도록 설계되어 있는 광학 공동부를 추가로 포함함;
도 23은 활성 영역과 금속층 사이에 배치된 광학 공명 공동부를 지니는 동시에 전기 접속용의 통공부를 지니는 광기전력 장치를 개략적으로 나타낸 도면으로, 여기서, 상기 광기전력 장치는 활성 영역의 흡수를 간섭계측적으로 증가시키도록 설계되어 있음;
도 24는 500㎚ 내지 750㎚ 사이에서 활성 영역의 평균 약 90%의 흡수를 나타내는 대략 400㎚ 내지 대략 1100㎚의 파장 범위에 대한 도 23의 광기전력 장치의 CIGS p형 층의 표본화된 흡수의 그래프;
도 25a는 광전지의 활성층이 광학 공명 공동부과 광학 공명층 사이에 배치되어 있는 광전지의 일 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 25b는 활성층 위쪽의 공명층이 유전체를 포함하고 활성층 아래쪽의 공명 공동부가 공기 간극 혹은 유전체를 포함하며 통공부가 상기 공기 간극 혹은 유전체를 통해 전기 전도를 제공하는 도 25a에 나타낸 광전지와 유사한 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 25c는 ITO층이 활성층과 공명 공동부 사이에 배치되어 있는 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 26은 광전지의 활성층과 반사체 사이에 광학 공명 공동부를 지니는 간략화된 광전지(상기 활성층 위에는 어떠한 층도 도시되어 있지 않음)의 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 27은 종래의 다중접합(multi-junction) 광기전력 장치를 개략적으로 나타낸 도면;
도 28a는 활성 영역의 흡수를 간섭계측적으로 증가시키도록 설계된 광학 공명 공동부 및 광학 공명층을 추가로 포함하는 도 27에 나타낸 것과 같은 다중접합 광기전력 장치의 일 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 28b는 공명 공동부가 공기 간극 혹은 유전체를 포함하고 통공부가 상기 공기 간극 혹은 유전체를 통해 전기 전도를 제공하는 도 28a에 나타낸 다중접합 광전지와 유사한 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 29a는 활성 영역의 흡수를 간섭계측적으로 증가시키도록 설계된 광학 공명 공동부 및 광학 공명층을 복수개 추가로 포함하는 도 27에 나타낸 다중접합 광기전력 장치의 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 29b는 공명 공동부가 공기 간극 혹은 유전체를 포함하고 통공부가 해당 공기 간극 혹은 유전체를 통해 전기 전도를 제공하는 도 29a에 나타낸 다중접합 광전지와 유사한 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 30은 종래의 반투명 PV 전지를 개략적으로 나타낸 도면;
도 31은 증가된 투명성을 제공하는 저감된 두께를 지닌 반사체를 구비한 PV 전지를 개략적으로 나타낸 도면;
도 32a는 광학 공명층을 포함하지만 광학 공명 공동부는 포함하지 않는 반투명성 다중접합 PV 전지를 개략적으로 나타낸 도면;
도 32b는 전기 전도를 제공하는 통공부를 포함하는 도 32a에 도시된 것과 유시한 반투명성 다중접합 PV 전지를 개략적으로 나타낸 도면.
도 33은 이색성 필터(dichroic filter)의 단면도를 개략적으로 나타낸 도면;
도 34는 이색성 필터층들이 각각의 활성층 밑에 배치되어 있는 다층 접합 PV 전지의 일 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 35는 광학 공명 공동부들이 각각의 활성층 밑에 배치되어 있는 다층 접합 PV 전지의 일 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 36은 광학 공명 공동부 층들이 각각의 활성층과 이색성 필터층들 사이에 삽입되어 있는 다층 접합 PV 전지의 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면;
도 37은 이색성 필터층들이 활성층들 밑에 배치되고 해당 활성층들이 상이한 합금 조성을 지니는 다층 접합 PV 전지의 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸 도면.
이하의 상세한 설명은 본 발명의 소정의 특정 실시형태에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 다수의 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 이 설명에서는, 유사한 부분이 유사한 참조 부호로 표기된 도면을 참조한다. 이하의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 각종 실시형태는 광기전력 재료를 포함하는 어떠한 장치에서도 실행될 수 있다. MEMS 장치는 이하에 설명된 바와 같이 광기전력 장치에 결합될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같은 광학적으로 투명한 유전체막 혹은 층은 광학 공명 공동부의 일례이다. 해당 유전체막 혹은 층은 유리, 플라스틱 등의 유전체 재료, 또는 기타 다른 투명한 재료를 포함할 수 있다. 이러한 광학 공명 공동부의 일례는 기포를 형성하여 반사된 색의 스펙트럼을 발생하는 비누막(soap film)이다. 도 1에 도시된 광학 공명 공동부는 2개의 면(101), (102)을 포함한다. 이들 2개의 면(101), (102)은 동일층 상에서 대향하는 면일 수도 있다. 예를 들어, 2개의 면(101), (102)은 유리 혹은 플라스틱판 혹은 시트 혹은 필름(이하, "막"이라 표기할 경우도 있음) 상의 면을 포함할 수 있다. 공기 혹은 다른 매질은 상기 시트 혹은 필름을 둘러싸고 있을 수 있다.
광학 공명 공동부의 면(101)에 입사하는 광선(103)은 광로(104)에 의해 표시된 바와 같이 (예를 들어, 프레넬 반사(Fresnel reflection)로 인해) 부분적으로 반사되고, 광로(105)를 따라 면(101)을 통해 부분적으로 투과된다. 투과된 광은 광로(107)를 따라 (예컨대, 재차 프레넬 반사로 인해) 부분적으로 반사되고 광로(106)를 따라 공명 공동부로부터 부분적으로 투과된다. 투과 및 반사된 광량은 광학 공명 공동부를 포함하는 재료의 굴절률 및 그 둘레의 매질의 굴절률에 좌우될 수 있다.
본 명세서에 제공된 설명의 목적을 위하여, 광학 공명 공동부로부터 반사된 광의 총 강도는 두 반사된 광선(104), (107)의 가간섭성 중첩(coherent superposition)이다. 이러한 가간섭성 중첩으로 인해, 두 반사된 광선의 진폭과 위상은 모두 합계 강도에 기여한다. 이 가간섭성 중첩은 간섭이라고도 칭해진다. 일반적으로, 두 반사된 광선(104), (107)은 서로에 대해서 위상차를 지닐 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 두 파 간의 위상차는 180°여서 서로 상쇄될 수 있다. 두 광선(104), (107)의 위상과 진폭이 강도를 저감시키도록 구성되어 있다면, 두 광선은 소멸(destructively) 간섭이라 지칭된다. 한편, 두 광선(104), (107)의 위상과 진폭이 강도를 증가시키도록 구성되어 있다면, 두 광선은 보강(constructively) 간섭이라 지칭된다. 위상차는 두 경로의 광로차이에 의존하며, 이것은 광학 공명 공동부의 두께와 굴절률, 따라서, 두 면(101), (102) 간의 재료의 양쪽 모두에 의존한다. 위상차는 또한 입사광선(103)의 상이한 파장에 대해서 상이하다. 따라서, 몇몇 실시형태에 있어서, 광학 공명 공동부는 입사광(103)의 특정 세트의 파장을 반사하는 한편 해당 입사광(103)의 다른 파장은 투과시킬 수 있다. 이와 같이 해서, 일부의 파장은 보강 간섭할 수 있고, 일부의 파장은 소멸 간섭할 수 있다. 따라서, 일반적으로, 광학 공명 공동부에 의해 반사되고 투과된 색 및 총 강도는 해당 광학 공명 공동부를 포함하는 재료 및 두께에 좌우된다. 상이한 파장은 상이한 각도에서 반사되고 투과되는 바, 반사되고 투과된 파장은 또한 각도에 의존한다.
도 2에 있어서, 광학 공명 공동부의 상부면(101) 상에 상부 반사체층(201)이 증착되는 한편 광학 공명 공동부의 하부면(102) 상에는 하부 반사체층(202)이 증착되어 있다. 상부 반사체층(201)과 하부 반사체층(202)의 두께는 서로 실질적으로 상이할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시형태에 있어서, 상부 반사체층(201)은 하부 반사체층(202)보다 얇을 수 있다. 상기 반사체층(201), (202)은 금속을 포함할 수 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 광학 간섭 공동부의 상부 반사체층(201)에 입사하는 광선(203)은 광로(204), (207)의 각각을 따라 해당 광학 간섭 공동부로부터 부분적으로 반사된다. 관찰자가 볼 수 있는 바와 같은 조명 시야는 2개의 반사된 광선(204), (207)의 중첩부를 포함한다. 실질적으로 장치에 의해 흡수되거나 혹은 하부 반사체층(202)을 통해 장치로부터 투과된 광량은 반사체층(201), (202)의 두께 및/또는 조성을 변화시킴으로써 유의하게 증감될 수 있다. 도시된 실시형태에 있어서, 하부 반사체층(202)의 증가된 두께는 광학 공명 공동부(101)의 반사를 증가시킨다.
몇몇 실시형태에 있어서, 상부 반사체층(201)과 하부 반사체층(202) 사이의 유전체(예컨대, 유리, 플라스틱 등)는 공기 간극에 의해 대체될 수도 있다. 광학 간섭 공동부는 입사광의 하나 이상의 특정 색을 반사할 수 있다. 광학 간섭 공동부에 의해 반사된 색 혹은 색들은 공기 간극의 두께에 의존할 수 있다. 광학 간섭 공동부에 의해 반사된 색 혹은 색들은 공기 간극의 두께를 변경함으로써 변화될 수 있다.
소정의 실시형태에 있어서, 상부 반사체층(201)과 하부 반사체층(202) 사이의 간극은 예를 들어 마이크로전자기계 시스템(MEMS: microelectromechanical systems)에 의해 변화될 수 있다. MEMS는 마이크로기계 소자, 작동기 및 전자 기기를 포함한다. 마이크로기계 소자는 기판 및/또는 증착된 재료층의 일부를 에칭 혹은 제거하거나 층들을 추가하여 전기 및 전자기계 장치를 형성하는 증착, 에칭 및/또는 기타 미세기계가공(micromachining) 공정들을 이용하여 형성될 수도 있다. 이러한 MEMS 장치는 전기적으로 조정될 수 있는 광학 공명 공동부를 지닌 간섭계 변조기들("IMODs")을 포함한다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 간섭계 변조기 또는 간섭계 광 변조기라는 용어는, 장치가 조정될 수 있는지의 여부 혹은 장치 내의 움직임이 가능한지(예컨대, 정적 IMOD)의 여부에 관계없이 광 간섭의 원리를 이용하여 광을 선택적으로 흡수 및/또는 반사하는 장치를 의미한다. 소정의 실시형태에 있어서, 간섭계 변조기는 1쌍의 도전판을 포함할 수도 있는데, 그중 하나는 부분적으로 투과성이고 부분적으로 투과성이고 다른 한쪽은 부분적으로 혹은 전체적으로 반사성이다. 상기 도전판은 적절한 전기 신호의 인가 시 상대 운동을 할 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 하나의 도전판은 기판 상에 증착된 고정층을 포함할 수도 있고, 다른 하나의 도전판은 공기 간극에 의해 고정층과는 분리된 금속막을 포함할 수도 있다. 본 명세서에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 도전판의 상대적 위치에 의해서 간섭계 변조기에 입사되는 광의 광학적 간섭은 변화될 수 있다. 이 방식에 있어서, 간섭계 변조기에 의해 출력된 광의 색이 변화될 수 있다.
이 광학 간섭 공동부를 이용해서, 적어도 두 상태를 제공하는 것이 가능하다. 일 실시형태에 있어서, 예를 들어, 제1상태는 소정 치수의 광학 간섭 공동부를 포함함으로써 선택된 색의 광(공동부의 크기에 의거해서)이 보강 간섭하여 공동부로부터 반사된다. 제2상태는 광의 보강 및/또는 소멸 간섭으로 인해 생성되는 가시성 암 상태(visible black state)를 포함하므로, 가시광 파장은 실질적으로 흡수된다.
도 3은 간섭계 변조기 적층체(300)의 약도이다. 도시된 바와 같이, IMOD 적층체(300)는 그의 상부에 유리 기판(301), 전극층(302) 및 흡수체층(303)을 포함한다. IMOD 적층체(300)는 또한 광학 공명 공동부(304)가 흡수체층(303)과 Al 반사체(305) 사이에 형성되도록 Al 반사체(305)를 포함한다. Al 반사체(305)는, 예를 들어, 소정의 실시형태에서 약 300㎚ 두께일 수 있고, 광학 공명 공동부(304)는 공기 간극을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 광학 공동부는 하나 이상의 부분적으로 투명한 도체 혹은 부분적으로 투명한 부도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시형태에 있어서, 광학 간섭 공동부는 ITO층 등의 투명한 전도층 혹은 예를 들어 SiO2층 등의 비전도성 재료, 또는 이들의 양쪽 모두를 포함할 수 있다. 각종 실시형태에 있어서, 광학 공명 공동부는 공기 간극, 투명한 전도성 산화물 등의 투명한 전도성 재료, 투명한 비전도성 산화물 등의 투명한 비전도성 재료, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있는 하나 이상의 층을 포함하는 복합 구조체를 포함할 수 있다.
도 3과 같이 나타낸 실시형태에 있어서, 광은 우선 유리 기판(301) 및 전극층(302)을 통해서 흡수체층(303) 속으로 통과됨으로써 IMOD 적층체(300)를 통과한다. 흡수체층(303)에 흡수되지 않은 광은 광학 공명 공동부(304)를 통과하고, 이때 광은 Al 반사체(305)로부터 반사되어 해당 광학 공명 공동부(304)를 통해서 도로 흡수체층(303)으로 되돌아간다. IMOD 내에서, 공기 간극의 두께는 주어진 파장 혹은 파장 범위에 대해서 "명"(bright) 상태 또는 주어진 파장 혹은 파장 범위에 대해서 "암"(dark) 상태를 생성하도록 선택될 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, "명" 상태에서, 광학 공명 공동부(304)의 두께는 광이 흡수체층(303)에서 제1간섭을 나타내도록 한다. "암" 상태에서, 광학 공명 공동부(304)의 두께는 광이 흡수체층(303)에서 제2간섭을 나타내도록 한다. 몇몇 실시형태에 있어서, 제2간섭은 (예컨대, 가시광 파장에 대해서) 제1간섭보다 더욱 보간성이다. 흡수체층에서 해당 간섭이 더욱 보간성일수록, 그 전계는 더욱 강력해지고 흡수체층(303)의 흡수가 더욱 커진다.
IMOD가 암 출력을 어떻게 발생하는지를 설명하기 위하여, 도 4a는 도 3에 예시된 IMOD에 입사된 광선 및 IMOD 내의 상이한 계면으로부터의 그 입사 광선의 각종 반사를 나타내고 있다. 이들 반사는 이러한 입사 광선으로부터 기인하는 반사의 일부만을 포함한다. 예를 들어, 각종 계면으로부터 반사된 광선은 재차 다른 계면으로부터 반사될 수 있어, 다수의 전후진 반사를 얻을 수 있다. 그러나, 간략화를 위하여, 그 반사 및 반사된 광선의 일부만이 예시되어 있다.
도 4a에 있어서, 예를 들어, 광선(401)은 IMOD 구조체에 입사하는 광선을 포함한다. 입사 광선(401)은 강도 E1 및 위상 Φ1을 지닐 수 있다. 해당 입사 광선(401)은, IMOD의 층(301)에 충돌하면, 광선(402)으로 표시된 바와 같이 부분적으로 반사되고 광선(403)으로 표시된 바와 같이 부분적으로 투과될 수 있다. 반사된 광(402)은 강도 E1ar 및 위상 Φ1 ar을 지닐 수 있다. 투과된 광(403)은 강도 E2 및 위상 Φ2를 지닐 수 있다. 투과된 광(403)은 또한 층(302)의 표면에서 광선(403a)으로 표시된 바와 같이 더욱 부분적으로 반사되고 광선(404)으로 표시된 바와 같이 부분적으로 투과될 수 있다. 반사된 광(403a)은 강도 E2ar 및 위상 Φ2 ar을 지닐 수 있다. 투과된 광(404)은 강도 E3 및 위상 Φ3을 지닐 수 있다. 마찬가지로, 투과된 광(404)은 또한 층(303)의 상부 표면에 충돌했을 때 광선(404a)으로 표시된 바와 같이 더욱 부분적으로 반사되고 광선(405)으로 표시된 바와 같이 부분적으로 투과될 수 있다. 반사된 광(404a)은 강도 E3ar 및 위상 Φ3 ar을 지닐 수 있다. 투과된 광(405)은 강도 E4 및 위상 Φ4를 지닐 수 있다. 투과된 광(405)은 또한 층(304)의 표면으로부터 광선(405a)으로 표시된 바와 같이 더욱 부분적으로 반사되고 광선(406)으로 표시된 바와 같이 부분적으로 투과될 수 있다. 반사된 광(405a)은 강도 E4ar 및 위상 Φ4 ar을 지닐 수 있다. 투과된 광(406)은 강도 E5 및 위상 Φ5를 지닐 수 있다. 투과된 광(406)은 또한 층(305)의 표면에서 광선(406a)으로 표시된 바와 같이 더욱 부분적으로 반사되고 광선(407)으로 표시된 바와 같이 부분적으로 투과될 수 있다. 반사된 광(406a)은 강도 E5ar 및 위상 Φ5 ar을 지닐 수 있다. 투과된 광(407)은 강도 E6 및 위상 Φ6을 지닐 수 있다. 반사체(305)의 하부면에서, 광선(407)으로 표시된 투과된 광은 광선(407a)으로 표시된 바와 같이 거의 완전히 반사된다. 광선(407a)의 강도는 E6ar 일 수 있고, 위상은 Φ6 ar일 수 있다.
반사된 광선들(403a), (404a), (405a), (406a), (407a)은 IMOD의 각 층으로부터 투과될 수 있고, 도 4a에 나타낸 바와 같이 장치로부터 최종적으로 투과될 수 있다. 이들 광선은 추가의 계면을 통해 투과되고, 따라서 추가의 프레넬 반사를 받게 된다. 예를 들어, 반사된 광선(403a)은 광선(403b)으로 표시된 바와 같이 기판(301)을 통해 투과된다. 반사된 광선(404a)은 전극(302) 및 기판(301)을 통해 (광선(404b)으로 표시된 바와 같이) 투과되어, 광선(404c)으로서 존재한다. 마찬가지로, 반사된 광선(405a)은 흡수체층(303), 전극(302) 및 기판(301)을 통해 (광선(405b), (405c)으로 표시된 바와 같이) 투과되어, 광선(405d)으로서 존재한다. 반사된 광선(405a)은 흡수체층(303), 전극(302) 및 기판(301)을 통해 (광선(405b), (405c)으로 표시된 바와 같이) 투과되어, 광선(405d)으로서 존재한다. 반사된 광선(406a)은 광학 공명 공동부(304), 흡수체층(303), 전극(302) 및 기판(301)을 통해 (광선(406b), (406c), (406d)으로 표시된 바와 같이) 투과되어, 광선(405e)으로서 존재한다. 반사된 광선(407a)은 반사체(305), 광학 공명 공동부(304), 흡수체층(303), 전극(302) 및 기판(301)을 통해 (광선(406b), (406c), (406d), (406e)으로 표시된 바와 같이) 투과되어, 광선(405f)으로서 존재한다.
도 1을 참조해서 설명한 바와 같이, 층(301)의 상부면 위쪽에서 측정된 바와 같은 IMOD 구조체로부터 반사된 광의 강도 및 파장은, 각 반사된 광선의 진폭과 위상이 모두 고려되도록 반사된 광선(402), (403b), (404c), (405d), (406e), (407f)의 모두의 가간섭성 중첩부를 포함한다. 도 4a에 도시되지 않은 기타 반사된 광선이 상기 광선의 가간섭성 중첩부에 포함되어 있을 수도 있다. 마찬가지로, IMOD 구조체 내, 예를 들어, 흡수체(403) 내의 임의의 영역에서의 광의 총 강도는 반사 및 투과된 파들의 전계 강도에 의거해서 계산될 수 있다. 따라서, 주어진 층 내의 광량 혹은 전계 강도가 간섭 원리를 이용해서 증감되도록 각 층의 두께와 재료를 변화시킴으로써 IMOD를 설계하는 것이 가능하다. 상이한 층의 두께와 재료를 변경함으로써 해당 상이한 층들 내의 강도 및 전계 강도 레벨을 제어하는 이 방법은 흡수체 내의 광량, 따라서 흡수체에 의해 흡수된 광량을 증가 혹은 최적화시키는데 이용될 수 있다.
상기 설명은 광학 프로세스와 유사한 것이다. 더욱 상세한 설명은 고차의 분석에 포함될 수 있다. 예를 들어, 위에서 기재된 바와 같이, 단지 단일의 통과 및 생성된 반사가 위에서 설명되었다. 물론, 층들 중 어느 하나로부터 반사된 광은 재차 다른 계면을 통해서 도로 반사될 수 있다. 이와 같이 해서 광은 광학 공명 공동부(304)를 포함하는 층들의 어느 하나 내에서 수회 전파될 수 있다. 이러한 부가적인 반사의 효과는 도 4a에 예시되어 있지는 않지만, 이들 반사도 광선의 가간섭성 중첩에서 고려될 수 있다. 따라서, 광학 프로세스의 더욱 상세한 분석이 수행될 수 있다. 또, 수학적 접근법이 이용될 수도 있다. 예를 들어, 시스템을 표본화하도록 소프트웨어를 이용할 수 있다. 이러한 소프트웨어의 소정의 실시형태는 반사 및 흡수를 계산하여 다수의 가변성의 규제된 최적화를 수행할 수 있다.
