KR20130112964A - 정적 간섭계 변조기를 포함하는 장치 및 해당 장치의 제조방법 - Google Patents
정적 간섭계 변조기를 포함하는 장치 및 해당 장치의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에 의하면, 정적 간섭계 변조기를 규정하는 박막들의 적층부를 포함하되, 상기 적층부는 반사성 도체; 흡수체; 및 상기 반사성 도체와 상기 흡수체 사이에 있는 광학 공명 공동부를 포함하며, 상기 광학 공명 공동부는 투명 전도성 재료를 포함하는 것인 장치를 제공한다. 또, 본 발명에 의하면, 장치를 제조하는 방법을 제공하되, 해당 방법은 기판 상에 흡수체를 증착시키는 단계; 상기 흡수체 위에 광학 공명 공동부를 형성하는 단계; 상기 광학 공명 공동부 위에 반사성 도체를 증착시키는 단계; 및 상기 반사성 도체를 패턴화하는 단계를 포함하며, 상기 광학 공명 공동부는 투명 전도성 재료를 포함한다.
Description
본 발명은, 일반적으로, 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는, 예를 들어, 광기전력 전지(즉, 태양 전지)(photovoltaic cell) 등과 같은 광전 변환기의 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 정적 간섭계 변조기(static interferometric modulator)를 규정하는 박막들의 적층부(stack)를 포함하는 장치 및 해당 장치를 제조하는 방법에 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 개발도상국의 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 다른 형태의 에너지로 변환될 수 있는 환경적으로 안전하고 재생가능한 에너지 공급원이다.
광기전력(PV: Photovoltaic) 전지는 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키고, 이에 따라 태양 에너지를 전력으로 변환시키는 데 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 어레이 형태로 패키지(packaging)되어 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.
PV 소자, 즉, PV 장치(photovoltaic device)는 탄화수소 연료에 대한 신뢰성을 저감시키는 잠재성을 지니는 한편, PV 장치의 광범위한 이용은 비효율성 및 심미적 관점에 의해 저해되고 있었다. 따라서, 이들 측면의 어느 하나의 개선은 PV 장치의 이용을 증가시킬 수 있었다.
본 발명에 의하면, 이러한 광기전력 장치(즉, 광전변환장치) 및 해당 광기전력 장치의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 소정의 실시형태는 관찰자에게 어둡게 혹은 흑색으로 보이도록 광기전력 전지 혹은 장치의 모두 혹은 일부를 어둡게 하는 간섭계 마스크(interferometric mask)가 통합된 해당 광기전력 장치 혹은 전지를 포함한다. 이러한 간섭계측적으로 마스킹된 광기전력 장치는 더욱 균일한 색을 지닐 수 있어, 이들을 심미적으로 쾌적하게 만들고, 따라서, 건물이나 건축 적용에서 더욱 유용하게 만들 수 있다. 각종 실시형태에 있어서, 하나 이상의 광학 공명 공동부(optical resonant cavity) 및/또는 광학 공명층이 광기전력 장치 내에, 특히 광기전력 재료의 광 입사측 혹은 전면 측 상에 내포되어, 광기전력 장치의 전면 표면 상에 있을 수 있는 반사 전극을 마스킹한다. 광학 공명 공동부 및/또는 층은 유전체 등의 투명 비전도성 재료, 투명 전도성 재료, 공기 간극(air gap), 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다른 실시형태도 가능하다.
일 실시형태에 있어서, 광이 입사하는 전면 측(front side) 및 해당 전면 측과 반대쪽에 있는 후면 측(back side)을 규정하는 광기전력 장치가 기재되어 있다. 상기 광기전력 장치는 상기 광기전력 활성층 및 해당 광기전력 활성층의 앞쪽에 도체층을 추가로 포함한다. 간섭계 마스크(interferometric mask)는 상기 도체의 전면 측을 피복하도록 패턴화되어 있다.
다른 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는 광기전력 재료 및 해당 광기전력 재료의 앞쪽에 있는 도체를 포함한다. 상기 광기전력 장치는 상기 광기전력 재료와 상기 도체의 앞쪽에 광학 간섭계 공동부를 추가로 포함한다