IMOD 적층체(300)는 정적일 수 있다(즉, 고정되어 있을 수 있다). 정적 IMOD 적층체에 있어서, 각종 층의 두께와 재료는 제조 공정에 의해 고정된다. 정적 IMOD 적층체의 소정의 실시형태는 공기 간극을 포함한다. 다른 실시형태에 있어서, 예를 들어, 공기 간극 대신에, 광학 공명 공동부는 유전체 혹은 ITO를 포함할 수 있다. 그러나, 정적 IMOD 적층체(300)에 의해 출력되는 광은 시야각, 그에 입사하는 광의 파장 및 그에 입사하는 그 특정 파장에 대한 IMOD 적층체의 관찰면에서의 간섭 조건에 좌우된다. 이와 대조적으로, 동적 IMOD 적층체에 있어서, 광학 공명 공동부(304)의 두께는, 예를 들어, MEMS 엔진을 이용해서 실시간에 변화될 수 있고, 이에 따라 IMOD 적층체의 관찰면의 간섭 조건을 변경할 수 있다. 정적 IMOD 적층체와 마찬가지로, 동적 IMOD 적층체에 의해 출력되는 광은 시야각, 광의 파장 및 IMOD 적층체의 관찰면에서의 간섭 조건에 좌우된다. 도 4b 및 도 4c는 동적 IMOD들을 나타내고 있다. 도 4b는 "개방" 상태에 있도록 구성된 IMOD를 예시하고 있고, 도 4c는 "폐쇄된" 혹은 "붕괴된" 상태에 있도록 구성된 IMOD를 예시하고 있다. 도 4b 및 도 4c에 예시된 IMOD는 기판(301), 박막층(303) 및 반사막(혹은 반사체)(305)을 포함한다. 해당 반사막(305)은 금속을 포함할 수 있다. 박막층(303)은 흡수체를 포함할 수 있다. 박막층(303)은 추가의 전극층 및/또는 유전체층을 포함할 수 있고, 따라서, 박막층(303)은 소정의 실시형태에서 다층으로서 설명될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 박막층(303)은 기판(301)에 부착되어 있을 수 있다. "개방" 상태에서, 박막층(303)은 간극(304)에 의해 반사막(305)으로부터 이간되어 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 예를 들어, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 간극(304)은 공기 간극일 수 있다. "개방" 상태에서, 간극(304)의 두께는, 예를 들어, 소정의 실시형태에서 120㎚ 내지 400㎚(예컨대, 대략 260㎚)에서 변화될 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, IMOD는 박막 적층체(303)와 반사막(305) 간에 전압차를 인가함으로써 "개방" 상태에서 "폐쇄" 상태로 전환될 수 있다. "폐쇄" 상태에서, 박막 적층체(303)와 반사막(305) 사이의 간극은 "개방" 상태에서의 해당 간극의 두께보다 작다. 예를 들어, "폐쇄" 상태에서의 간극은 몇몇 실시형태에서 30㎚ 내지 90㎚(예컨대, 대략 90nm)에서 변화될 수 있다. 공기 간극의 두께는, 일반적으로, 예를 들어, 소정의 실시형태에서 "개방" 상태와 "폐쇄" 상태 간에 대략 0㎚ 내지 대략 2000㎚ 사이에 변화될 수 있다. 기타 두께는 다른 실시형태에서 이용될 수 있다.
"개방" 상태에서, 입사광의 하나 이상의 주파수는 도 4a를 참조하여 기술된 바와 같이 기판(301)의 표면 위쪽에서 보강 간섭된다. 따라서, 입사광의 일부의 주파수는 실질적으로 IMOD 내에 흡수되지 않지만, 대신에 IMOD로부터 반사된다. IMOD로부터 반사된 주파수는 IMOD의 외부에서 보강 간섭된다. 기판(301)의 표면에서 보는 관찰자에 의해 관찰되는 표시색은 실질적으로 IMOD로부터 반사되지만 실질적으로 IMOD의 각종 층에 의해 흡수되지 않는 주파수에 상당할 것이다. 보강 간섭되지만 실질적으로 흡수되지 않는 주파수는 간극의 두께를 변화시킴으로써 변경될 수 있다. IMOD의 반사 및 흡수된 스펙트럼과 그 내부의 소정의 층들의 흡수 스펙트럼은, "개방" 상태에 있을 때 수직으로 입사되는 광에 대해서 도 5a 내지 도 5d에 도시되어 있다.
도 5a는, 광이 표준 입사에서 IMOD로 향할 경우 표준 입사로 보여지는 파장의 함수로서 "개방" 상태에서의 IMOD(예를 들어, 도 3의 IMOD(300))의 총 반사의 그래프를 나타내고 있다. 이 총 반사의 그래프는 대략 550㎚(예를 들어, 황색)에서의 반사 피크를 나타낸다. IMOD를 보는 관찰자는 IMOD가 황색으로 관찰될 것이다. 앞에서 언급된 바와 같이, 총 반사 곡선의 피크의 위치는 공기 간극의 두께를 변화시킴으로써 혹은 적층체 내의 하나 이상의 다른 층의 재료 및/또는 두께를 변화시킴으로써 변이될 수 있다. 예를 들어, 총 반사 곡선은 공기 간극의 두께를 변화시킴으로써 변이될 수 있다. 도 5b는 대략 400㎚ 내지 800㎚의 파장 범위에 대한 IMOD의 총 흡수의 그래프를 나타내고 있다. 총 흡광도 곡선은 반사 피크에 대응하는 대략 550㎚에서 골짜기 부분을 나타내고 있다. 도 5c는 대략 400㎚ 내지 800㎚의 파장 범위에 대한 IMOD의 흡수체층(예를 들어, 도 3의 층(303))의 흡수의 그래프를 나타내고 있다. 도 5d는 대략 400㎚ 내지 800㎚의 파장 범위에 대한 IMOD의 반사체층(예를 들어, 도 3의 (305))의 흡수를 나타내고 있다. 반사체에 의해 흡수된 에너지는 낮다. 총 흡수 곡선은, 다른 층에서의 흡수가 무시될 수 있는 경우 IMOD(400)의 흡수체 부분에 흡수 곡선 및 IMOD의 반사체 부분에서의 흡수 곡선의 총합에 의해 얻어진다. IMOD 적층체를 통한 투과는 보다 아래의 반사체(예컨대, 도 3의 (305))가 실질적으로 두껍기 때문에 실질적으로 무시될 수 있다는 점에 유의할 필요가 있다.
도 4c를 참조하면, "폐쇄" 상태에서, IMOD는 박막 적층체(303)에서 입사 가시광의 거의 모든 주파수를 흡수한다. 단지 소량의 입사광만이 반사된다. 기판(301)의 표면을 보는 관찰자에 의해 관찰되는 표시색은 일반적으로 흑색, 몇몇 실시형태에서는 적색을 띤 흑색 혹은 자색일 수 있다. 박막 적층체(303)에 흡수된 주파수는 간극의 두께를 변화시킴으로써 변경 혹은 "조율"될 수 있다.
IMOD에 대해 수직으로 보여지는 표준 입사한 광에 대해서 "폐쇄" 상태에서 IMOD의 각종 층의 스펙트럼 응답이 도 6a 내지 도 6d에 도시되어 있다. 도 6a는 대략 400㎚ 내지 800㎚의 파장 범위에 대해서 파장 대 IMOD의 총 반사의 그래프를 나타내고 있다. 총 반사는 전체 파장 범위에서 균일하게 낮은 것으로 관찰되고 있다. 이와 같이 해서, 매우 적은 광이 간섭계 변조기로부터 반사된다. 도 6b는 대략 400㎚ 내지 800㎚의 파장 범위에 대한 IMOD의 총 흡광도의 그래프를 나타내고 있다. 총 흡광도 곡선은 총 반사율의 그래프에 대응하는 전체 파장 범위에서의 대체로 균일한 흡광도를 나타낸다. 도 6c는 대략 400㎚ 내지 800㎚의 파장 범위에 대한 흡수체층의 흡수의 그래프를 나타내고 있고, 도 6d는 대략 400㎚ 내지 800㎚의 파장 범위에 대한 IMOD의 반사체층의 흡수의 그래프를 나타내고 있다. 도 6a로부터 알 수 있는 바와 같이, "폐쇄" 상태에서, IMOD는 도 5a의 총 반사와 반대로 비교적 낮은 총 반사를 나타낸다. 또한, IMOD는 "개방" 상태(도 5b 및 도 5c)와 반대로 "폐쇄" 상태(각각 도 6b 및 도 6c)에서의 흡수체층의 비교적 높은 총 흡광도와 흡광도를 나타내고 있다. 반사체 흡수는 IMOD가 "개방" 상태(도 5d) 또는 "폐쇄" 상태(도 6d)인 경우의 양쪽 모두에서 IMOD에서 비교적 낮다. 따라서, 대부분의 전계 강도는 광이 흡수되고 있는 흡수체층 내에 있다.
일반적으로, IMOD 적층체는 설계 단계 동안 고려될 수 있는 시야각 의존성을 지닌다. 더욱 일반적으로, IMOD의 스펙트럼 응답은 입사각과 시야각에 의존할 수 있다. 도 7a 내지 도 7d는 입사각 혹은 시야각이 적층체의 법선에 대해서 30°인 경우 "개방" 상태 위치에서 IMOD에 대한 표본화된 흡광도 및 반사 대 파장의 일련의 그래프를 나타내고 있다. 도 7a는 대략 400㎚ 내지 800㎚의 파장 범위에 대한 IMOD의 파장 대 IMOD의 총 반사의 그래프를 나타내고 있다. 총 반사의 그래프는 대략 400㎚에서 반사 피크를 보인다. 도 7a와 도 5a를 비교해보면, 입사각 혹은 시야각이 표준 입사로부터 30°로 변화될 경우 총 반사 대 파장의 그래프가 파장 축을 따라 변이되는 것을 나타내고 있다. 도 7b는 IMOD에 대한 대략 400㎚ 내지 800㎚의 파장 범위에 대한 총 흡광도의 그래프를 나타내고 있다. 총 흡광도 곡선은 반사 피크에 대응하는 대략 400㎚에서 골짜기 부분을 나타내고 있다. 도 7b와 도 5b를 비교해보면, 입사각 혹은 시야각이 표준 입사로부터 30°로 변화될 경우에도 흡수 곡선에서의 골짜기 부분이 파장축을 따라 변이되는 것을 나타내고 있다. 도 7c는 대략 400㎚ 내지 800㎚의 파장 범위에 대한 IMOD의 흡수체(예를 들어, 도 3의 (303))의 흡수의 그래프를 나타내고 있다. 도 7d는 대략 400㎚ 내지 800㎚의 파장 범위에 대한 IMOD의 반사체(예를 들어, 도 3의 (305))의 흡수를 나타내고 있다.
도 8a 내지 도 8d는 입사각 혹은 시야각이 30°인 경우 "폐쇄" 상태 위치에서 도 4a의 IMOD에 대해서 표본화된 흡광도 및 반사 대 파장의 일련의 그래프를 나타내고 있다. 도 8a는 대략 400㎚ 내지 800㎚의 파장 범위에 대해서 파장 대 IMOD의 총 반사의 그래프를 나타내고 있다. 총 반사는 전체 파장 범위에서 균일하게 낮은 것으로 관찰되고 있다. 이와 같이 해서, 매우 적은 광이 간섭계 변조기로부터 반사된다. 도 8b는 대략 400㎚ 내지 800㎚의 파장 범위에 대한 총 흡광도의 그래프를 나타내고 있다. 총 흡광도 곡선은 총 반사율의 그래프에 대응하는 전체 파장 범위에서의 대체로 균일한 흡광도를 나타낸다. 도 8c는 대략 400㎚ 내지 800㎚의 파장 범위에 대한 흡수체층의 흡수의 그래프를 나타내고 있고, 도 8d는 대략 400㎚ 내지 800㎚의 파장 범위에 대한 IMOD의 반사체층의 흡수를 나타내고 있다. 도 6a 내지 도 6d와 도 8a 내지 도 8d를 비교해보면, 입사각 혹은 시야각이 30°인 경우 "폐쇄" 상태의 IMOD의 스펙트럼 응답은 표준 입사에 대한 것과 대체로 동일한 것을 알 수 있다. 따라서, "폐쇄" 상태의 IMOD의 스펙트럼 응답은 입사각 혹은 시야각에 강한 의존성을 보이지 않는 것을 추론할 수 있다.
도 9는 전형적인 광기전력 전지(900)을 나타낸다. 전형적인 광기전력 전지는 광 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있다. PV 전지는 작은 탄소 배출량(carbon footprint)을 지니고 환경에 대해서 덜 영향을 미치는 재생가능한 에너지 공급원의 일례이다. PV 전지를 이용함으로써, 에너지 발전 비용을 저감시켜 가능한 한 비용 이득을 제공할 수 있다.
PV 전지는, 예컨대, 우표보다 작은 것으로부터 수 인치에 이르는 것까지 많은 상이한 크기와 형상을 지닐 수 있다. 수개의 PV 전지가 함께 접속되어 수 피트의 길이와 수 피트의 폭에 이를 수 있는 PV 전지 모듈을 형성할 경우도 있을 수 있다. 상기 모듈은 전기 접속, 탑재 하드웨어, 전력 조절 장비 및 태양이 비치지 않을 때 이용하기 위하여 태양 에너지를 보존하는 배터리를 포함할 수 있다. 이어서, 모듈들은 결합되고 접속되어 상이한 크기와 전력 출력의 PV 어레이를 형성할 수 있다. 어레이의 크기는 특정 개소에서 이용할 수 있는 태양광의 양과 소비자의 요구 등과 같은 수개의 인자에 좌우될 수 있다.
광전지는 해당 광전지로부터 출력된 전력과 태양 전지에 입사하는 광학 파워를 측정하고 그 비를 산출함으로써 결정될 수 있는 전체 에너지 변환 효율(η, "에타")을 지닌다. 하나의 관례에 의하면, 태양 전지의 효율은 표준 일사(standard solar radiation)("공기 질량(air mass) 1.5"로도 알려짐)에 노출된 표면적 1㎡를 지니는 광전지에 의해 발생된 피크 전력량(와트)의 비율에 의해 부여될 수 있다. 표준 일사는 청명한 3월의 춘분 혹은 9월의 추분의 정오에 적도에서의 일사량이다. 표준 일사는 제곱 미터당 1000와트의 전력 밀도를 지닌다.
전형적인 PV 전지는 두 전극 사이에 배치된 활성 영역을 포함하고, 반사체를 포함할 수 있다. 반사체는 소정의 실시형태에서 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 이상의 반사율을 지닐 수 있다. 반사체는 다른 실시형태에서는 보다 낮은 반사율을 지닐 수 있다. 예를 들어, 반사율은 10%, 20%, 30%, 40% 이상일 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, PV 전지는 추가적으로 기판도 포함한다. 기판은 활성층과 전극을 지지하는데 이용될 수 있다. 활성층과 전극은, 예를 들어, 기판 상에 증착되어 광기전력 장치 및/또는 그 후의 제조 동안 기판에 의해 지지된 박막을 포함할 수 있다. PV 전지의 활성층은 실리콘 등의 반도체 재료를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 활성 영역은 도 9에 나타낸 바와 같이 n형 반도체 재료(903)와 p형 반도체 재료(904)를 접촉시킴으로써 형성된 p-n 접합부를 포함할 수 있다. 이러한 p-n 접합부는 다이오드와 같은 특성을 지닐 수 있고, 따라서, 포토다이오드 구조로도 지칭될 수 있다.
층들(903), (904)이 두 전극 사이에 삽입되어 전류 경로를 제공한다. 배면 전극(905)은 알루미늄 혹은 몰리브덴 혹은 기타 다른 전도성 재료로 형성될 수 있다. 해당 배면 전극은 거칠고 미연마되어 있을 수 있다. 정면 전극(901)은 접촉 저항을 낮추고 수집 효율을 증가시키기 위하여 p-n 접합부의 정면의 많은 부분을 커버하도록 설계되어 있다. 정면 전극이 불투명 재료로 형성되어 있는 실시형태에 있어서, 정면 전극은 조명이 p-n 접합부의 표면 상에 충돌하는 것을 허용하는 구멍 혹은 간극을 지니도록 구성되어 있을 수 있다. 이러한 실시형태에 있어서, 정면 전극은 그리드일 수 있거나, 또는 포크나 손가락 형상으로 구성될 수도 있다. 몇몇 다른 실시형태에 있어서, 상기 전극은 투명한 도체, 예를 들어, 산화주석(SnO2) 혹은 인듐 주석 산화물(ITO) 등의 투명한 전도성 산화물(TCO)로 형성될 수 있다. TCO는 양호한 전기적 접촉 및 전도율을 제공할 수 있고, 동시에, 입사되는 광에 대해서 광학적으로 투과성일 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, PV 전지는 또한 정면 전극(901) 위에 배치된 반사방지(AR: anti-reflective) 피막층(902)을 포함할 수 있다. AR-피막층(902)은 도 9에 도시된 n형 층(903)의 표면으로부터 반사되는 광량을 저감시킬 수 있다.
p-n 접합부의 표면이 조명될 경우, 광자가 활성 영역 내의 전자로 에너지를 전달한다. 광자에 의해 전달된 에너지가 반도체 재료의 밴드-갭보다 크다면, 전자는 전도 대역으로 유입되는 충분한 에너지를 지닐 수 있다. p-n 접합부의 형성에 의해 내부 전계가 형성된다. 내부 전계는 에너지를 받은 전자에 작용하여 이들 전자를 이동시킴으로써 외부 회로(907) 내의 전류 흐름을 발생시킨다. 얻어지는 전류 흐름은 도 9에 나타낸 바와 같이 백열 전구(906) 등과 같은 각종 전기 기구를 통전시키는 데 이용될 수 있다.
광학 파워가 전력으로 변환되는 효율은 전술한 바와 같이 전체 효율에 상당한다. 전체 효율은 광이 활성층에 의해 흡수되는 효율에 적어도 부분적으로 의존한다. 이 효율(본 명세서에서는 흡수 효율 ηabs로 지칭됨)은, 이하에 표시된 관계식으로 표시되는 바와 같이 활성층에서의 굴절률 n, 소광 계수 k 및 전계 진폭의 제곱 |E(x)|2에 비례한다:
상기 수치 n은 복소수의 굴절률 중의 실수부이다. 흡수 혹은 소광 계수 k는 일반적으로 복소수의 굴절률 중의 허수부이다. 흡수 효율 ηabs는 이와 같이 해서 층의 재료 특성과 층(예컨대, 활성층) 내의 전계 강도에 의거해서 산출될 수 있다. 특정 층의 전계 강도는 전계가 특정 층의 두께에 대해서 평균화되어 있는 평균 전계 강도로서 지칭될 수 있다.
위에서 기재된 바와 같이, 활성층에서 흡수된 광은, 자유 캐리어(free carriers), 예컨대, 전기를 제공하는데 이용될 수 있는 전자-정공 쌍을 생성한다. 전체 효율 혹은 전체 변환 효율은 활성 재료에서 발생된 이들 전자와 정공이 전극에 의해 수집되는 효율에 부분적으로 의존한다. 이 효율은 여기서 수집 효율 ηcollection으로서 지칭된다. 이와 같이 해서, 전체 변환 효율은 흡수 효율 ηabs와 수집 효율 ηcollection의 양쪽 모두에 의존한다.
PV 전지의 흡수 효율 ηabs 및 수집 효율 ηcollection은 각종 인자에 의존한다. 예를 들어, 전극층(901), (905)에 이용되는 두께와 재료는 흡수 효율 ηabs와 수집 효율 ηcollection의 양쪽 모두에 영향을 미칠 수 있다. 또한, PV 재료(903), (904)에 이용되는 두께와 재료는 흡수와 수집 효율에 영향을 미칠 수 있다.
전체 효율은 전극층(901), (905)에 대해서 프로브 혹은 전도성 리드를 배치함으로써 측정될 수 있다. 전체 효율은 또한 광기전력 장치의 표본을 이용해서 산출될 수도 있다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 이들 효율은 표준 일사 - 공기 질량 1.5에 대한 것이다. 또한, 전계, 흡수 효율 등은 태양광 스펙트럼에 대한 파장에 대해서 적분될 수 있다. 태양광 스펙트럼은 충분히 공지되어 있고, 태양에서 방출된 광의 파장을 포함한다. 이들 파장은 가시광, UV 및 적외광 파장을 포함한다. 몇몇 실시형태에 있어서, 전계, 흡수 효율, 전체 효율 등은 태양광 스펙트럼의 일부에 대해서, 예를 들어, 가시광 파장 범위, 적외광 파장 범위 혹은 자외광 파장 범위에 대해서 적분된다. 소정의 실시형태에 있어서, 전계, 흡수 효율, 전체 효율 등은 보다 작은 파장 범위, 예컨대, 10㎚, 100㎚, 200㎚, 300㎚, 400㎚, 500㎚ 또는 600㎚ 등의 대역폭을 지니는 범위에 대해서 계산된다.
몇몇 실시형태에 있어서, 도 9에 도시된 p-n 접합부는, 진성 반도체 혹은 비도핑 반도체층이 p형 반도체와 n형 반도체 사이에 삽입되어 있는 p-i-n 접합부로 교체될 수 있다. p-i-n 접합부는 p-n 접합부보다 높은 효율을 지닐 수 있다. 몇몇 다른 실시형태에 있어서, PV 전지는 다중접합부를 포함할 수 있다.
활성 영역은 결정성 실리콘(c-실리콘), 비정질 실리콘(α-실리콘), 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 구리 인듐 이셀렌화물(CIS: copper indium diselenide), 구리 인듐 갈륨 이셀렌화물(CIGS: copper indium gallium diselenide), 광 흡수 염료 및 고분자, 광 흡수 나노입자가 내부에 배치된 고분자, GaAs 등의 III-V족 반도체 등과 같은 각종 광 흡수 재료로 형성될 수 있다. 기타 재료도 이용될 수 있다. 광자가 흡수되어 에너지를 예를 들어 전자에 전달하는 광 흡수 재료는 본 명세서에서는 PV 전지의 활성층으로 지칭된다. 활성층의 재료는 PV 전지의 소망의 성능 및 적용에 따라 선택될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, PV 전지는 박막 기술을 이용해서 형성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에 있어서, PV 전지는 기판 상에 TCO의 제1층을 증착함으로써 형성될 수 있다. 활성 재료(혹은 광 흡수 재료)의 층은 제1 TCO층 상에 증착된다. 제2 TCO층은 활성 재료의 층 상에 증착될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 반사방지(AR) 피막층은 제2 TCO층 위에 증착될 수 있다. 이들 층은 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 전기-화학적 기상 증착법 등의 증착법을 이용해서 증착될 수 있다. 박막 PV 전지는 박막 다결정성 실리콘, CIS, CdTe 혹은 CIGS 등의 다결정성 재료를 포함할 수 있다. 박막 PV 전지의 몇몇 이점은 특히 제조 과정의 측정가능성(scalability) 및 소형 장치 풋프린트(small device footprint)이다.
도 10은 전형적인 박막 PV 전지(1000)를 개략적으로 나타낸 블록이다. 전형적인 PV 전지(1000)는 광이 통과하는 유리 기판(1001)을 포함한다. 유리 기판(1001) 상에는, 제1투명 전극층(1002), 비정질 실리콘을 포함하는 PV 재료층(1003), 제2투명 전극층(1005), 및 알루미늄 또는 Mo, Ag, Au 등의 기타 소정의 금속을 포함하는 반사체(1006)가 배치되어 있다. 제2투명 전극층(1005)은 ITO를 포함할 수 있다. 활성 재료의 일부는 도핑되어 n형 영역 및 p형 영역을 형성하며, 활성 재료의 일부는 비도핑되어 p-i-n 구조를 형성할 수도 있다. 일 설계에 있어서, 제1투명 전극층의 두께는 대략 900㎚일 수 있는 한편, PV 재료의 두께는 대략 330㎚일 수 있다. 일 설계에 있어서, 제2투명 전극층(1005)은 대략 80㎚의 두께를 지니고, 반사체(1006)는 대략 300㎚의 두께를 지닌다. 예시된 바와 같이, 제1투명 전극층(1002)과 제2투명 전극층(1005) 사이에는 비정질 실리콘 층(1003)이 삽입되어 있다. 제2투명 전극층(1005) 상에는 반사체층(1006)이 배치되어 있다. PV 전지에서, 광자는 활성 혹은 흡수체층에서 흡수되고, 흡수된 광자의 일부는 전자-정공 쌍을 생성할 수 있다.
도 10과 도 3을 비교해보면, IMOD의 구조와 전형적인 PV 장치는 상사성을 지니는 것이 관찰된다. 예를 들어, 도 3에 나타낸 IMOD와 도 10에 나타낸 PV 전지는 각각 다수의 층을 포함하는 적층 구조를 포함한다. IMOD와 PV 장치는 모두 또한 기판(예를 들어, 도 3의 (301) 및 도 10의 (1001)) 상에 배치된 광 흡수층(예를 들어, 도 3의 (303) 및 도 10의 (1003))을 포함한다. 광 흡수층은 IMOD와 PV 전지의 양쪽 모두에 대해서 유사한 특성을 지니도록 선택될 수 있다. 도 3의 IMOD와 도 10의 PV 전지는 모두 반사체(예를 들어, 도 3의 (305) 및 도 10의 (1006))를 포함한다. 이와 같이 해서, IMOD를 조율해서 그의 각종 층에서 전계의 바람직한 분포 및 그 결과 얻어지는 출력을 제공하는 능력은 PV 장치에 적용될 수 있는 것이 상정될 수 있다. 예를 들어, 광학 공명 공동부는 활성층(예컨대, 도 10의 광 흡수층(1003)) 밑에 포함되어, PV 장치를 조율하여 활성 혹은 흡수층(1003)을 제외한 모든 층에서의 흡수를 저감시키고 활성 혹은 흡수층(1003)에서의 흡수를 증가시킬 수 있고, 몇몇 의미에서, IMOD는 PV 전지에 편입되거나 그 역으로 될 수 있다고 말할 수 있다.
도 10에 나타낸 것과 같은 종래의 PV 전지에 있어서, PV 재료 층(1003)의 흡수는 종래 층(1005)의 도입에 의해 증강될 수 있는 것으로 여겨져 왔다. 따라서, 제2투명 전극층(1005)은 반사 증강층으로도 지칭되고 있다. 또한, 종래 활성층의 흡수는 제2투명 전극층(1005)의 두께에 따라 직선적으로 증가되는 것으로 여겨진다(예컨대, "Light-Trapping in a-Si Solar Cells: A Summary of the Results from PV Optics", B. L. Sopori, et.al., National Center for Photovoltaics Program Review Meeting, Denver, Colorado, September 8-11, 1988 참조). 일반적으로, 층(1005)의 내포는 반사체층(1006)의 반사를 증가시키지 않는다. 또한, 활성층의 흡수는 종래 생각되던 바와 같이 반드시 제2투명 전극층(1005)의 두께에 따라 직선적으로 증가할 필요는 없다. 이하에 설명되는 바와 같이, 일반적으로 제1전극층(1002)의 두께와 제2전극층(1005)의 두께는 흡수가 최대화되는 최적점을 지닐 수 있다.
또한, 몇몇 종래의 설계에 있어서, 전극층(1005)의 두께와 반사체층(1006)의 두께는 PV 전지로부터 반사된 총 광량을 최소화하도록 변화된다. 광이 PV 전지로부터 반사되지 않는다면, 이 광은 흡수되어 상기 광기전력 장치의 전체 효율이 증가된다고 하는 것을 가정하고 있다. 이것을 위해서, 반사체(1006)의 표면은 반사체로부터의 정반사성 반사를 저감시키기 위하여 더욱 확산되도록 조면화(roughened)되어 있을 수 있다. 이들 방법은 흑색으로 보이는 PV 전지를 잠재적으로 생산할 수 있다. 그러나, PV 장치로부터의 반사를 저감시키고 흑색으로 보이는 PV 전지를 생산하는 것을 목적으로 하는 전술한 방법은, 흡수 혹은 활성층(1003)에서의 흡수를 증가시키는데 불충분할 수 있고, 따라서, 광기전력 장치의 효율을 증가시키는데 불충분할 수 있다.
PV 전지의 효율을 증가시키는 이러한 종래의 접근법의 성공은 제한되어 왔다. 그러나, 위에서 기재된 바와 같이, 간섭 원리는 PV 장치에서 하나 이상의 층을 "조율"하고, 더 많은 광이 흡수층(1003)에 의해 흡수될 수 있도록 PV 전지를 최적화하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, IMOD의 설계에 이용되는 간섭 원리는 PV 전지의 제조에 적용될 수 있다. 활성층에서의 전계 공명을 발생시키는 광학 공명 공동부가 PV 전지에 내포됨으로써, 활성층의 흡수와 전계 강도를 증가시킬 수 있다. 도시된 바와 같이, 예를 들어, 활성층(혹은 광 흡수층(1003))에서의 흡수의 증가는 제2투명 전극층(1005)을 공기 간극 또는 SiO2 등의 투명한 비전도성 유전체를 포함하는 광학 공명 공동부로 대체함으로써 달성될 수 있다. 투명 전극층(1005)을 광학 공명 공동부로 대체함으로써, 반사체의 반사는 반드시 증가되는 것은 아니지만, 광학 공명 공동부는 낮은 흡수층을 포함하여 활성층에서의 흡수를 간섭계측적으로 증가시킬 수 있다.
태양 전지의 효율을 어떻게 증가시킬 수 있는지를 입증하기 위하여, 도 11a에 도시된 종래의 태양 전지 설계가 연구되었다. 도 11a는 Cu(In,Ga)Se2 'CIGS/CdS' PV 적층체를 포함하는 PV 전지를 예시하고 있다. PV 전지는 ITO 혹은 ZnO 전도성 전극층(1101), CdS를 포함하는 n형 재료층(1102), CIGS를 포함하는 p형 재료층(1103), Mo를 포함하는 반사체층(1104) 및 유리 기판(1105)을 구비한다. 위에서 기재된 바와 같이, 도 11a에 나타낸 PV 전지의 효율은 IMOD 구조체 및 IMOD에 의해 이용되는 간섭 원리를 PV 전지에 내포시킴으로써 증가될 수 있다. 이것은 도 11b 내지 도 11h에 도시된 바와 같은 정적 혹은 동적 광학 공명층을 도입함으로써 달성될 수 있다. 각종 실시형태에 있어서, 광학 공명층은 활성층 내의 전기 공명을 도입함으로써 그 내부의 평균 전계를 증가시킨다. 이하의 설명에 있어서, 이하에 명명하는 사항은 명확화를 위하여 채용된 것이다. 흡수층과 반사체층 사이에 삽입된 광학 공명층은 '광학 공명 공동부'라 지칭되는 한편, 적층체 내의 어디엔가 배치되는 광학 공명층은 '광학 공명층'이라 지칭된다. 공동부 혹은 층을 기재함에 있어 공진 및 공명이라는 용어는 본 명세서에서는 호환적으로 이용될 수 있다.
도 11b에 있어서, ITO를 포함하는 광학 공명 공동부(1106)는 활성 혹은 흡수 재료(층(1102), (1103))와 반사체층(1104) 사이에 삽입되어 있다. 도 11c에 나타낸 실시형태에 있어서, 광학 공명 공동부(1106)는 중공 영역을 포함한다. 도 11c에 나타낸 바와 같은 일부의 실시형태에 있어서, 중공 영역은 공기 혹은 기타 가스를 포함한다. ITO층을 공기 간극으로 대체하는 것은, 활성층을 제외하고, 모든 층들(예를 들어, 광학 공명 공동부를 포함함)의 흡수를 감소시킬 수 있다. 이와 같이 해서, 몇몇 실시형태에 대해서, 광학 공명 공동부용의 재료의 선택은 중요할 수 있다. 예를 들어, 도 11d에 나타낸 바와 같이 광학 공명 공동부가 공기 또는 SiO2를 포함하는 실시형태는 도 11b에 나타낸 바와 같은 ITO를 포함하는 광학 공명 공동부보다 활성층의 흡수를 더욱 증가시킬 수 있다. 도 11b 내지 도 11d에 예시된 실시형태는 단일 재료 혹은 매질을 포함하되, 이러한 매질을 통해서 광이 전파된다. 도 11e 내지 도 11h에 나타낸 바와 같은 각종 실시형태에 있어서, 간섭계측적으로 조율된 광기전력(iPV) 전지는 2개 이상의 층을 포함하는 복합 광학 공명 공동부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 11e에 나타낸 실시형태에 있어서, 광학 공명 공동부는 ITO층(1106a) 및 공기층(1106b)을 포함한다. 도 11f에 나타낸 실시형태는 ITO층(1106a) 및 SiO2층(1106b)을 포함하는 복합 광학 공명 공동부를 포함한다. 도 11g에 나타낸 실시형태는 SiO2층(1106a) 및 공기 간극(1106b)을 포함하는 복합 광학 공명 공동부를 포함한다. 도 11h에 나타낸 실시형태는 ITO층(1106a), SiO2층(1106b) 및 공기 간극(1106c)을 포함한다. 따라서, 각종 실시형태에 있어서, 광학 공명 공동부 및 기타 광학 공명층은 전도성 혹은 비전도성 산화물 혹은 질화물층 등과 같은 하나 이상의 투명한 전도성 혹은 비전도성 재료를 포함할 수 있다. 기타 재료도 이용될 수 있다. 상기 층들은 부분적으로 투명할 수 있다.
광학 공명 공동부(혹은 층)는 몇몇 실시형태에서 동적일 수 있다. 도 11i에 나타낸 바와 같이, 예를 들어, 반사체층(1104)은 기둥부(1107)에 의해 활성층으로부터 이간되어 있을 수 있다. 반사체층(1104)은 이동가능할 수 있고, 특히, 활성층을 향하여 혹은 활성층으로부터 멀리 이동함으로써 광학 공명 공동부의 두께를 변경할 수 있다. 반사체층(1104)의 이동은 반사체층(1104)과 ITO층(1101)에 전압을 인가하여 정전기력을 발생시킴으로써 유발될 수 있다. 광학 공명 공동부는, 예를 들어, 환경 조건의 변화에 따라 활성층의 흡수 특성을 변경하도록 동적으로 조율될 수 있다. 도 11j는 광학 공명 공동부가 SiO2층(1106a)과 공기 간극(1106b)을 포함하는 복합 공명 공동부인 대안적인 실시형태를 나타내고 있다. SiO2를 포함하는 유전체층(1106a)은 폐쇄 상태에서 전극(1101), (1104)를 전기적으로 절연시키는데 이용될 수 있다. iPV 전지의 흡수 효율을 증가시키는 과정은 이하에 설명된다.
일반적으로, 광학 적층체는 다수의 층을 포함할 수 있고, 이들 층 사이의 각 계면은 입사광의 일부를 반사시킬 것이다. 일반적으로, 계면은 또한 입사광의 일부가 통과하는 것(아마도 최종 층인 것은 제외함)을 허용한다. 도 12는 특별히 지정되지 않은 개수의 층을 지니는 일반화된 iPV 장치의 각종 층으로부터 반사된 입사광을 나타내고 있다. iPV 장치의 층(1201)에 입사되는 전계 Ei를 특징으로 하는 입사파는 도 4a를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이 부분적으로 반사되고 부분적으로 투과된다. 투과된 파는 도면의 오른쪽을 향하여 전파되는 전계 El ,r을 특징으로 한다. 전계 E'j -l,r을 특징으로 하는 이 파의 일부는 층(1202), (1203)의 계면에서 입사된다. 이 중, Ej ,r을 특징으로 하는 부분은 흡수체층(1203) 내로 투과된다. 투과된 방사선의 일부는 흡수체층(1203)에서 흡수된다. 전계 E'j ,r을 특징으로 하는 파의 미흡수된 부분은 층(1203), (1204)의 경계에서 입사된다. 전계 E'j ,r의 Ej +l,r을 특징으로 하는 부분은 광학 공명 공동부(1204) 내로 투과된다. 입사파 Ei의 전계 Et를 특징으로 하는 작은 부분은, 금속 도체/반사체(1205)가 부분적으로 투과성인 경우에 iPV로부터 투과된다.
각종 층의 계면에서, 입사 방사선의 일부도 반사된다. 예를 들어, 전계 Ej+l,l은 층(1204), (1205)의 경계로부터 반사되어 도면의 왼쪽을 향하여 전파되는 전계 Ej +l,r의 일부를 나타낸다. 마찬가지로, 전계 E'j ,l; Ej ,l; E'j -l,l 및 El ,l은 층(1201)을 향하여 iPV 장치에 전파 중인 파를 나타낸다. 반사된 파 Er은 iPV 장치의 각종 층으로부터 반사된 파들의 중첩에 의해 부여된다. 주어진 계면으로 진입하고 해당 계면으로부터 나가는 전계는 각종 계면에 대한 반사 계수와 투과 계수에 대한 값과 층들의 횡단으로 인한 위상 그리고 행렬법을 이용해서 산출될 수 있다. 일단 주어진 층, 예컨대, 활성층의 전계가 알려져 있다면, 그 내의 흡수는 결정될 수 있다. 흡수체층(1203)으로 진입하고 예컨대 흡수체층(1203)으로부터 나오는 시간 평균화된 에너지 플럭스(규정 면적의 단위 당의 시간 평균 파워) 또는 포인팅 벡터(Poynting vector)의 시간 평균 크기가 계산될 수 있다. 이와 같이 해서 흡수체층(1203)에 의해 흡수된 총 파워는 해당 흡수체층(1203)으로 진입하는 총 파워로부터 흡수체층(1203)으로부터 나가는 파워의 양을 차감함으로써 계산될 수 있다. 각종 실시형태에 있어서, 흡수체층(1203)으로부터 나오는 포인팅 벡터의 시간 평균 크기에 대한 흡수체층(1203)으로 진입하는 포인팅 벡터의 시간 평균 크기의 비가 증가되어 iPV 장치의 효율을 증가시킬 수 있다.
iPV 전지의 소정의 층, 예컨대, 흡수체층에서 흡수된 파워는, 전술한 바와 같이 전체 iPV 적층체에 좌우될 수 있다. iPV 전지의 소정의 층에 흡수된 에너지량은 해당 층의 굴절률 n, 해당 층의 소광 계수, 해당 층의 전계 진폭의 제곱 |E(x)|2 및 해당 층의 두께 t에 직접 비례한다. iPV 장치의 에너지 흡수를 증가 혹은 최적화시키는 하나의 접근법은 흡수체층을 둘러싸고 있는 층들에 흡수된 에너지량을 저감시키고 해당 흡수체층에 흡수된 에너지량을 증가시키는 것이다. 흡수체층을 둘러싸고 있는 층들에 흡수된 에너지량은, 예를 들어, 낮은 n×k 값을 지닌 재료를 채택하거나, 해당 둘러싸고 있는 층들의 두께를 저감시키거나 혹은 해당 둘러싸고 있는 층의 전계 강도를 저감시킴으로써, 또는 이들 접근법의 소정의 조합에 의해 저감될 수 있다. 예를 들어, 하나의 최적화 방법에 있어서, iPV 전지의 흡수체층의 전계는 이하의 하나 이상을 사용해서 증가될 수 있다: 즉, A) iPV 적층체의 각종 층의 재료와 두께는 활성층에 도달하는 반사된 전계와 투과된 전계가 보강 간섭하도록 조정될 수 있다. B) 활성층 이외의 iPV 장치의 층 내의 전계 강도는, 예를 들어 소멸 간섭으로부터 적어도 부분적으로 연유해서 저감될 수 있다. C) 예를 들어 적절한 위상 변이와 반사, 낮은 굴절률 n 및/또는 낮은 소광 계수 상수 k를 제공하는 소망의 혹은 최적의 굴절률 n을 지닌 광학 공명 공동부에 대해서 재료를 선택할 수 있으므로, 해당 광학 공명 공동부는 활성층에 의해 전기 에너지로 변환된 적은 광이 광학 공명 공동부에 의해 흡수되도록 활성층의 밴드-갭에 대응하는 파장에 대해 낮은 흡수를 지닌다. 몇몇 실시형태에 있어서, 광학 공명 공동부의 조성과 두께는, 흡수체의 전계가 예를 들어 활성층의 밴드-갭과 등가인 에너지를 지닌 파장에 대해서 증가되도록 할 수 있다. D) 더욱 일반적으로는, 활성층의 밴드-갭과 등가인 에너지를 지닌 파장에 대해서 굴절률 n과 소광 계수 k의 곱이 낮은 재료를 활성층 이외의 층들에 이용할 수 있다. 활성층 이외의 iPV 장치의 층들의 전계 강도를 저감시키고/시키거나, 이들 층의 낮은 굴절률 및/또는 소광 계수 k를 지닌 재료를 이용해서 흡수를 저감시킴으로써, iPV 장치의 활성 혹은 흡수체층을 제외한 모든 층에서의 에너지 흡수의 저감이 달성될 수 있다. E) 전계 강도가 높은 활성층 이외의 다른 층에서 낮은 n 및/또는 k 값, 따라서, 낮은 흡수를 지닌 재료도 이용될 수 있다.
활성 혹은 흡수체층의 증가된 흡수에 대해서 iPV 장치를 최적화시키기 위하여, 광학 공명 공동부의 두께가 간섭 효과를 통해서 활성 영역의 광의 강도를 증가시키도록 선택될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 광학 공명 공동부 내의 간극의 두께는 표본화 소프트웨어 및 수치 루틴을 이용함으로써 iPV 전지의 설계 단계 동안 선택 혹은 최적화된다. 광학 공명 공동부의 간극의 두께는 도 11b 내지 도 11f의 IMOD 내장 PV 전지 구조체 내에 MEMS 엔진 혹은 플랫폼을 더욱 내장시킴으로써 실시간에 매우 동적으로 변경될 수 있다(예를 들어, 도 11g 및 도 11h 참조). 그러나, 각종 실시형태에 있어서, 간극은 고정되어 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 활성 혹은 흡수체층의 흡수 효율을 증가시키기 위하여 광학 공명 공동부의 두께를 변경 혹은 최적화시키는 것에 부가해서 활성층의 두께도 또한 변경 혹은 최적화될 수 있다.
도 13은 iPV 장치(1300)를 제조하는 방법의 일 실시형태의 흐름도이다. 이 과정은 스텝 1302에서 시작되고 나서, 스텝 1304로 이행하여, iPV 장치 설계자가 설계 특성 및/또는 제조 규제(fabrication constraints)의 세트를 확인한다. iPV 장치는 다수의 층을 포함하는 광학 적층체를 포함한다. 일반적으로, 층들은 활성층 및 광학 공명층(예컨대, 광학 공명 공동부)를 포함한다. 추가의 층은 예를 들어 전극 및 전기적 절연층을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 광학 공명층은 전극, 전기적 절연층 또는 활성층의 흡수를 증가시키는 것에 부가해서 다른 기능을 가진 층을 포함한다. 이들 층 중 임의의 층의 각종 파라미터(예컨대, 두께, 재료)는 하나 이상의 이유에 대해 규제될 필요가 있을 수 있다. 설계 특성 및/또는 제조 규제는, 예를 들어, 수집된 전자가 불활성층의 흡수뿐만 아니라 열로서 방열되는 것보다 오히려 전기에 이용되도록 하나 이상의 전극층의 평면내 저항을 포함할 수 있다. 또한, 활성층의 흡수는 이용된 특정 재료뿐만 아니라 적층체 내의 모든 층의 두께의 양쪽 모두에 의존하기 때문에, 규제된 층(들)의 이러한 재료 및 층 두께는 소정의 실시형태에서 주의해서 선택된다.
이 방법은 이어서 스텝 1306으로 진행하여, 규제되지 않은 파라미터가 상기 활성층의 효율(예컨대, 흡수 효율)을 증가시키도록 선택 혹은 최적화된다. 일 실시형태에 있어서, 효율의 최적화는 적어도 하나의 설계 특성에 의거해서 효율의 최대를 확인하는 것을 포함한다. 몇몇 실시형태에 있어서, 해당 효율은 특정 파장 혹은 파장 범위(예컨대, 태양광 스펙트럼, 가시 스펙트럼, 적외 스펙트럼, 자외 스펙트럼)에 대해서 최적화될 수 있다. 이 범위는 적어도 폭이 100㎚, 200㎚, 300㎚, 400㎚, 500㎚, 600㎚ 등일 수 있다. 특정 파장 혹은 파장 범위에서 특정 층의 흡수를 증가 혹은 최적화시키는 과정은 광학 적층체의 모든 혹은 대부분의 층들에 의거한 계산을 포함할 수 있다. 소정의 실시형태에 대해서, 각 층형상 재료의 정확한 두께는 특정 파장 혹은 특정 파장 범위에 대해서 활성층의 흡수를 증가 혹은 최적화시키도록 계산될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 층들은 박막층을 포함한다. 따라서, 층들은 설계 과정에서 박막으로서 처리된다. "박막"은 입사광의 가간섭성 길이의 차수 이하의 두께, 예컨대, 5000㎚ 이하의 두께를 지닐 수 있다. 박막에 대해서, 광의 위상은 다수의 반사에 기인하는 강도 레벨을 결정하기 위한 가간섭성 중첩으로서 지칭되는 것으로 간주된다. 위에서 기재된 바와 같이, 활성층의 흡수 효율은 iPV 장치의 복수의 계면으로부터의 반사의 가간섭성 총합의 분석을 통해서 최적화될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 이러한 가간섭성 총합은 주어진 층, 예컨대, 활성층의 흡수 및 마찬가지로 그의 흡수 효율을 결정하기 위하여 해당 층으로부터의 에너지 입출력을 계산하는데 이용된다. 포인팅 벡터는 이 과정에서 이용될 수 있다. 상기 방법의 다른 스텝들은 또한 종래의 광기전력 장치 내의 층들의 삭제 혹은 대체를 포함할 수도 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 전체 효율은, 흡수 효율 ηabs를 증가 혹은 최적화함으로써 증가 혹은 최적화된다. 그러나, 위에서 기재된 바와 같이, 전체 흡수 효율 ηoverall은, 활성층에 광이 흡수되어 전자-정공 쌍을 형성하는 효율 ηabs와 전자-정공 쌍이 전극에 의해 수집되는 효율 ηcollection의 양쪽 모두에 의존한다.
간섭계측 원리는 상기 정의된 파라미터 ηabs 및 ηcollection의 어느 한쪽 혹은 양쪽 모두를 증가 혹은 최적화시킴으로써 전체 변환 효율 ηoverall을 증가 혹은 최적화시키는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시형태에 있어서, 흡수 효율 ηabs는 수집 효율 ηcollection을 고려하는 일없이 최적화 혹은 최대화될 수 있다. 그러나, 흡수 효율 ηabs를 증가 혹은 최적화시키도록 변화된 파라미터는 또한 수집 효율 ηcollection에 영향을 미칠 수도 있다. 예를 들어, 전극의 두께 혹은 활성층의 두께는 활성층의 흡수를 증가시키도록 변경될 수 있지만, 이 두께 조정은 또한 수집 효율에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 몇몇 실시형태에 있어서, 최적화는, 수집 효율 ηcollection과 흡수 효율 ηabs의 양쪽 모두가 고려되고/되거나 최적화되어 증가된 혹은 최적화된 전체 효율 ηoverall이 얻어지도록 수행될 수 있다. 소정의 다른 실시형태에 있어서, 흡수 효율 ηabs 및 수집 효율 ηcollection은 전체 효율 ηoverall을 최대화시키도록 반복해서 최적화될 수 있다. 다른 인자도 이 최적화 과정에 포함될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 예를 들어, iPV 장치의 전체 효율을 최적화시키는 것은 하나 이상의 불활성층의 방열 혹은 흡수에 의거할 수 있다.
상기 방법은 이어서 스텝 1308로 진행하여, 광기전력 장치가 제조 규제 및 최적화된 요소에 따라 제작된다. 일단 설계자가 스텝 1308을 완료하면, 해당 방법은 스텝 1310에서 종결된다. 다른 스텝들도 광기전력 장치를 개선 혹은 최적화시키기 위하여 포함될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 14는 도 11a 내지 도 11c에 기재된 실시형태의 각각에 대해서 대략 400㎚ 내지 대략 1100㎚의 파장 영역에서의 표본화된 흡수의 그래프를 나타내고 있다. 곡선(1401)은 도 11a에 나타낸 실시형태에 대해서 흡수체층(1103)의 흡광도이다. 곡선(1402)은 도 11b에 나타낸 실시형태에 대해서 흡수체층(1103)의 흡광도이다. 곡선(1403)은 도 11c에 나타낸 실시형태에 대해서 흡수체층(1103)의 흡광도이다. 도 14에 나타낸 바와 같이, 곡선(1402)에 따르면, 대략 550㎚와 동일한 파장에서 도 11b에 나타낸 실시형태의 흡수체층의 표본화된 흡수는 곡선(1401)에 나타낸 도 11a의 실시형태의 흡수체층에서의 대응하는 표본화된 흡수값보다 대략 28% 높다. 또한, 곡선(1403)에 따르면, 대략 550㎚와 동일한 파장에서 도 11c에 나타낸 실시형태의 흡수체층의 표본화된 흡수는 곡선(1401)에 나타낸 도 11a의 실시형태의 흡수체층에서의 대응하는 표본화된 흡수값보다 대략 35% 높다. 따라서, 광학 공명 공동부를 포함하는 도 11b 및 도 11c에 나타낸 실시형태는 도 11a에 나타낸 실시형태와 비교해서 활성 영역의 흡수에서 대략 10% 내지 35%의 개선을 보인다. 곡선(1402), (1403)의 비교로부터, 도 11b에 나타낸 광학 공명 공동부의 ITO층을 포함하는 실시형태와 도 11c에 나타낸 광학 공명 공동부의 공기 또는 SiO2를 포함하는 실시형태 간에 흡수체층(1103)의 보다 높은 흡수를 지니는 것을 알 수 있다. 이 결과는 다음과 같이 설명될 수 있다: 활성 혹은 흡수체층 내의 전계 강도는 높다. 흡수체층 외부의 광학 공명 공동부층의 전계는 급속하게 하락하지만 0(제로)으로는 되지 않는다. ITO의 굴절률 n과 소광 계수 k의 곱은 흡수체층의 밴드-갭에 상당하는 에너지를 지닌 파장(예를 들어, 300㎚ 내지 800㎚의 파장)에서 낮지만, 흡수체층의 밴드-갭에 상당하는 에너지를 지닌 파장에서 공기 또는 SiO2의 굴절률 n과 소광 계수 k의 곱보다 낮지 않다. 이와 같이 해서, 광학 공명 공동부 내의 ITO층은 공기(또는 SiO2) 층보다 상당히 많은 방사선을 흡수한다. 이 결과, 흡수체층의 흡수의 저감을 가져온다. 곡선(1403)에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 최적화된 경우, 도 11c에 나타낸 실시형태의 활성층의 표본화된 흡수는 500㎚ 내지 700㎚의 파장 범위에서 대략 90%이다
도 15a는 단일의 p-i-n 접합부 비정질 실리콘 태양 전지 구조체의 약도를 나타내고 있다. 이 장치는, PV 전지가 복수개의 ITO층을 포함하는 것을 제외하고(Miro Zeman에 의해 개시된 TCO층과 ZnO층을 대체함), 문헌[Miro Zeman의 "Thin Film Solar Cells, Fabrication, Characterization & Applications,"(J. Poortmans & V. Arkhipov 편저, John Wiley and Sons, 2006, pg. 205)의 제5장 참조]에 개시된 것과 유사하다. 도 15a에 나타낸 실시형태는 텍스처화된(textured) 유리 기판(1501), 대략 900㎚ 두께의 제1 ITO층(1502), 대략 330㎚의 p-i-n 접합부(여기서, 영역(1504)은 α:Si를 포함함), 80㎚ 두께의 제2 ITO층(1506) 및 300㎚ 두께의 Ag 또는 Al 층(1507)을 포함한다. 각종 층의 두께는, Miro Zeman에 의해 개시된 전체 적층체 중의 총 흡수가 최대화되도록 채택된 Miro Zeman에 의해 개시된 두께와 일치한다. 이 최대화는 PV 전지가 흑색으로 보일 때까지 각종 층의 두께를 변화시킴으로써 달성되었다. 총 흡수 대 파장은 도 15b에 예시되어 있다. 모든 파장은 PV 적층체에 균일하게 흡수되는 것이 관찰될 수 있다. PV 장치로부터의 총 반사 대 파장은 도 15c에 예시되어 있다. PV 전지로부터의 총 반사는 낮고, 마찬가지로 PV 전지는 흑색으로 보인다. 도 15d는 PV 전지의 흡수체 혹은 활성층(1504)에서의 흡수를 나타내고 있다. 도 15e 내지 도 15g는 제1 ITO층(1502), 제2 ITO층(1506) 및 Ag 또는 Al 층(1507)의 흡수를 나타내고 있다. 도 15d 및 도 15e에 나타낸 바와 같이, 활성층(1504)에 흡수된 방사선량은 제1 ITO층(1502)에 흡수된 방사선량과 대략 동일하다. 이와 같이 해서, 이 설계는, 그렇지 않으면 활성층(1504)에 의해 전기 에너지로 변환될 수 있었을 광이 대신에 제1 ITO층(1502)에 흡수됨에 따라 차선책이다. 제2 ITO층(1506) 및 Ag 또는 Al 층(1507)의 흡수량은 무시가능하다.
그러나, 도 15a의 PV 적층체는 전술한 IMOD 설계의 간섭 원리를 적용함으로써 최적화될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, p, i 및 n층에 대한 굴절률 n 및 소광 계수 k의 값은 서로 실질적으로 유사할 수 있고, p, i 및 n층은 최적화 과정에서 3개의 별개의 층의 조합된 두께를 지니는 단일 층으로서 간주될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 최적화는 활성층(1504)의 두께를 일정하게 유지하는 한편, 제1 ITO층(1502) 및 제2 ITO층(1506)의 두께를 변화시킴으로써 수행될 수 있다. 도 16a는 활성 혹은 흡수체층에 흡수된 적분된 에너지 대 제1 ITO층(1502) 및 제2 ITO층(1506)의 두께의 등고선도(1600)를 나타내고 있다. 도 16a의 각 점은, 제1 ITO층(1502)의 두께 및 제2 ITO층(1506)의 두께가 대응하는 x(수평)축 및 y(수직)축에 의해 부여될 경우 활성층의 적분된 흡수(파장에 대해서 적분된 흡수)이다. 음영이 밝을수록, 활성층의 총 흡수는 커진다. 등고선도(1600)에 있어서, 최대 흡수(1610)는, 제1 ITO층(1502) 및 제2 ITO층(1506)의 두께가 각각 대략 54㎚ 및 91㎚인 경우 달성된다. 이와 같이 해서, 증가된 혹은 최적 흡수 효율은, 제1 ITO층(1502)의 두께가 900㎚에서 54㎚까지 상당히 저감될 경우 일어난다. 도 16a의 도표는, 종래의 신념과 반대로, 활성층의 흡수가 ITO층의 두께의 증가와 직선적으로 증가하지 않는 것을 나타내고 있다. 대신에, 흡수는 두께에 대해 비선형적으로 변화하고, 활성층의 흡수를 최대화하는 ITO 두께에 대한 최적 두께가 있을 수 있다. 활성층(1504)의 흡수의 증가는 제1 ITO층에 흡수된 방사선량의 상당한 저감에 크게 기인한다. 이와 같이 해서, 등고선도(1600)는 특정 활성층(1504)의 흡수 효율을 증가시키기 위하여 적층체 내의 전극층의 바람직한 혹은 최적 두께를 결정하는데 이용될 수 있다.
도 16b는 최적화된 PV 적층체의 활성층의 흡수를 나타내고 있다. 도 16a의 도 15d와의 비교로부터, 최적화된 PV 적층체의 활성층의 흡수는 최적화되지 않은 PV 적층체의 활성층의 흡수의 대략 2배로 증가된다. 도 16c는 최적화된 PV 적층체의 총 흡수 대 파장을 나타내고 있다. 흡수 곡선은 적색 부근의 파장 영역에서의 보다 적은 흡수를 나타낸다. 이와 같이 해서, 최적화된 PV 적층체를 보는 관찰자는 PV 전지가 최적화되지 않은 PV 적층체의 완전한 흑색 외관과는 반대로 암적색으로 보이는 것을 관찰할 것이다. 이 예는, 몇몇 실시형태에 있어서, 흑색으로 보이는 PV 전지가 반드시 활성층의 최고량의 흡수를 지닐 필요가 없다는 것을 입증한다. 몇몇 실시형태에 있어서, 활성층의 최고량의 흡수는 완전한 흑색과는 다른 몇몇 색을 지니는 장치를 수반한다. 유리하게는, 소정의 실시형태에 있어서, 위에서 기재된 바와 같이, PV 흡수체에서의 에너지의 증가된 흡수는 PV 전지의 전체 에너지 변환 효율의 선형 증가로 된다.
도 17은 도 11a에 나타낸 장치와 유사한 광기전력 장치(1700)의 약도를 나타내고 있다. 도 17의 광기전력 장치(1700)는 Cu(In,Ga)Se2("CIGS") p형 층(1706) 및 CdS n형 층(1707)을 포함하는 활성 영역(1701)을 포함하는 박막층을 포함하며, 이때 활성 영역(1701)은 해당 활성 영역의 최대 흡수 효율을 위하여 최적화되어 있지는 않다. 도 17에 나타낸 광기전력 장치는 Krc 등에 의한 문헌["Optical and Electrical Modeling of Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells" OPTICAL AND QUANTUM ELECTRONICS (2006) 38:1115-1123 ("Krc et al.")]에 개시된 것과 유사하다. 이 실시형태는 유리 기판(1702), ITO 혹은 ZnO 전극층(1703), 다결정성 Cu(In,Ga)Se2(CIGS) p형 층(2206), CdS n형 층(1707) 및 Mo 또는 Al 반사체층(1708)을 포함한다.
도 18a 내지 도 18c는 Krc 등에 의해 보고된 장치에서의 CIGS p형 층(1706) 및 CdS n형 층(1707)의 표본화된 흡광도 대 파장에 대한 일련의 그래프를 포함한다. 도 18a는 대략 400㎚ 내지 대략 800㎚의 파장 범위에 대해서 CIGS p형 층(1706)의 대략 60%의 흡광도를 나타내고 있다. 대략 500㎚ 내지 대략 700㎚에서 거의 70%의 흡광도가 얻어졌다. 도 18b는 대략 400㎚ 내지 대략 800㎚의 파장 범위에 대한 CdS n형 층(1707) 흡광도의 그래프를 나타내고 있고, 이때, 0% 내지 20%의 흡광도가 얻어졌다. 도 18c는 대략 400㎚ 내지 대략 800㎚의 파장 범위에 대한 활성 영역(1701)의 총 흡광도의 그래프를 나타내고 있다. 평균 대략 70%의 흡광도가 이 범위에서 얻어졌다. 도 18a의 표본화된 그래프의 결과는 Krc에서 보고된 바와 같은 도 2에 예시된 CIGS 층의 측정된 흡광도와 거의 동일하다. 이하에 논의되는 바와 같이, Krc 및 도 18a 내지 도 18c에 나타낸 측정된 흡광도 및 표본화된 흡광도는, 광학 공명 공동부가 도 17의 실시형태에 있어서 활성 영역(1701)과 반사체층(1708) 사이에 위치되어 있을 경우 극적으로 개선된다.
도 19a는 광학 공명 공동부(1910)가 도 17의 활성 영역(1701)과 반사층(1708) 사이에 추가된 후의 광기전력 장치(1900A)의 약도를 나타내고 있다. 특히, 광기전력 장치(1700)는 위에서 설명된 IMOD 설계의 원리에 따라 최적화되었다. 이 실시형태에 있어서, 광학 공명 공동부는 투명한 ITO 또는 ZnO를 포함한다. CdS n형 층(1907) 및 CIGS p형 층(1906)을 포함하는 활성층(1901)의 두께 및 광학 특성(예를 들어, 굴절률 n 및 소광 계수 k)은 변화되지 않았다. 다른 실시형태에 있어서, 유리 기판(1902) 및 Mo 혹은 Al 반사층(1908)의 예를 들어, 두께 및 굴절률과 같은 파라미터는 최적화 과정에 의해 변경되지 않았다. ITO 혹은 ZnO 전극층(1904) 및 광학 공명 공동부(1910)의 두께는 변경되었고, 이에 따라, 활성 영역(1901)의 흡수는 증가되었다. ITO 혹은 ZnO 전극층(1904)의 최적화된 두께는 대략 30㎚였고, 광학 공명 공동부(1910)의 최적화된 두께는 대략 70㎚였다. 이어서, CIGS p형 층(1906) 및 CdS n형 층(1907)의 흡광도는 도 20a 내지 도 20c에 나타낸 바와 같이 표본화되었다. 도 19b는 도 19a의 대안적인 실시형태를 나타내고, 여기서 광학 공명 공동부(1910)는 공기 간극을 포함한다.
도 20a 내지 도 20c는 도 19a의 최적화된 광기전력 장치(1900A) 내의 CIGS p형 층(1906) 및 CdS n형 층(1907)의 표본화된 흡광도 대 파장에 대한 일련의 그래프를 포함한다. 도 20a는 대략 60% 내지 90%의 흡광도를 나타내는 대략 400㎚ 내지 대략 800㎚의 파장 범위에 대한 CIGS p형 층(1906)의 흡광도의 표본화된 그래프를 도시하고 있다. 도 20b는 대략 0% 내지 30%의 흡광도를 나타내는 대략 400㎚ 내지 대략 800㎚의 파장 범위에 대한 CdS n형 층(1907)의 흡광도의 표본화된 그래프를 도시하고 있다. 도 20c는 400㎚ 내지 대략 800㎚의 파장 범위에 대해서 대략 90%의 CIGS p형 층(1906) 및 CdS n형 층(1907)의 총 흡수의 표본화된 그래프를 도시하고 있다. 이와 같이 해서, CIGS p형 층(1906)과 CdS n형 층(1907)의 조합의 흡수 효율은 도 17의 실시형태에 대해서 위에서 설명된 방법을 적용함으로써 파장 범위 400㎚ 내지 800㎚에 대해서 대략 20% 증가되었다.
도 21은 전술한 방법에 따라 최적화되어 있는 iPV 장치(2100)의 일 실시형태의 약도이다. 광기전력 장치(2100)는 활성 영역(2101)을 포함한다. 광기전력 장치(2100)는 또한 유리 기판(2102) 및, 활성 영역(2101) 위에 배치된 ITO층(2104)을 포함한다. 활성 영역(2101)은 CIGS p형 층(2106) 및 CdS n형 층(2107)을 포함한다. 두 금속층(2108A), (2108B)은 각각 유리 기판(2102) 상에 (제2금속층(2108B) 위에 제1금속층(2108A)이) 배치되어 있다. 제1금속층(2108A)은 반사체와 전극의 양쪽 모두이다. 제2금속층(2108B)은 또한 전극이다. 유전체 재료(2108c)는 반사체(2108a)와 전극(2108b) 사이에 배치되어 서로 이들의 전기적 통로를 전기적으로 절연시킬 수 있다. 금속층(2108A), (2108B)은 각각 Mo 또는 Al을 포함한다. 이 실시형태에 있어서, 공기 간극을 포함하는 광학 공명 공동부(2110)는 제1금속층(2108A)과 활성 영역(2101) 사이에 형성된다. 공기는 다른 재료보다 적은 흡수, 낮은 k를 지닌다. 공기는 또한 1.0의 굴절률을 지닌다. 공기 간극이 흡수 효율의 목적을 위해서 효율적일 수 있지만, 공기는 전기의 부도체이다. 이와 같이 해서, 공기전력 전지는 흡수된 광으로부터 전류를 제공하도록 기능하지 못할 것이다. 이 문제는 활성층으로부터 전하를 끌어당기기 위하여 통공부를 이용해서 해소된다. 이와 같이 해서, 제1금속층(2108A)을 CIGS p형 층(2106)에 전기적으로 접속하는 것은 제1통공부(2111A)이다. 제2금속층(2108B)을 ITO층(2104)에 전기적으로 접속하여 광학 공명 공동부(2110), CIGS p형 층(2106) 및 CdS n형 층(2107)을 통과시키는 것은 제2통공부(2111B)이다. 이 제2통공부(2111B)는 절연층에 의해 둘러싸여 예를 들어 CIGS p형 층(2106)으로부터 통공부를 전기적으로 절연시킬 수 있다. 최적화됨에 따라, ITO층(2104)은 15㎚의 두께를 지니고, CdS n형 층(2107)은 40㎚의 두께를 지니며, CIGS p형 층(2106)은 360㎚의 두께를 지니고, 공기 간극/광학 공명 공동부(2110)는 150㎚의 두께를 지닌다. 공기 간극/광학 공명 공동부(2110)는 이산화규소 혹은 이산화마그네슘 또는 MgF2 등의 다른 투명 유전체, 또는 당업계에 공지된 기타 적합한 재료로 대체될 수 있다. 각종 실시형태에 있어서, 낮은 n×k 값을 지닌 유전체가 이용된다. 이러한 실시형태에 있어서, 제1통공부(2111A)는 유리하게는 하부 전극을 CIGS p형 흡수체층(2106)에 접속할 수 있다. 비전도성 재료를 포함하는 광학 공명층(예컨대, 광학 공명 공동부)을 포함하는 본 명세서에 개시된 각종 다른 실시형태뿐만 아니라 아직 고안되어 있지 않은 실시형태에 있어서, 통공부가 전기 접속을 제공하는데 이용될 수 있다.
도 22는 통공부(2111B)와 금속 전극층(2108B)이 제거된 상태의 도 21에 도시된 실시형태의 약도이다. 전기적 접촉은, 예를 들어, 전도성 산화물 등의 투명한 전도성 재료를 포함할 수 있는 상부 광학 공명층(2204)을 접촉시킴으로써 형성될 수 있다.
도 23은 ITO층(2104)이 제거된 것을 제외하고, 도 21의 실시형태와 유사한 광기전력 장치(2300)의 일 실시형태의 약도이다. 이와 같이 해서, 광기전력 장치(2300)는 유리 기판(2302), 및 해당 유리 기판(2302) 상에 배치되어 있는 제2금속층(2308B) 상에 배치된 제1금속층(2308A)을 포함한다. 공기 간극/광학 공명 공동부(2310)는 제1금속층(2308A)을 CIGS p형 층(2306) 및 CdS n형 층(2307)과 이간시킨다. 위에 기재된 바와 같이, 제1금속층(2308A)은 반사체일 뿐만 아니라, CIGS p형 층(2306)의 기저부에 제1통공부(2311A)에 의해 전기적으로 접속된 전극이다. 마찬가지로, 제2금속층(2308B)은 CdS n형 층(2307)의 상부에 통공부(2311b)에 의해 전기적으로 접속된 전극을 포함한다. 최적화된 바와 같이, CdS n형 층(2307)은 40㎚의 두께를 지니고, CIGS p형 층(2306)은 360㎚의 두께를 지니며, 공기 간극/광학 공명 공동부(2310)은 150㎚의 두께를 지닌다. 상기 설명과 마찬가지로, 공기 간극/광학 공명 공동부(2310)는 이산화규소 혹은 이산화마그네슘 혹은 다른 유전체로 대체될 수 있다. 이러한 실시형태에 있어서, 제1통공부(2311A)는 유리하게는 전극(2308A)을 CIGS p형 흡수체층(2306)에 접속될 수 있다.
도 24는 대략 400㎚ 내지 대략 1100㎚의 파장 범위에 대한 도 23의 광기전력 장치(2300)의 CIGS p형 층의 표본화된 흡수의 그래프이다. 이 그래프는 대략 500㎚ 내지 대략 750㎚의 범위에서 90% 이상의 흡수 효율을 나타내는 것을 나타내고 있다.
일반적으로, 층들은, 파라미터, 예컨대, 이들 층과 연관된 재료 및 치수의 적절한 선택에 의해 활성층의 증가된 흡수를 제공하는 PV 장치에 포함될 수 있다. 이들 층 중 하나의 층의 하나 이상의 파라미터가 조정될 수 있는 한편, 다른 층의 파라미터는 고정 상태로 유지될 수 있거나, 또는, 소정의 실시형태에서, 하나 이상의 층의 하나 이상의 파라미터는 활성층의 증가된 흡수를 제공하도록 조정될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 모든 층의 하나 이상의 파라미터가 활성층의 증가된 흡수를 얻도록 조정될 수 있다. 각종 실시형태에 있어서, 이들 파라미터는, 예를 들어, 흡수에 대한 상이한 파라미터의 효과를 계산함으로써 설계 단계에서 조정될 수 있다. 최적화 절차가 이용될 수 있다. 개선된 성능을 나타내는 파라미터의 값을 얻도록 다른 기술의 범위도 이용될 수 있다.
도 25a는, 예를 들어, 광학 공명층(2506)과 광학 공명 공동부(2503)가 어떻게 광기전력 장치에 포함될 수 있고, 증가된 흡수를 제공하도록 조율될 수 있는지를 나타내고 있다. 이 장치는 도 19a 및 도 19b에 도시된 장치의 더욱 일반화된 변형예이다. 광학 공명층(2506) 및 광학 공명 공동부(2503)의 파라미터, 예컨대, 두께는 장치를 간섭계측적으로 조율하고 활성층의 증가된 흡수를 얻도록 변경될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 광학 공명층(2506)과 광학 공명 공동부(2503)는 전극층을 포함할 수 있다. 그러나, 각종 실시형태에 있어서, 광학 공명층(2506)과 광학 공명 공동부(2503)의 어느 한쪽 혹은 양쪽 모두는 낮은 n×k 값을 생성하는 낮은 소광(혹은 흡광) 계수 k 및/또는 저굴절률 n을 지니는 재료를 포함할 수 있다. 광학 공명층(2506)과 광학 공명 공동부(2503)의 어느 한쪽 혹은 양쪽 모두는, 예를 들어, 낮은 n×k 값을 포함할 수 있다. 위에서 기재된 바와 같이, 예를 들어, 광학 공명 공동부(2503)는 공기 혹은 SiO2 등의 유전체, 또는 ITO 혹은 ZnO와 같은 TCO 등의 전기 전도성 재료를 포함할 수 있다. 낮거나 대략 0의 k를 지니는 기타 재료도 낮은 n×k 값을 제공하기 위해 이용될 수 있지만, 기타 재료도 가능하다. 마찬가지로, 광학 공명층(2506)은 공기, 낮은 소광(혹은 흡광) 계수 k; 또는 ITO 혹은 ZnO와 같은 TCO 등의 전기 전도성 재료; 또는 낮은 n×k 값을 지니는 기타 임의의 재료를 포함할 수 있다. 또, 기타 다른 재료도 이용될 수 있다.
소정의 실시형태에 있어서, 혼성 혹은 복합 구조가 광학 공명 공동부 및/또는 광학 공명층에 이용된다. 예를 들어, 광학 공명 공동부 및/또는 광학 공명층은 공기/유전체, 도체/유전체, 공기/도체의 조합 혹은 혼합물을 포함할 수 있다.
도시된 실시형태에 있어서, PV 전지의 활성층은 n형 CDS 층(2505) 및 p형 CIGS 층(2504)을 포함한다. 다른 실시형태에 있어서, 활성층은 기타 재료를 포함할 수 있다. 광학 적층체는 박막 제작 수법을 이용해서 기판(2501) 상에 증착될 수 있다. 기판(2501)은 유리 혹은 기타 적절한 재료를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 반사체(2502)는 광학 공명층 및 광학 공명 공동부에 의해 둘러싸인 활성층을 포함하는 광학 적층체의 나머지 부분과 기판 사이에 적층될 수 있다. 반사체는 Al, Mo 또는 금속 혹은 유전체 등의 기타 반사 재료로 형성될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 반사체는 단일 혹은 복합 재료를 포함할 수 있다.
도 25a의 반사체(2502)는 또한 소정의 파라미터를 최적화시키도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 반사체(2502)의 재료와 두께는 소정의 파장 범위에 걸쳐 반사율을 증가 혹은 최적화시키기 위하여 선택될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 반사체는 소정 파장 범위(적색 등)를 반사하고 다른 파장 범위(청색 등)를 흡수하도록 선택될 수 있다.
위에서 기재된 바와 같이, 광학 공명 공동부(2503) 및 광학 공명층(2506)은 ITO 또는 SnO2 등의 TCO를 포함할 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 광학 공명 공동부 및 광학 공명층은 투명 유전체 재료 혹은 공기 간극 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 광학 공명 공동부(2503) 및 광학 공명층(2506)에 이용되는 재료는 동일할 필요는 없다. 도 25b는 광학 공명 공동부(2503)가 공기 간극 혹은 SiO2 등의 유전체 재료를 포함하고 광학 공명층(2506)이 SiO2 등의 비전도층을 또한 포함하는 iPV 전지의 일 실시형태를 나타내고 있다. 활성층으로부터 전자용의 전도 통로를 제공하기 위하여, 통공부(2507a), (2507b)가 도 25b에 나타낸 바와 같이 형성되어 있다. iPV 전지는 도 25b에 나타낸 바와 같이 반사체(2502b)와 전극(2502a)을 포함한다. 몇몇 실시형태에 있어서, 전극(2502a)은 반사체(2502b)와 동일한 재료를 포함할 수 있다. 반사체(2502b)와 전극(2502c)은 전도성 재료를 포함할 수 있다. 통공부(2507a)는 반사체(2502b)에서 종결되고, 통공부(2507b)는 전극(2502a) 상에서 종결된다. 금속 리드(metal leads)는 2개의 반사체에 제공되어 외부의 전기 접속을 제공할 수 있다. 유전체 재료(2502c)는 반사체(2502b)와 전극(2502a) 사이에 배치되어 이들의 전기 통로를 서로 전기적으로 절연시킬 수 있다. 반사체(2502a), (2502b)는 이와 같이 해서 통공부를 이용해서 활성층으로부터 전력을 추출하는 전기 통로로서 이용될 수 있다. 광학 공명층(2506)이 전도성 재료를 포함하는 실시형태에 있어서, 통공부(2507b)는 광학 공명층(2506)까지 연장될 수 있다. 대안적으로, 이러한 실시형태에 있어서, 통공부(2507b)는 모두 함께 제거될 수 있다.
도 25c는 활성층과 광학 공명 공동부(2503) 사이에 배치된 전도성 ITO층(2508)을 포함하는 iPV 전지의 다른 실시형태를 나타내고 있다. 활성층으로부터의 전자를 위한 전도 통로는 통공부(2507a), (2507b)에 의해 제공된다. 통공부(2507a)는 ITO층(2508)을 반사체(2502b)에 접속시키는 한편, 통공부(2507b)는 n형 CdS 층(2505)을 전극(2502a)에 접속시킨다. ITO층(2508)과 광학 공명 공동부(2503)는 도 11e 내지 도 11h에 기재된 바와 같은 복합 광학 공명 공동부를 형성할 수 있고, 따라서, ITO는 광학 공명 공동부의 일부라고도 말할 수 있다.
위에서 기재된 바와 같이, 도 25a 내지 도 25c에 도시된 장치 내의 하나의 이상의 층의 하나 이상의 파라미터는, 예를 들어, 간섭계측 원리를 이용하거나 혹은 간섭계측 효과의 결과로서 활성층의 증가된 흡수를 제공하도록 조정될 수 있다.
도 26은 도 25a 내지 도 25c에 도시된 것보다 간단한 장치를 도시하고 있다. 이 PV 장치는 iPV의 활성층과 반사체(2602) 사이에 배치된 광학 공명 공동부(2603)를 포함한다. iPV의 활성층은 n형 CdS 층(2605)과 p형 CIGS 층(2604)을 포함한다. 반사체층(2602)은 Al, Mo 또는 기타 금속/유전체 반사 재료를 포함할 수 있다. 위에서 기재된 바와 같이, 광학 공명 공동부는 낮은 n×k 값을 지니는 공기, 유전체 재료 혹은 투명 전도성 재료, 또는 이들의 조합물 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 반사체(2602)는 제거될 수 있다. 위에서 기재된 바와 같이, 이 장치 내의 하나 이상의 층의 하나 이상의 파라미터는, 예를 들어, 간섭계측 원리에 의거하여 활성층 내의 증가된 흡수를 제공하도록 조정될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 광학 공명 공동부(2603)는 배제될 수 있고, 하나 이상의 층의 더욱 하나 이상의 하나 이상의 파라미터는 활성층의 증가된 흡수를 제공하도록 최적화될 수 있다.
상이한 층들의 파라미터는 그들의 분광 특성에 의거해서 선택될 수 있다. 예를 들어, 금은 적색 부근의 파장 영역에서 높은 소광 계수 k를 지니고, 청색 부근의 파장 영역에서 비교적 낮은 소광 계수 k를 지닌다. 그러나, 금의 굴절률 n은 적색 부근의 파장 영역에서 낮고 청색 부근의 파장 영역에서 높다. 그 결과, 그 곱 n×k는 금에 대해서 적색 부근의 파장 영역에서 낮고 청색 부근의 파장 영역에서 높다. 따라서, 금을 포함하는 반사체는 적색 부근의 파장을 우세하게 반사하고 청색 부근의 파장을 흡수할 것이다. 이와 같이 해서, 반사체는 활성층의 유용한 광 흡수 영역에 상당하는 파장 범위에서 낮은 n×k 값(광이 흡수되어 전력으로 변환됨)을 지니고 활성층의 유용한 광 흡수 범위가 아닌 파장에서 높은 n×k 값(예를 들어, 광 에너지가 열로 변환되고, 이것은 장치의 동작을 저하시킬 수 있음)을 지니는 반사체의 재료를 채택함으로써 흡수를 조율하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, iPV 장치에 청색광을 허용하지 않는 것이 유리하다면, 금을 포함하는 반사체(1104)를 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 반사체 재료는 적외광 파장을 흡수하도록 채택될 수 있다.
마찬가지로, 위에서 기재된 바와 같이, 특정 간극 거리의 선택은 특정 색, 예컨대 적색, 녹색 혹은 흑색이 반사체층(예를 들어, 도 11b 내지 도 11h의 (1104))에 의해 반사되는지를 지시할 것이다. 예를 들어, 간극 거리는, 반사체가 활성 혹은 흡수체층의 밴드-갭에 대응하는 파장 영역의 입사광의 상당한 부분을 반사하고 이어서 활성층/흡수체에 의해 흡수되므로, IMOD가 흑색을 나타내도록 선택될 수 있다. 그러나, 태양 전지의 효율을 증가시키는 것을 목적으로 하는 종래의 방법에 비해서, 활성층의 증가된 흡수를 위하여 iPV 장치를 최적화하는 상기 설명된 방법은 항상 완전히 흑색을 나타내는 장치와 연관될 수 있는 것은 아니다. 상기 장치는, 예를 들어, 몇몇 실시형태에서 암적색 혹은 기타 색을 나타낼 수 있다.
잘 알려진 바와 같이, 광자의 에너지가 활성 영역의 밴드갭보다 큰 동안, 단지 하나의 전자-정공 쌍만이 광자의 에너지에 관계없이 활성 영역에 의해 흡수된 모든 광자에 대해서 발생될 수 있다. 광자의 에너지가 활성 영역의 밴드갭보다 높다면, 광자의 에너지와 활성 영역의 밴드갭 에너지 간의 차이는 전체적인 광전류에 기여하지 않고, 예를 들어, 열로의 변환에 의해서 허비된다. 그러나, 활성 영역의 밴드갭보다 낮은 에너지를 지닌 태양광 방사선은 흡수되지 않아, PV 전지의 광전류에 기여하는 어떠한 전자-정공쌍도 생성하지 않는다. 따라서, 활성 재료(예를 들어, 실리콘)용의 주어진 반도체 재료에 대해서, 반도체의 밴드갭과 정합하는 단지 광자 에너지만의 흡수는 100% 효율로 작동하는 PV 전지를 제공할 것이다. 그러나, 태양광 스펙트럼은 예를 들어 약 200㎚ 내지 약 2200㎚를 비롯한 보다 넓은 범위의 파장에 미친다. PV 전지에 의해 흡수된 태양광 스펙트럼의 일부는 활성 영역의 재료의 밴드갭의 크기에 의해서 결정되므로, 이용하는 PV 전지의 효율은 상이한 밴드갭을 각각 지닌 복수개의 활성 영역을 포함함으로써 증가될 수 있다. 이러한 PV 전지는 다중접합 장치라 지칭될 수도 있다.
도 27은 종래의 다중접합 광기전력 장치(2700)의 약도를 나타내고 있다. 광기전력 장치(2700)는 유리 기판(2702), 투명 전극(2704A), (2704B), 활성층(2706A), (2706B), (2706C) 및 반사층(2708)을 포함한다. 이 실시형태에 있어서, 기판(2702)은 유리를 포함하고, 제1 및 제2투명 전극(2704A), (2704B)은 ITO를 포함하며, 반사층(2708)은 Al을 포함한다. 제1활성층(2706A)은 청색광을 흡수하도록 구성되고, 제2활성층(2706B)은 녹색광을 흡수하도록 구성되며, 제3활성층(2706C)은 적색 및 적외광을 흡수하도록 구성되어 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 활성층(2706A), (2706B), (2706C)은 적색, 녹색 혹은 청색에 대해 상이한 밴드 갭을 지닌 유사한 재료를 포함한다. 몇몇 실시형태에 있어서, 활성층(2706A), (2706B), (2706C)은 실리콘, GaAs, 또는 당업계에 공지된 기타 재료의 조합 등과 같은 상이한 재료 시스템을 포함한다.
다중접합 광기전력 장치에서, 광기전력 장치의 접합부의 각각에서 에너지 흡수를 최적화하는데 많은 접근법이 있다. 예를 들어, 하나의 접근법은 다중접합 활성층(예를 들어, (2706A) 내지 (2706C))의 조합된 적층체와 반사체(2708) 사이에 광학 공명 공동부를 배치하도록 할 수 있다. 다른 접근법은 다중접합 광기전력 장치를 형성하는 각 활성층 사이에 광학 공명층을 배치하고, 광기전력 장치의 마지막 활성층과 반사체 사이에 광학 공명 공동부를 배치하도록 할 수 있다. 이들 두 접근법은 이하에 상세히 설명한다.
도 28a는 도 27에 예시된 다중접합 광기전력 장치의 하나의 최적화된 번형예의 약도를 나타내고 있다. 이 실시형태에서는, 3개의 흡수체/활성층(2806A), (2806B), (2806C)이 "청색", "녹색" 및 "적색 및 IR" 파장 범위의 광을 흡수하도록 구성되어 있다. 이들 흡수체층은 제1광학 공명층(2804A)과 제2광학 공명 공동부(2804B) 사이에 삽입되어 있다. 광학 공명층(2804A) 및 광학 공명 공동부(2804B)는 투명한 전도성 전극, ITO, 공기 간극, SiO2 혹은 기타 재료를 포함할 수 있다. 광학 공명층 혹은 광학 공명 공동부가 비전도성 재료를 포함한다면, 도 28b에 나타낸 바와 같은 통공부가 전기 접속성을 제공하도록 이용될 수 있다. "적색, 녹색 및 청색"만으로 표기된 것은 예를 들어 적색의 실제 파장범위가 아니라 소정의 파장 범위를 나타내는 것이다. 활성층은 다른 파장을 흡수할 수 있다. 또한, 다소의 활성 영역이 포함될 수 있다. 기타 변형도 가능하다.
도 29a는, 광학 공명층이 각 활성층 사이뿐만 아니라 상부 활성층과 기판 사이에도 배치되고, 광학 공명 공동부가 하부 활성층과 반사체 사이에 배치되어 있는 다중접합 광기전력 장치의 하나의 최적화된 변형예의 약도를 나타내고 있다. 예를 들어, 광학 공명층(2904A)은 기판(2902)과 접합부(2906A) 사이에 배치되어 있다. 마찬가지로, 광학 공명층(2904B), (2904C)이 추가되어, 광학 공명층과 활성층(2906A), (2906B), (2906C)을 교대로 적층한 적층체를 형성하고 있다. 광학 공명 공동부(2905)는 마지막 활성층(2906C)과 반사체(2908) 사이에 배치되어 있다. 각 광학 공명층(2904A) 내지 (2804C) 및 광학 공명 공동부(2905)는, 예컨대, ITO, 공기 간극, SiO2, 혹은 기타 매질을 포함할 수 있다. 광학 공명층 혹은 광학 공명 공동부가 비전도성 재료를 포함한다면, 도 29b에 나타낸 바와 같은 통공부가 전기 접속성을 제공하도록 이용될 수 있다. 이와 같이 해서, 광기전력 장치(2900)의 광학 적층체는 ITO를 포함하는 광학 공명층(2904A), 청색 광의 범위에서 파장을 흡수하도록 구성된 활성층(2906A), 광학 공명층(2904B), 녹색 광의 범위에서 파장을 흡수하도록 구성된 활성층(2906B), 광학 공명층(2904C), 적색 및 적외광의 범위에서 파장을 흡수하도록 구성된 활성층(2906C), 광학 공명 공동부(2905) 및 반사체층(2908)을 포함한다. 다중접합 포토다이오드는 위에서 설명된 간섭계측 원리에 의거해서 최적화될 수 있다. 다중접합 광기전력 장치의 이 표본화된 최적화된 약도에서, 예를 들어, 각 활성층의 흡광도는 광학 적층체에 존재하는 다른 층에 이용되는 두께 혹은 재료를 변화시킴으로써 증가될 수 있다. 광기전력 장치는 절연체(2908C) 및 전극(2908A)를 추가로 포함한다.
몇몇 실시형태에 있어서, 다중접합 포토다이오드는 도 29a에 도시된 것보다 적은 광학 공명층을 포함한다. 예를 들어, 일 실시형태에 있어서, 광학 공명층(2904A)이 기판(2902)과 활성층(2906A)들 중 하나 사이에 배치될 수 있고, 다른 광학 공명층(2904B), (2904C)은 배제될 수도 있다. 다른 실시형태에 있어서, 광학 공명층(2904B)은 활성층(2906A)과 활성층(2906B) 사이에 배치될 수 있고, 다른 광학 공명층(2904A), (2904C)은 배제될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 광학 공명층(2904C)은 활성층(2906B)과 활성층(2906C) 사이에 배치될 수 있고, 다른 광학 공명층(2904A), (2904B)은 배제될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 광학 공명층(2904A), (2904B), (2904C) 중 하나 이상이 포함될 수 있고, 그 중 하나는 배제될 수 있다. 광학 공명 공동부(2905)는 소정의 실시형태의 어느 것으로부터 포함되거나 배제될 수 있다. 보다 많거나 보다 적은 수의 활성층이 포함될 수 있다. 이들 활성층은 광학 공명층과는 다른 층에 의해 분리될 수 있다. 보다 많거나 보다 적은 수의 광학 공명층이 이용될 수 있다. 이와 같이 해서, 활성층, 광학 공명층 및 광학 공명 공동부의 개수, 배열 및 종류는 다양할 수 있고, 설계 및/또는 최적화 과정에 의존할 수 있다. 위에서 기재된 바와 같이, "적색, 녹색 및 청색"만으로 표기된 것은, 예를 들어, 적색, 녹색 및 청색광의 실제 파장이 아니라 파장의 범위를 의미하는 것이다. 활성층은 다른 파장을 흡수할 수 있고, 기타 변형도 가능하다.
위에서 기재된 바와 같이, 광기전력 장치의 상이한 실시형태에서의 각 층의 조성 및/또는 두께는 활성층의 흡수를 증가시키고 반사를 감소시키기 위하여 전술한 방법을 이용해서 설계 및 제조 단계에서 최적화되어 있을 수 있다. iPV 실시형태는, 예를 들어, 전술한 바와 같은 IMOD 설계 원리를 이용해서 최적화되어 있을 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, MEMS 엔진 혹은 플랫폼은, iPV 전지가 작동 중인 상태에서 이들 실시형태에서 광학 공명 공동부 혹은 광학 공명층의 두께를 역학적으로 변화시키도록 제공될 수 있다. 따라서, 위에서 설명된 iPV 실시형태는 간섭계측 효과의 결과로서 개선될 수 있다. PV 흡수체/활성 영역에서의 에너지의 흡수의 증가는 iPV 장치의 전체 효율의 증가를 가져올 수 있다.
그러나, 설계는 모든 사항에서 진정으로 최적화되는 것은 아니다. 예를 들어, 광학 공명 공동부 내에 TCO층을 포함하는 이들 실시형태에 있어서, 전기적 손실은 무시할 수도 있다. 그러나, TCO는 일부의 광학 손실을 도입할 수도 있다. 광학 공명 공동부에 공기 또는 SiO2를 포함하는 실시형태는 통공부의 존재로 인해 광학적 광 흡수의 작은 감소를 나타낼 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 전기 접속용의 통공부의 존재는 광학 개구 손실을 초래할 수 있다.
iPV 장치의 몇몇 실시형태에 있어서, 활성층의 증가된 혹은 최적화된 흡수 효율은 iPV 장치에 관하여 입사광의 배향에 반드시 의존할 수는 없다. 예를 들어, 입사광이 iPV 장치에 대해서 실질적으로 직교하는 경우의 흡수 효율은, 입사광이 높은 접선 입사(예를 들어, iPV 장치에 대한 법선으로부터 대략 89°)인 경우의 흡수 효율과 대략 동일할 수 있다. 이와 같이 해서 광기전력 전지의 배향은 최적 흡수 효율과 완전히 일치되지 않을 필요가 있다. 그럼에도 불구하고, 입사각은 활성층에 도달하는 광의 강도에 영향을 주지 않으므로, 활성층에 의해 흡수될 유효한 에너지에 영향을 미치고, 광기전력 전지에 보다 적은 광이 도달할수록, 보다 적은 에너지가 활성층에 의해 흡수되도록 제공된다. 이와 같이 해서, 활성 트래킹하는 일(예컨대, 태양의 광로와 정렬되도록 광기전력 장치를 이동시키는 일) 없이도 광기전력 장치의 주어진 영역에 대해서, 입사각 θi가 cos(θi)배만큼 증가함에 따라 총 흡수된 에너지는 축소되는 것을 강조할 필요가 있다.
그러나, 몇몇 실시형태에 있어서, 흡수 효율이 입사각의 함수로서 변화되는 경우, iPV 적층체는 IMOD 원리 및 간섭계측 효과를 이용해서 특정 입사각에 대해서 설계될 수 있다. 예를 들어, 광학 공동부의 두께는 비표준 각에서 장치에 입사하는 광의 소정의 파장의 증가된 흡수를 초래하도록 조정될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 광학 공동부는 예를 들어 하루의 상이한 시각에 태양의 상이한 입사각에 대해서 제공되도록 가변될(고정과는 반대로) 수 있다.
본 명세서에 기재된 원리는 투과형 PV 장치뿐만 아니라 완전 반사(예컨대, 불투명)형 PV 장치의 양쪽 모두에 적용가능하다.
도 30은 종래의 반투명 PV 전지를 나타내고 있다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "반투명"이란 용어는 부분적으로 광학적으로 투과성이지만 50% 투과율로 제한되는 것은 아니다. 도 30에 도시된 반투명 PV 전지는 두 투명한 전도성 산화물(TCO)층(3005)과 (3002) 사이에 광 흡수층(3004)을 삽입시킴으로써 형성된다. 적층된 층들은 기판(3001) 위에 배치될 수 있다. 금속 리드(3007)는 전기 접속을 형성하기 위하여 TCO 층(3005) 위에 설치될 수 있다. (3007)과 유사한 금속 리드가 전도성 재료를 포함하는 상부 광학 공명층을 지니는 본 명세서에 기재된 모든 실시형태에 설치될 수도 있다. 이러한 금속 리드는 또한 다른 실시형태에도 이용될 수 있다. 예를 들어, 상부 층이 비전도성 재료를 포함하고 있는 실시형태에 있어서, (3007)과 유사한 금속 리드가 해당 상부 비전도층 상에 설치되어, 해당 금속 리드는 예를 들어 통공부를 통해서 전극층에 전기적으로 접속될 수 있다.
광 간섭 원리 및 IMOD 설계 원리를 이용해서 도 30의 반투명 PV 전지를 최적화하기 위하여, 하나의 접근법은 도 31에 도시된 바와 같이 광 흡수층(3104)과 반사층(3102) 사이에 광학 공명 공동부(3103)를 배치하도록 할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 상부 전극층(3105)은 투명한 전도성 전극을 포함하는 광학 공명층일 수 있다. 상부 전극층(3105)은, 예를 들어, ITO 혹은 ZnO를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 반사방지 피막은 상부 전극층(3105) 상에 배치될 수 있다. 활성층에서 증가된 흡수를 제공하는 활성층(3304), 광학 공명 공동부(3103), 반사체층(3102)을 포함하는 PV 전지를 포함하는 각종 층에 대한 두께 및 재료 특성(예를 들어, 굴절률 n 및 소광 계수 k)이 이용될 수 있다. 반사체의 재료는 투명도를 제어할 수 있다. 예를 들어, 매우 얇은 반사체를 구비한 iPV 장치는 비교적 두꺼운 반사체층을 구비한 반사체에 비해서 보다 높은 투명도를 지닐 수 있다. 반사체층의 두께는 반투명 iPV 장치를 생산하도록 저감될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시형태에 있어서, 반투명 iPV 장치 내의 반사체의 두께는 5㎚ 내지 25㎚의 범위일 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 반투명 iPV 장치 내의 반사체의 두께는 1㎚ 내지 500㎚의 범위일 수 있다. 각종 실시형태에 있어서, 반사는 적어도 10%, 20%, 30%, 40% 혹은 그 이상의 반사율을 지닌다. 정의 실시형태에 있어서, 반사체는 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 혹은 그 이상의 반사율을 지닌다. 몇몇 실시형태에 있어서, 반투명 PV 전지는 불투명 PV 전지에 비해서 보다 얇은 PV 재료로 설계될 수 있다. 반사체층의 두께는 설계, 예컨대, 활성층의 흡수를 증가시키기 위하여 최적화, 계산 시 포함될 수 있다. 전술한 방법에 따라 설계된 반투명 PV 전지는 증가된 흡수 효율로 인해 도 30에 기재된 종래의 PV 전지보다 훨씬 효율적일 수 있다. 본 명세서에 기재된 다른 실시형태뿐만 아니라 아직 고안 중에 있는 실시형태에 있어서도, PV 전지는 적어도 부분적으로 투명하거나 광학적으로 투과성일 수 있다.
도 28a 내지 도 29b에 도시된 다중접합 PV는, 예를 들어, 전술한 방법에 의해 부분적으로 광학적으로 투과성으로 만들 수 있다. 도 32a는 또한 적어도 부분적으로 광학적으로 투과성일 수 있는 다중접합 PV 전지의 일 실시형태를 나타내고 있다. 도 32a에 나타낸 실시형태는 3개의 활성 혹은 흡수체층(3204a), (3204b), (3204c)을 포함하는 다중접합 활성 재료를 포함한다. 3개의 흡수체층은 상이한 주파수를 지닌 광을 흡수할 수 있다. 예를 들어, 흡수체층(3204a)은 적색 및 IR 영역에 주파수를 지닌 광을 흡수할 수 있고, 흡수체층(3204b)은 실질적으로 녹색 영역에 주파수를 지닌 광을 흡수할 수 있으며, 흡수체층(3204c)은 실질적으로 청색 영역에 주파수를 지닌 광을 흡수할 수 있다. 활성층은 대안적인 실시형태에서는 다른 파장을 흡수할 수도 있다. 반사체(3202)는 다중접합 활성 재료의 아래쪽에 배치되어 있다. 광학 공명층(3205)은 다중접합 활성 재료의 위쪽에 배치되어 있다. 광학 공명층(3205)의 두께 및 재료 조성은, 활성 재료의 흡수가 증가하거나 최대로 될 수 있도록 전술한 간섭계측 원리를 이용해서 선택 혹은 최적화될 수 있다. 도 32a에 나타낸 실시형태에 있어서, 광학 공명층은 TCO 혹은 투명한 전도성 질화물 등의 투명한 전도성 재료를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 실시형태에 있어서, 광학 공명층은 SiO2 등의 투명한 비전도성 유전체 혹은 공기 간극을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 광학 공명층은 전술한 바와 같은 복합재 구조를 포함할 수 있다. 기타 재료 및 설계가 이용될 수 있다. 광학 공명층이 비전도성 재료를 포함하는 이들 실시형태에 있어서, 통공부(3206)는 도 32b에 나타낸 바와 같이 전기 접속을 제공하는데 이용될 수 있다. 광학 적층체는 도 32a 및 도 32b에 나타낸 바와 같이 기판(3201) 상에 적층될 수도 있다. 기판은 전술한 바와 같이 광학적으로 투과성 혹은 불투명할 수 있다.
부분적으로 투과성인 반사체층은 본 명세서에 개시된 다른 설계에 이용될 수도 있다. 예를 들어, 부분적으로 광학적으로 투과성인 반사체층은 단일의 활성층을 지닌 PV 장치에 이용될 수 있다. 또 다른 형태도 가능하다. 도 32a에 도시된 바와 같이, PV 전지는 하나 이상의 광학 공명층을 포함하지만 광학 공명 공동부는 포함하지 않을 수 있다. 따라서, 광학 공명 공동부는 본 명세서에 기재된 각종 PV 전지에서 배제되어 있을 수 있다.
본 명세서에서 기재된 각종 실시형태에 있어서, 위에서 기재된 바와 같이, 활성층의 흡수는 최적화되어 있지만, 소정의 실시형태에 있어서, 전체 효율은 수집 효율 등과 같은 다른 인자의 효과를 추가로 고려함으로써 증가 혹은 최적화되어 있을 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 파라미터는 흡수 효율과 수집 효율의 양쪽 모두의 합계 효율을 증가시키도록 조정될 수 있다. 이러한 실시형태에 있어서, 예를 들어, 전체 효율은 최적화 프로세스에서 모니터링될 수 있다. 그러나, 기타 성능 지수(도 of merit)들도 이용될 수 있고, 최적화, 설계 혹은 제조 프로세스에 병합될 수 있다.
위에서 기재된 바와 같이, 장치가 통합되어 있는 장치 혹은 시스템은 표본화될 수 있고 계산은 해당 장치 혹은 시스템의 성능에 접근하도록 수행될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 실제의 성능이 측정될 수 있다. 예를 들어, 전체 효율은 활성층과 전극을 접촉시킨 상태에서 전기 접속을 행함으로써 측정될 수 있다. 전기 프로브(3110), (3112)는, 예를 들어 도 31에 도시된 바와 같이, 전극이기도 한 반사체(3102) 및 금속 리드(3107) 중 하나와 전기적으로 접촉하고 있다. 전기 프로브(3110), (3112)는 전압계(3114)에 전기적으로 접속되어 PV 장치의 전기 출력을 측정한다. 마찬가지의 구성이 본 명세서에 개시된 다른 실시형태에 대해서도 이용될 수 있다. 전기 접촉은 금속 리드, 통공부, 전극층 등에 대해서 이루어져서 전기 출력 신호를 측정할 수 있다. 기타 형태도 이용될 수 있다.
본 명세서에 기재된 방법 및 구조의 각종 광범위한 변형이 가능하다
따라서, 본 명세서에 기재된 각종 실시형태에 있어서, 광기전력 장치의 성능은 간섭계측 수법을 이용해서 개선될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 활성층과 반사체 사이에 배치된 광학 공명기 공동부는 활성층 혹은 활성층들의 흡수를 증가시킬 수 있다. 그러나, 위에서 기재된 바와 같이, 어딘가 다른 곳에 위치된 광학 공명기 층도 하나 이상의 활성층의 흡수의 증가를 제공할 수 있고, 이에 대응해서 효율을 증가시킬 수 있다. 이와 같이 해서, 위에서 기재된 바와 같이, 하나 이상의 층의 하나 이상의 파라미터는, 예를 들어, 광학 파워를 전력으로 변환시킴에 있어서 장치의 효율을 증가시키도록 조정될 수 있다. 이들 하나 이상의 층은 종래의 광기전력 장치에 이용되는 층일 수 있지만, 개선된 성능을 얻기 위하여 이러한 구조에 추가된 층은 아니다. 따라서, 광학 공명층은 개선을 얻기 위하여 구조에 추가된 층으로 한정되는 것은 아니다. 또한, 광학 공명층은 전술한 층들로 제한되는 것은 아니지만, 간섭계측 원리를 이용해서 활성층의 증가된 흡수를 제공하도록 조율된 임의의 다른 층을 포함할 수도 있다. 광학 공명층 혹은 공동부는 또한 전극으로서 작용하는 등의 기타 기능을 지닐 수도 있다. 설계 혹은 최적화는 하나 이상의 활성층의 흡수 및 효율을 증가시키도록 구현될 수 있다.
또한, 최적화를 제공함에 있어서 각종 수법이 위에서 설명되어 있지만, 본 명세서에 기재된 방법 및 구조는 진정한 최적 해법으로 제한되는 것은 아니다. 해당 수법은 예를 들어 활성층의 흡수 혹은 장치의 전체 광 효율을 증가시킬 수 있지만 반드시 최대화시킬 필요는 없다. 마찬가지로, 해당 수법은 활성층 이외의 다른 층의 흡수를 감소시키는 데 이용될 수 있지만, 반드시 최소화시킬 필요는 없다. 마찬가지로, 얻어진 구조는 반드시 최적 결과일 필요는 없지만, 그럼에도 불구하고 개선된 성능이나 특징을 발현할 수 있다.
그러나, 여기에 개시된 방법 및 구조는, 몇몇 광기전력 장치의 성능 이점을 비롯한 광범위한 장점을 제공한다. 예를 들어, PV 전지에 광학 공명 공동부 혹은 다른 광학 공명층을 이용함으로써, 광기전력 장치의 흡수 효율이 개선될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 예를 들어, 활성층 혹은 활성층들의 흡수 효율은 적어도 하나의 광학 공명 공동부 혹은 광학 공명층의 존재에 의해 적어도 약 20% 증가된다. 여기서 흡수값은 태양광 스펙트럼의 파장에 대해서 적분된다. 몇몇 다른 광기전력 장치에 있어서, 태양광 스펙트럼의 파장에 대해서 적분된 흡수 효율은 광학 공명 공동부 혹은 광학 공명층의 존재로 인해 적어도 25%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 혹은 그 이상 증가할 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 증가는 5% 혹은 그 이상, 10% 혹은 그 이상 혹은 20% 혹은 그 이상일 수 있다. 몇몇 실시형태에 대해서, 이들 값은 보다 작은 파장 범위에 대해서 적분할 경우에도 적용될 수 있다.
따라서, 간섭 원리는 하나 이상의 파장에 대해서 활성층의 효율을 증가 혹은 최적화시키는데 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층들 중 적어도 하나는 0.7보다 큰 흡수 효율을 지니는 대략 400㎚의 파장의 광을 흡수하도록 구성될 수 있다. 상기 활성층들 중 적어도 하나는 0.7보다 큰 흡수 효율을 지니는 400㎚ 내지 450㎚ 또는 350㎚ 내지 400㎚의 파장의 광을 흡수하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 활성층 혹은 활성층들은 0.7보다 큰 흡수 효율을 지니는 350㎚ 내지 600㎚의 광을 흡수하도록 구성될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 흡수 효율은 250㎚ 내지 1500㎚의 단일 파장, 또는 대안적으로는 250㎚ 내지 500㎚의 파장 범위에서 적어도 50㎚, 100㎚ 또는 500㎚의 대역폭에 대해서 증가 혹은 최적화되어 있을 수 있다. 몇몇 실시형태에 대해서, 이들 값은 보다 작은 파장 범위에 대해서도 적분되어 있을 경우 적용될 수 있다.
상기 광기전력 장치의 전체 효율은 충분히 증가될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 광기전력 장치에 있어서, 태양광 스펙트럼의 파장에 대해서 적분된 전체 변환 효율은 적절한 광학 공명층 혹은 층들에 의해 적어도 15%, 20%, 25% 혹은 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 혹은 그 이상 증가될 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 상기 증가는 5% 혹은 그 이상 또는 10% 혹은 그 이상일 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 광기전력 장치의 전체 변환 효율은 0.7, 0.8, 0.9 혹은 0.95 보다 크다. 다른 실시형태에 있어서, 전체 변환 효율은 적을 수 있다. 예를 들어, 전체 변환 효율은 적어도 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 혹은 그 이상일 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 전체 변환 효율은 0.1 혹은 0.2 혹은 그 이상일 수 있다. 몇몇 실시형태에 대해서, 이들 값은 보다 작은 파장 범위에 대해서 적분할 경우에도 적용될 수 있다.
적어도 5%, 10%, 20%, 25%, 30% 혹은 그 이상의 활성층 혹은 활성층들에서의 태양 에너지의 흡수의 증가는 광 간섭의 결과로서 얻어질 수 있다. 이들 흡수값은 태양광 스펙트럼에 대해서 적분함으로써 결정될 수 있다. 몇몇 실시형태에 대해서, 이들 값은 보다 작은 파장 범위에 대해서 적분할 경우에도 적용될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 적어도 하나의 광학 공명 공동부 혹은 광학 공명층의 존재는, 광기전력 장치가 태양광 스펙트럼 등의 전자기 방사선에 노출되는 경우 상기 활성층 혹은 활성층들의 평균 전계 강도를 적어도 20%, 25% 혹은 30% 증가시킬 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 평균 전계 강도의 증가는 적어도 40%, 50%, 60% 70%, 80%, 90% 혹은 그 이상이다. 소정의 실시형태에 있어서, 상기 증가는 5% 이상, 10% 이상 또는 15% 혹은 그 이상이다. 이하에 설명하는 바와 같이, 평균 전계 강도는 대상 특정층, 예컨대, 활성층의 두께에 따라 평균된 전계에 상당한다. 몇몇 실시형태에 대해서, 이들 값은 보다 작은 파장 범위에 대해서 적분된 경우에도 적용될 수 있다.
소정의 실시형태에 있어서, 적어도 하나의 광학 공명 공동부 혹은 광학 공명층의 존재는 광기전력 장치 내의 임의의 다른 층에 대한 태양광 스펙트럼에 대해서 적분된 평균 전계 강도보다도 활성층 혹은 활성층들에 대해서 보다 큰 태양광 스펙트럼에 대해서 적분된 평균 전계 강도의 증가를 발생할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 광기전력 장치의 활성층 혹은 활성층들의 평균 전계 강도는 광학 공명층이 없는 PV 전지의 활성층 혹은 활성층들의 평균 전계 강도의 적어도 1.1배만큼 증가할 수 있다. 몇몇 다른 실시형태에 있어서, 광기전력 장치의 활성층 혹은 활성층들의 평균 전계 강도는 광학 공명층이 없는 PV 전지의 활성층 혹은 활성층들의 평균 전계의 적어도 1.2배 또는 1.3배일 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 증가는 하나 이상의 공명층이 없는 PV 전지의 활성층의 평균 전계의 적어도 1.4배, 1.5배, 1.6배 또는 1.7배이다. 몇몇 실시형태에 대해서, 이들 값은 보다 작은 파장 범위에 대해서 적분된 경우에도 적용될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 평균 전계 강도의 증가는 활성층 혹은 활성층들과는 다른 광기전력 장치의 다른 층에서 보다 클 수 있다. 그러나, 이러한 실시형태에 있어서, 광기전력 장치의 다른 층의 흡수는 활성층 혹은 활성층들의 흡수보다 작을 수도 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 활성층 혹은 활성층들의 평균 전계는 임의의 다른 층보다 크지만, 다른 실시형태에 있어서는, 활성층 이외의 다른 층이 가장 높은 평균 전계 강도를 가질 경우도 있다. 이러한 조건은 태양광 스펙트럼에 대한 혹은 보다 작은 파장 범위에 대한 파장에 대해서 달성될 수 있다.
개시된 각종 실시형태에 있어서, 활성층 혹은 활성층들에 의해 흡수 광학 파워가 증가된다. 소정의 실시형태에 있어서, 활성층 혹은 활성층들에 의해 흡수 광학 파워의 증가는 조합된 광기전력 장치의 다른 불활성층 모두에 의해 흡수 광학 파워보다 크다. 활성층 혹은 활성층들에 의해 흡수 광학 파워의 증가는 PV 장치의 임의의 다른 층에 대해서 흡수 광학 파워의 증가의 1.1배, 1.2배 또는 1.3배 이상일 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 증가는 PV 전지의 임의의 다른 층에 대해서 흡수 광학 파워의 증가의 1.4배, 1.5배, 1.6배 또는 1.7배 이상이다.
위에서 기재된 바와 같이, 이들 값은 태양광 스펙트럼에 대해서 적분됨으로써 결정될 수 있다. 또한, 이들 값은 "공기 질량 1.5"로 알려진 표준 일사에 대해서 결정될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 소정의 실시형태에 있어서, 이들 값은 태양광 스펙트럼보다 작은 파장 범위에 대해서 적용된다. 이들 값은, 예를 들어, 가시광 파장 스펙트럼, 자외광 파장 스펙트럼 혹은 적외광 파장 스펙트럼에도 적용될 수 있다. 이들 값은 100㎚, 200㎚, 300㎚, 400㎚, 500㎚, 600㎚, 700㎚, 800㎚, 900㎚, 1000㎚ 또는 그 이상의 파장 범위에 적용될 수 있다. 또, 이들 값은 보다 크거나 보다 작은 파장 범위에도 적용될 수 있다. 이와 같이 해서, 소정의 실시형태에 있어서, 이들 값은 파라미터, 예컨대, 흡수 효율, 전체 효율, 전계, 광학 파워 등이 전체 태양광 스펙트럼과는 다른 보다 작은 파장 범위에 대해서 적분되어 있는 경우에도 적용된다.
또한, 이들 값은 하나 이상의 활성층을 위한 것일 수 있다. 예를 들어, PV 전지는 함께 혹은 개별적으로 하나 이상의 활성층(p형 층, 진성 반도체층 혹은 n형 층 등)에 있어서 흡수를 증가시키도록 설계될 수 있다. 따라서, 이들 값은 이들 층 중 어느 것을 개별적으로 혹은 이들 층의 임의 조합에 적용할 수 있다.
마찬가지로, 하나 이상의 광학 공명층은 여기에 인용된 성능의 수준에 기여될 수 있다. 마찬가지로, 위에서 열거된 성능 값들은 하나의 광학 공명층 혹은 2개 이상의 광학 공명층의 그룹의 하나 이상의 설계 파라미터의 존재에 좌우될 수 있다.
상기 언급된 바와 같이, 반도체 재료로 전달되어 해당 반도체 재료에 의해 흡수되는 광자의 총량을 증가시킴으로써 PV 전지의 전기 출력을 증가시키거나 최대화시키는 것이 바람직하다. 각각 상이한 밴드갭을 지니는 다수의 활성층을 포함하는 도 27에 도시된 바와 같은 다중접합 PV 장치에 있어서, 효율은 각각의 활성층에 적절한 파장의 광자를 전달함으로써 증가될 수 있다. 예를 들어, 적색, 녹색 및 청색 활성층을 포함하는 다중접합 PV 장치에 있어서, 효율은 적색 광을 적색 활성층에, 청색 광을 청색 활성층에 그리고 녹색 광을 녹색 활성층에 전달함으로써 향상될 수 있다. 이러한 접근법은 여기서는 파장 역다중화(wavelength demultiplexing)로서 지칭된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 광학 필터는 입사광을 분광적으로 역다중화하여 활성층들 내의 흡수를 증가 혹은 최대화시키는데 이용될 수 있다. 특히, 이색성 필터들 혹은 이색성 반사체들은 소정의 광 주파수를 선택적으로 반사하는 한편 다른 주파수를 투과하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 적색, 녹색 및 청색 필터는 적색, 녹색 및 청색 광을 각각의 적색, 녹색 및 청색 활성층에 선택적으로 전달하도록 이용될 수 있다.
이색성 필터는 다수의 투명한 박막 혹은 코팅을 포함하는 간섭 필터를 포함할 수 있다. 각종 실시형태는 1/4파 적층체(quarter wave stack)를 포함한다. 1/4파 적층체는 특정 광 색깔의 파장의 1/4의 증분으로 선택된 두께를 지니는 다수의 막을 포함한다. 이 간섭 필터 막은 높은 굴절률과 낮은 굴절을 지닌 재료가 교대로(예컨대, 고-저-고-저-고-저...) 포함될 수 있다. 상기 막들의 각종 간섭으로부터의 반사는 상이한 파장에 대해 보강 혹은 소멸적으로 간섭한다. 따라서, 특정 파장의 광의 투과 혹은 반사가 제어될 수 있다. 따라서, 이러한 1/4파 적층체는 저역 통과 필터, 고역 통과 필터 혹은 대역통과 필터로 되도록 설계될 수 있다. 이들 적층체는 예를 들어 특정 스펙트럼 영역을 반사시키고 다른 스펙트럼 영역을 투과시키는 반사성 필터일 수 있다.
도 33은 유리 등의 투명한 기판 상에 고굴절률(H) 및 저굴절률(L)의 다수의 재료 막을 도포함으로써 형성된 이색성 간섭 필터의 선도를 나타내고 있다. 선 a는 입사광을 나타내고 선 b는 제1의 고굴절률 막으로부터의 입사광의 반사를 나타낸다. 선 c는 그 다음 낮은 굴절률 막으로부터의 입사광의 반사를 나타내고; 선 d는 그 다음 높은 굴절률 막으로부터의 입사광의 반사를 나타내며; 선 e는 그 다음 낮은 굴절률 막으로부터의 입사광의 반사를 나타내고; 선 f는 그 다음 높은 굴절률 막으로부터의 입사광의 반사를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 선 b를 따른 광은 선 c 내지 f를 따른 광과 동 위상이므로, 이들 간에 보상 간섭이 일어날 것이다. 한편, 임의의 두 반사된 광파가 위상이 180° 어긋나 있다면, 이들의 진폭은 소멸 간섭 시 서로 상쇄되어 제로의 정미의(net) 진폭을 일으킬 것이다. 도 33에 도시된 바와 같이, 기판 위에 모든 이색성 필터층으로부터의 반사광은 모두 동 위상이다. 또한, 이색성 필터에 충돌하는 광은 모두 반사되거나 투과되므로, 해당 이색성 필터는, 흡수성 염료를 포함하는 것과 같은 흡수 필터 와는 대조적으로 무시할만한 양의 에너지를 흡수한다. 도 33은 예시의 목적을 위해 간단화되어 있다. 예를 들어, 이면 반사를 비롯한 다수의 반사가 정미의 효과에 기여할 수 있다.
따라서, 도 33에 도시된 바와 같은 이색성 간섭 필터를 이용함으로써, 활성층에 의해 흡수될 적절한 파장을 지니는 광의 증가된 양이 전달될 수 있다. 마찬가지로, PV 전지의 흡수 효율은, 이들 층내의 흡수를 더욱 증강시키기 위하여 활성 PV 층 위에 놓인 것들과 정합되는 광의 파장을 선택적으로 반사하도록 구성된 이러한 이색성 필터를 배치함으로써 증가될 수 있다.
예를 들어, 녹색 광의 특정 파장을 반사하고 다른 파장을 투과시키는 이색성 간섭 필터를 형성하기 위하여, 상이한 굴절률을 지닌 재료(예컨대, 이산화티탄(굴절률 2.4)과 불화마그네슘(굴절률 1.4) 등)를 교대로 포함하는 복수 쌍의 박막층이 이용될 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 각 박막층은 예컨대, 녹색 광과 같이, 그에 대해서 필터가 설계되는 파장의 1/4의 두께를 지닐 것이다. 두 매질 간의 간섭 시의 반사된 광의 퍼센트의 방정식은 R% = (n2-n1)2/(n2+n1)2이며, 식 중, n2 및 n1은 각각 두 매질의 굴절률이다. 이 방정식에 따르면, 이산화티탄과 불화마그네슘에 대한 굴절률을 이용하는 고굴절 재료와 저굴절률 재료의 각 쌍으로부터의 반사는 7%이다. 따라서, 적어도 14개의 층이 선택된 녹색 파장에서 90% 반사를 달성하도록 적층될 것이다. 이색성 필터는 약 2 내지 약 100층을 포함할 수 있지만, 더 많은 층이 이용될 수도 있다. 이색성 필터의 반사광에 대한 반사 대역 혹은 투과광에 대한 통과대역은 또한 필요에 따라 넓거나 좁게 만들어질 수 있다. 예를 들어, 선택된 녹색 피크 파장 근방의 파장에서의 추가의 층을 포함하는 것은 녹색의 더욱 포화되고 좁은 대역통과를 제공할 수 있다. 층들의 고굴절률 및 저굴절률 쌍의 수를 증가시키는 것은 이색성 필터의 반사성과 대역통과의 폭을 증가시킬 수 있으므로, 이들 변수는 면밀히 제어될 수 있다. 대역통과의 폭과 반사성은 고굴절률과 저굴절률 쌍에 대한 재료의 채택에 의해 제어될 수 있다. 녹색을 반사하는 상기 예는 단지 예시적이며 다른 색도 적용될 수 있다.
도 34는 본 발명의 각종 실시형태에 따른 적층된 구성의 이색성 필터를 지닌 다중접합 PV 장치(3400)의 선도를 예시하고 있다. PV 장치(3400)는 기판(3401), 전극(3402) 및 반사층(3409)을 포함한다. 이 반사층(3409)은 몇몇 실시형태에서 광대역 반사체일 수 있다. 기판(3401)은 유리를 포함할 수 있고, 전극(3402)은 투명한 전도성 산화물을 포함할 수 있으며, 반사층(3409)은 Al을 포함할 수 있고, 또한, 후면 접촉부(back contact)로서 역할할 수 있다. 이장치는 몇몇 측면에 있어서 도 27의 다중접합 PV 전지와 공통점이 있고, 청색 광을 흡수하도록 구성된 제1활성층(3403), 녹색 광을 흡수하도록 구성된 제2활성층(3405) 및 적색 광을 흡수하도록 구성된 제3활성층(3407)을 포함한다. 그러나, 도 34는 또한 이색성 필터층(3404), (3406), (3408)을 포함하며, 이들은 직접 위에 놓이거나 가장 근접하여 위에 놓인 활성층에 의해 흡수되는 반사 대역 내의 광을 선택적으로 반사한다. 따라서, 제1이색성 필터층(3404)은 청색 광을 제1활성층(3403)으로 도로 반사시키고 그 광의 나머지, 예컨대, 태양광 스펙트럼을 광학 적층체의 밑에 있는 층들로 투과시키도록 구성되어 있다. 제2이색성 필터층(3406)은 녹색 광을 제2활성층(3405)으로 반사시키고 그 광의 나머지, 예컨대, 태양광 스펙트럼을 밑에 있는 층들에 투과시키도록 구성되어 있다. 제3이색성 필터층(3408)은 적색 및 적외광을 제3활성층(3407)으로 반사시키고 소정의 미흡광된 광의 나머지를 반사층(3409)으로 투과시키도록 구성되어 있다. 통공부(도시 생략)들이 전기 접속을 위해서 활성층 들 사이에 형성되어 있다. 이들 통공부는 유전체 재료의 적층체를 포함할 수 있는 이색성 필터를 통과한다.
이와 같이 해서, PV 전지(3400)가 조사되면, 입사광은 처음에 기판(3401)과 전극층(3402)을 통과하고 청색 광의 에너지에 대응하는 밴드갭을 지니는 활성층(3403)으로 통과한다. 이 밴드갭보다 크거나 동일한 에너지를 지니는 광자는 우선 활성층(3403)에 흡수된다. 나머지 광은 이색성 필터(3404)로 통과하고, 여기서, 제1 투과 동안 이미 흡수되지 않은 청색 광의 광자는 활성층(3403) 속으로 도로 반사된다. 나머지 광은 이어서 이색성 필터(3404)로부터 녹색 광의 에너지에 대응하는 밴드갭을 지니는 활성층(3405)으로 통과한다. 이 밴드갭보다 크거나 동일한 에너지를 지니는 광자는 활성층(3405)에 흡수된다. 나머지 광은 이색성 필터(3406)를 통과하여, 제1투과 동안 이미 흡수되지 않은 녹색 광의 광자가 활성층(3405) 속으로 도로 반사된다. 나머지 광은 이어서 이색성 필터(3406)로부터 적색 혹은 적외광의 에너지에 대응하는 밴드갭을 지니는 활성층(3407)으로 통과한다. 나머지 광은 이색성 필터(3408)로 통과하고, 여기서 제1투과 동안 이미 흡수되지 않은 적색 혹은 적외광의 광자가 활성층(3407) 속으로 도로 반사된다. 나머지 광은 이어서 이색성 필터(3408)로부터 반사층(3409)으로 통과하여, 임의의 미흡수된 광자를 광학 적층체(3400)의 위에 놓인 층들로 도로 반사시킨다. 다중접합 PV 장치의 다른 실시형태는 도 34에 도시된 것보다 많거나 적은 활성층과 많거나 적은 이색성 필터를 포함할 수 있다.
이색성 필터(3404), (3406), (3408)는 또한 역방향으로 전파 중인 광을 반사시킬 수 있다. 예를 들어, 녹색 활성층(3405)을 통과하는 제2대역 상에서 흡수되지 않은 녹색 이색성 필터로부터 반사된 녹색 광은 청색 이색성 필터(3404)로부터 반사되어 청색을 통과시키고 이 방향으로부터 다른 파장을 반사시킨다. 마찬가지로, 적색 활성층(3407)을 통과하는 제2대역 상에서 흡수되지 않은 적색 이색성 필터(3408)로부터 반사된 적색 광은 녹색 이색성 필터(3406)로부터 반사되어 녹색을 통과시키고 이 방향으로부터 다른 파장을 반사시킨다.
도 34의 다중접합 PV 장치의 에너지 흡수는 전술한 바와 같이 PV 전지 내의 층들에 적용되는 간섭계측 원리를 이용함으로써 더욱 최적화될 수 있다. 광기전력 전지 내의 층들은, 해당 PV 장치 내의 층들의 계면으로부터의 반사가 활성 영역 내의 증가된 전계를 생성하도록 가간섭적으로 총합됨으로써 해당 장치의 효율을 더욱 증가시키도록 간섭계측적으로 조율될 수 있다. 상기 설명된 바와 같이, 각종 실시형태에 있어서, 하나 이상의 광학적 공명 공동부 및/또는 광학 공명층이 활성 영역 내의 전계 집중과 흡수를 증가시키도록 광기전력 장치 내에 포함될 수 있다. 광학 공명 공동부 및/또는 층들은 예를 들어 이색성 필터 혹은 이색성 반사체를 포함할 수 있다.
도 35는 유리 기판(3502), 투명 전도성 전극(3504), 활성층(3506a)-(3506z), 이색성 필터(3508a)-(3508z) 및 반사층(3510)을 포함하는 다중접합 PV 장치(3500)의 블록도를 예시하고 있다. 활성층들의 밴드갭은 약 450㎚ 내지 약 1750㎚의 태양광 스펙트럼을 커버하는 영역에 대해서 50㎚의 파장 증분의 감소를 보인다. 예시된 실시형태에서의 이색성 필터층(3508a)-(3508z)은 직접 위에 있는 혹은 가장 가까운 위에 있는 활성층(3506a)-(3506z)의 밴드갭과 동일한 에너지를 지닌 광을 반사하도록 구성되어 있다. 다른 실시형태는 약 450㎚ 내지 약 1750㎚의 파장 범위로부터 광을 흡수하는 광학 적층체를 포함할 수 있지만, 더 많거나 적은 활성층을 지니고 또한 보다 작거나 큰 파장 증분이 감소되는 밴드갭을 지닐 수 있다. 예를 들어, 실시형태에 따른 광학 적층체는 적어도 5개의 활성층, 적어도 8개의 활성층 혹은 적어도 12개의 활성층을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, 광학 적층체 내의 활성층의 밴드갭은 약 200㎚ 이하, 약 100㎚ 혹은 약 50 ㎚ 이하의 다른 파장 증분만큼 감소될 수 있다.
이색성 필터는 광전지용의 광학 공명층 혹은 공동부를 추가로 포함한다. 예를 들어, 이색성 필터의 두께 및 재료 조성은 PV 전지의 다른 층으로부터 반사된 광의 가간섭성 총합에 대한 적절한 기여를 제공하여 전술한 바와 같은 방식으로 간섭 특성에 의거해서 활성층에서의 증가된 흡수를 제공하도록 선택될 수 있다. 따라서, 이들 필터는 이색성 공명층 혹은 공동부로서 도 35에서 지칭되고 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 이색성 필터는 가장 가까이 위에 있는 활성 영역 내의 광의 흡수를 증가시킨다.
다중접합 PV 장치 내의 에너지 흡수는 또한 이색성 필터에 부가해서 광학 공명층 혹은 공동부를 포함함으로써 전술한 간섭계측 원리를 이용해서 증가될 수도 있다. 도 36은 본 발명의 각종 실시형태에 따른 적층 구성에 있어서 복수개의 활성 영역, 복수개의 이색성 필터, 반사체 혹은 미러 및 복수개의 광학 공명 공동부를 포함하는 다중접합 PV 장치(3600)의 선도를 예시하고 있다. PV 장치(3600)는 기판(3601), 전극(3602), 활성층(3603), (3606), (3609), 광학 공명 공동부 층(3604), (3607), (3610), 및 이색성 필터, 반사체 혹은 미러층(3605), (3608), (3611), 그리고 반사층(3612)을 포함한다. 이 실시형태에 있어서, 각 활성층은 대응하는 이색성 필터 및 이와 관련된 광학 공명 공동부를 지니지만, 다른 구성도 가능하다. 단, 이 기하학적 형태는 광학 공명 공동부가 활성층과 반사체 사이에 삽입되어 있는 전술한 것과 유사하다. 이에 대해서는, 예를 들어, 도 11b 내지 도 11j를 참조할 수 있다. 도 36에 도시된 실시형태에서, 제1활성층(3603)은 청색 광을 흡수하도록 구성되고, 제2활성층(3606)은 녹색 광을 흡수하도록 구성되며, 제3활성층(3609)은 적색 광을 흡수하도록 구성되어 있다. 도 34와 도 36 간의 차이는 단지 활성층의 쌍과, 바로 위에 있는 활성층들의 밴드갭과 정합하는 반사 대역을 지니는 대응하는 이색성 필터, 반사체 혹은 미러층 사이에 광학 공명 공동부 층의 추가이다.
전술한 바와 같이, 간섭 원리를 이용함으로써, 광학 공명 공동부(3604), (3607), (3610)는 각 광학 공명 공동부에 대해서 바로 위에 혹은 가장 가까이 위에 놓인 활성층 내의 흡수를 증가시키도록 조율될 수 있다. 예를 들어, 광학 공명 공동부의 두께와 재료 조성은 PV 전지 내의 층들로부터 반사된 광의 가간섭성 총합이 가장 가까이 위에 놓인 활성층의 광학 강도 및 흡수의 증가를 생성하도록 될 수 있다. 따라서, 광학 공명 공동부 층(3604), (3607), (3610)의 두께와 재료는 바로 위에 놓이거나 가장 가까이 위에 놓인 활성층들 내의 강도 및 전계 강도를 증가시키므로 전술한 각종 방법에 의거해서 각각 청색 광량이 활성층(3603) 내에서 증가되고, 녹색 광량이 활성층(3606) 내에서 증가되며, 적색 광량이 활성층(3609) 내에서 증가되도록 선택될 수 있다. 몇몇 실시형태에서는 광학 공명 공동부가 가장 가까이 위에 놓인 층 내의 흡수를 주로 증가시키도록 조율될 것이지만, 다른 실시형태에서는 광학 공명층이 다른 활성층에 영향을 미칠 수 있어, 다른 활성층 내의 광의 흡수를 고려할 수 있다.
따라서, 다중접합 PV 장치(3600)는 전술한 간섭계측 원리에 의거해서 최적화될 수 있다. 본 발명의 각종 실시형태에서, 활성층의 각각 내의 흡수는 광학 공명 공동부 층들의 것들 외에 광학 적층체의 다른 층들의 하나 이상의 두께 혹은 재료를 조율함으로써 증가될 수 있다. 소정의 실시형태에서, 예를 들어, 활성층(3603) 및 이색성 필터(3605)의 두께 및 재료는 활성층(3603) 내의 강도, 따라서 청색 광의 흡수를 간섭계측적으로 증가시키도록 광학 공명 공동부 층(3604)의 것들을 따라 선택적으로 조율될 수 있다. 동일한 간섭계측 조율 방법은 활성층(3606), (3609)에 대해서 수행될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 활성층들 상의 다른 층들의 효과도 고려될 수 있다. 게다가, 몇몇 실시형태에 있어서, 도 34 혹은 도 35의 다중접합 PV 장치는 간섭계측 원리에 의거해서 최적화될 수 있다. 즉, 광학 적층체(3400) 혹은 (3500) 내의 활성층 및 이색성 필터층의 두께 혹은 재료는 각 활성층에서의 광의 강도를 간섭계측적으로 증강시키도록 선택될 수 있다. 각종 실시형태에 있어서, 전술한 바와 같은 시뮬레이션 및 최적화 방법이 이용되고, PV 전지 내의 층들의 하나 이상, 모두 혹은 거의 모두의 효과를 포함할 수 있다. 마찬가지로, PV 전지 내의 층들의 하나 이상, 모두 혹은 거의 모두가 조율될 수 있다. 하나 이상의 층의 하나 이상의 변수가 규제될 수 있다
몇몇 실시형태에 있어서, 활성층은 단일 재료를 포함할 수 있지만, 다른 실시형태에서는, 복수개의 활성층들이 밴드갭을 점진적으로 혹은 점증적으로 변화시키도록 합금 혹은 도핑된 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 반도체 재료는 두 반도체 재료의 상대적인 농도에 따라 해당 두 반도체 재료의 밴드갭들 간의 밴드갭 범위를 지닌 재료를 형성하도록 서로 합금화될 수 있다. 해당 합금의 조성비는 밴드갭을 변화시키도록 변화될 수 있다. 그 변화는 밴드갭의 점진적인 단계 및 흡수 파장을 제공하도록 점진적일 수 있다. 도 37은 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 적층 구성의 다중접합 PV 장치(3700)의 선도를 예시하고 있다. PV 장치(3700)는 유리 기판(3702), 투명 전도성 전극(3704), 활성층(3706a), (3706b), (3706c), (3706d), (3706e), 이색성 필터층(3708a), (3708b), (3708c), (3708d), (3708e) 및 반사층(3710)을 포함한다.
도 37에 도시된 예에서, 활성층은 비정질 실리콘(Si) 혹은 게르마늄(Ge) 등의 비정질 재료를 포함한다. 특히, 도시된 활성층은 제1밴드갭을 지닌 제1 비정질 재료(α-A)를 제2밴드갭을 지닌 제2 비정질 재료(α-B)와 합금화함으로써 형성된다. 활성층들은 합금화되므로 활성층(3706a)은 상기 재료(α-A)의 최고 농도를 지니고, 활성층(3706e)은 상기 재료(α-B)의 최고 농도를 지니며, (3706a)와 (3706e) 간의 활성층들에서 (α-A)의 농도는 연속적으로 감소되는 한편 (α-B)의 농도는 연속적으로 증가한다. 예시된 실시형태에서, 재료(α-A)는 재료(α-B)보다 높은 밴드갭을 지니며, 활성층들의 밴드갭은 층(3706a)에서 (3706e)까지 연속적으로 저감된다. 따라서, 활성층들은 입사광이 유리 기판(3702)으로부터 반사층(3710)까지의 광학 적층체를 통과함에 따라 에너지가 감소되는 상태의 광을 흡수하는 능력을 지닌다. 이색성 필터층(3708a), (3708b), (3708c), (3708d), (3708e)은 바로 위에 놓이거나 가장 가까운 위에 놓인 활성층들의 밴드갭과 동일한 에너지를 지니는 광을 반사하도록 구성되어 있다.
재료(A), (B)는 임의의 활성 PV 재료일 수 있고, 이성분 시스템으로 제한되지 않는다. 다른 실시형태에 따르면, 각 활성층은 또한 3성분 시스템 혹은 훨씬 많은 재료를 포함할 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 그 재료는, 이들로 제한되지는 않지만, 결정성 실리콘(c-Si), 비정질 실리콘(α-Si), 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 구리 인듐 이셀렌화물(CIS), 구리 인듐 갈륨 이셀렌화물(CIGS), 광 흡수 염료 및 고분자, 광 흡수 나노입자가 내부에 배치된 고분자, GaAs 등의 III-V족 반도체 등과 같은 광 흡수 재료를 들 수 있다. 실시형태에 따르면, 도 37의 재료(α-A)는 실리콘을 포함할 수 있고, 재료(α-B)는 게르마늄을 포함할 수 있다. 예를 들어, 예시된 실시형태에 있어서, 층(3706a)은 순수한 실리콘을 포함할 수 있는 한편 층(3706e)은 순수한 게르마늄을 포함할 수 있다. 최고의 에너지를 지닌 광자는 약 1.129 eV의 밴드갭을 지니는 순수한 실리콘의 층(3706a)에 의해 흡수될 수 있다. 중간의 에너지를 지닌 광자는 중간 합금층(3706b), (3706c), (3706d)에 의해 흡수될 수 있고, 이때 게르마늄의 농도가 증가하고 실리콘의 농도가 감소함에 따라, 감소하는 에너지를 지닌 더 많은 광자가 흡수된다. 적어도 0.66 eV의 파장을 지닌 적외광이 약 0.66 eV의 밴드갭을 지니는 순수한 게르마늄의 층(3706e)에 흡수될 수 있다. 보다 짧은 파장을 지닌 광은 1.129 eV의 보다 높은 밴드갭을 지닌 더 많은 실리콘을 지니는 층 내에서 흡수될 수 있다. 실리콘과 게르마늄 합금의 예가 단지 예시되어 있지만, 태양광 스펙트럼을 더욱 광범위하게 커버하는 밴드갭을 지닌 위에서 열거된 다른 반도체 재료가 이용될 수도 있다. 따라서, 별개의 에피택셜 층과 단지 제한된 수의 널리 이간된 밴드갭을 지니는 다중접합 PV 전지와 달리, 본 명세서에 개시된 본 발명의 실시형태는 상이한 밴드갭을 지닌 더 많은 층을 포함함으로써 입사광의 스펙트럼에 대해서 활성층을 더욱 유연하게 정합시킬 수 있다. 따라서, 광자의 에너지와 별개의 재료층의 밴드갭 간의 부정합 때문에 열로 손실되는 에너지는 저감되거나 최소화될 수 있다.
다중접합 PV 전지의 설계 혹은 구성은 도 37에 도시된 것과는 다를 수 있다. 예를 들어, 활성층의 개수 및 사용된 재료는 다양할 수 있다. 실시형태에 따르면, 도 37의 PV 전지는 10개 이상의 합금 활성층을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, PV 전지는 광학 공명층 혹은 광학 공명 공동부를 포함할 수 있고 도한 간섭계측적으로 조율될 수 있다. 다른 변형도 가능하다.
일반적으로, 광범위한 대안적인 구성이 가능하다. 예를 들어, 구성요소들(예컨대, 층들)은 추가되거나, 제거되거나, 재배열될 수 있다. 마찬가지로, 처리 및 방법 단계(스텝)들은 추가되거나, 제거되거나, 재배열될 수 있다. 또, 막 및 층 등의 용어가 본 명세서에서 이용되고 있지만, 본 명세서에서 이용되는 바와 같은 이러한 용어는 막 적층체 및 다층체를 포함한다. 이러한 막 적층체 및 다층체는 접착제를 이용해서 다른 구조체에 부착될 수 있거나, 또는 증착을 이용하거나 기타 방식으로 다른 구조체 상에 형성될 수 있다. 마찬가지로, 활성층이란 용어는 활성 영역의 p 및 n 도핑된 영역 및/또는 진성 부분을 포함하는데 이용될 수 있다. 마찬가지로, 기타 유형의 재료가 이용될 수 있다. 예를 들어, 활성층은 반도체를 포함할 수 있지만, 유기 물질 등의 기타 재료가 몇몇 실시형태에서 이용될 수 있다.
본 발명에 개시된 장치에 대해서 많은 응용이 가능하다. 상기 광기전력 장치는, 예를 들어, 태양광 농장 등과 같은 독립형 구조체 내 혹은 가정이나 빌딩 등과 같은 건축 구조 상에 이용될 수 있다. 태양광 장치는, 자동차, 비행기, 선박, 우주선 등의 운송 수단 상에 포함될 수 있다. 태양 전지는 이들로 제한되지는 않지만, 휴대폰, 컴퓨터, 휴대용 상업적 장치 등을 비롯한 각종 전자 장치에 이용될 수 있다. 또, 태양 전지는 군수, 의료, 소비자 공업 및 과학 용도를 위해 이용될 수 있다. 본 명세서에 구체적으로 기재된 이들을 능가하는 용도도 가능하다.
당업자라면, 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일없이 각종 변경과 변화를 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이러한 변경과 변화는, 첨부된 특허청구범위에 의해 규정된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 들어가는 것으로 의도되어 있다.
3400: 다중접합 PV 장치 3401: 기판
3402: 전극 3403: 제1활성층
3404, 3406, 3408: 이색성 필터층 3405: 제2활성층
3407: 제3활성층 3409: 반사층
3402: 전극 3403: 제1활성층
3404, 3406, 3408: 이색성 필터층 3405: 제2활성층
3407: 제3활성층 3409: 반사층
Claims (51)
- 제1파장을 지닌 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 제1활성층;
제2파장을 지닌 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 제2활성층; 및
상기 제1활성층과 상기 제2활성층 사이에 배치된 제1광학 필터를 포함하되,
상기 제1광학 필터는 상기 제2파장을 지닌 광보다 상기 제1파장을 지닌 광을 더 많이 반사시키고 상기 제1파장을 지닌 광보다 상기 제2파장을 지닌 광을 더 많이 투과시키도록 구성된 것인 광기전력 장치(photovoltaic device). - 제1항에 있어서, 상기 제1파장은 상기 제2파장보다 짧은 것인 광기전력 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 활성층들 중 적어도 하나는 반도체 재료를 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 활성층은 PN 접합부 또는 P-I-N 접합부를 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 활성층들 중 적어도 하나는 실리콘, 게르마늄, 카드뮴 텔루라이드, 구리 인듐 이셀렌화물, 구리 인듐 갈륨 이셀렌화물, 광 흡수 염료, 광 흡수 고분자, 광 흡수 나노입자가 내부에 배치된 고분자 또는 III-V족 반도체를 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제1항에 있어서, 제3파장을 지닌 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 제3활성층을 추가로 포함하는 광기전력 장치.
- 제6항에 있어서, 상기 제1파장은 상기 제2파장보다 짧고, 상기 제2파장은 상기 제3파장보다 짧은 것인 광기전력 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 제2활성층과 상기 제3활성층 사이에 배치된 제2광학 필터를 포함하되, 해당 제2광학 필터는 상기 제3파장을 지닌 광보다 상기 제2파장을 지닌 광을 더 많이 반사시키고 상기 제2파장을 지닌 광보다 상기 제3파장을 지닌 광을 더 많이 투과시키도록 구성된 것인 광기전력 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2활성층은 적어도 3개의 활성층을 포함하는 복수개의 활성층에 포함되는 것인 광기전력 장치.
- 제9항에 있어서, 상기 복수개의 활성층의 밴드갭은 약 450㎚ 내지 약 1750㎚ 사이의 약 1000㎚에 걸쳐 있는 대응하는 파장을 지니는 것인 광기전력 장치.
- 제9항에 있어서, 상기 복수개의 활성층은 적어도 약 5개의 활성층을 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제11항에 있어서, 상기 복수개의 활성층은 적어도 약 8개의 활성층을 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제12항에 있어서, 상기 복수개의 활성층은 적어도 약 12개의 활성층을 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제9항에 있어서, 상기 복수개의 활성층의 밴드갭은 하나의 활성층에서부터 그 다음 활성층까지 증가하는 것인 광기전력 장치.
- 제14항에 있어서, 상기 복수개의 활성층의 밴드갭은 약 200㎚ 이하의 파장 증분만큼 증가하는 것인 광기전력 장치.
- 제15항에 있어서, 상기 복수개의 활성층의 밴드갭은 약 100㎚ 이하의 파장 증분만큼 증가하는 것인 광기전력 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 복수개의 활성층의 밴드갭은 약 50㎚ 이하의 파장 증분만큼 증가하는 것인 광기전력 장치.
- 제9항에 있어서, 상기 복수개의 활성층은 제1재료와 제2재료가 함께 합금된 적어도 3개의 합금 활성층을 포함하며, 상기 제1재료와 상기 제2재료는 상이한 밴드갭을 지니는 것인 광기전력 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 적어도 3개의 합금 활성층은 제1재료와 제2재료가 함께 합금된 적어도 6개 이상의 합금 활성층을 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제19항에 있어서, 상기 적어도 3개의 합금 활성층은 제1재료와 제2재료가 함께 합금된 10개 이상의 합금 활성층을 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 적어도 3개의 합금 활성층은 상이한 비율의 상기 제1재료와 제2재료를 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제21항에 있어서, 상기 적어도 3개의 합금 활성층은, 하나의 합금 활성층으로부터 그 다음 합금 활성층으로 점차적으로 상기 제1재료가 농도 감소하고 상기 제2재료가 농도 증가하도록 차례로 배열되어 있는 것인 광기전력 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 제1재료는 실리콘을 포함하고, 상기 제2재료는 게르마늄을 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1광학 필터는 간섭 필터를 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제24항에 있어서, 상기 제1광학 필터는 약 2 내지 약 100개의 필름을 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제25항에 있어서, 상기 제1광학 필터는 1/4파 적층체(quarter wave stack)를 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1활성층과 전기적으로 접속된 광학적으로 투과성인 전극을 추가로 포함하는 광기전력 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2활성층과 상기 제1광학 필터를 통해서 투과된 광을 반사하도록 상기 제1 및 제2활성층의 밑에 배치된 반사체층을 추가로 포함하는 광기전력 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1활성층과 상기 제1광학 필터 사이에 제1광학 공명 공동부를 추가로 포함하는 광기전력 장치.
- 제29항에 있어서, 상기 제1광학 공명 공동부의 존재는 상기 제1활성층에 의해 흡수된 상기 제1파장을 지닌 광의 양을 증가시키는 것인 광기전력 장치.
- 제29항에 있어서, 상기 제1광학 공명 공동부의 존재는 상기 제1활성층 내의 상기 제1파장을 지닌 광의 평균전계강도를 증가시키는 것인 광기전력 장치.
- 제29항에 있어서, 태양광 스펙트럼의 파장에 대한 전체 흡수 효율을 지니며, 상기 태양광 스펙트럼의 파장에 대해서 적분된(integrated) 해당 흡수 효율은 상기 제1광학 공명 공동부의 존재에 의해 증가되는 것인 광기전력 장치.
- 제29항에 있어서, 상기 제1광학 공명 공동부의 존재는 상기 광기전력 장치 내의 임의의 다른 층에 대한 태양광 스펙트럼에 대해서 적분된 흡수 광학 파워(absorbed optical power)의 증가보다도 상기 제1활성층에 대해서 보다 큰 상기 태양광 스펙트럼에 대해서 적분된 흡수 광학 파워의 증가를 발생시키는 것인 광기전력 장치.
- 제29항에 있어서, 상기 제1광학 공명 공동부는 유전체를 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제29항에 있어서, 상기 제1광학 공명 공동부는 비전도성 산화물(non-conducting oxide)을 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제29항에 있어서, 상기 제1광학 공명 공동부는 공기 간극을 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제29항에 있어서, 상기 제1광학 공명 공동부의 두께는 상기 제1활성층의 광흡수를 증가시키도록 최적화되어 있는 것인 광기전력 장치.
- 제37항에 있어서, 상기 제1 및 제2활성층 중 적어도 하나의 두께는 상기 제1 혹은 제2활성층의 광 흡수를 증가시키도록 최적화되어 있는 것인 광기전력 장치.
- 제37항에 있어서, 상기 제1광학 공명 공동부의 두께와 상기 제1 및 제2활성층의 두께는 상기 제1 혹은 제2활성층의 광 흡수를 증가시키도록 최적화되어 있는 것인 광기전력 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1광학 필터의 두께는 제1활성층의 광 흡수를 증가시키도록 최적화되어 있는 것인 광기전력 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1광학 필터의 두께는 상기 제1활성층의 광 흡수를 증가시키도록 최적화되어 있는 것인 광기전력 장치.
- 제8항에 있어서, 상기 제2활성층과 상기 제2광학 필터 사이에 제2광학 공명 공동부를 추가로 포함하는 광기전력 장치.
- 제42항에 있어서, 상기 제2광학 공명 공동부의 존재는 상기 제2활성층에 의해 흡수된 제1파장의 광량 이상으로 제2활성층에 의해 흡수된 상기 제2파장을 지닌 광량을 증가시키는 것인 광기전력 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1활성층 위에 배치된 반사방지층을 추가로 포함하는 광기전력 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 활성층들 중 적어도 하나에 전기적으로 접속된 적어도 하나의 통공부(via)를 추가로 포함하는 광기전력 장치.
- 제1파장을 지닌 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 제1전기신호 발생수단;
제2파장을 지닌 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 제2전기신호 발생수단; 및
상기 제1전기신호 발생수단과 상기 제2전기신호 발생수단 사이에 배치된 제1광 여파수단(first light filtering means)을 포함하되,
상기 제1광 여파수단은 상기 제2파장을 지닌 광보다 상기 제1파장을 지닌 광을 더 많이 반사시키고 상기 제1파장을 지닌 광보다 상기 제2파장을 지닌 광을 더 많이 투과시키도록 구성된 것인 광기전력 장치. - 제46항에 있어서, 상기 활성층들 중 적어도 하나에 전기적으로 접속된 적어도 하나의 통공부를 추가로 포함하는 광기전력 장치.
- 제46항에 있어서, 상기 제1전기신호 발생수단은 제1활성층을 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제46항에 있어서, 상기 제2전기신호 발생수단은 제2활성층을 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제46항에 있어서, 상기 제1광 여파수단은 제1광학 필터를 포함하는 것인 광기전력 장치.
- 제1파장을 지닌 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 제1활성층을 제공하는 단계;
제2파장을 지닌 광이 흡수된 결과로서 전기 신호를 발생하도록 구성된 제2활성층을 제공하는 단계; 및
상기 제1활성층과 상기 제2활성층 사이에 제1광학 필터를 배치하는 단계를 포함하되,
상기 제1광학 필터는 상기 제2파장을 지닌 광보다 상기 제1파장을 지닌 광을 더 많이 반사시키고 상기 제1파장을 지닌 광보다 상기 제2파장을 지닌 광을 더 많이 투과시키도록 구성된 것인, 광기전력 장치의 제조방법.
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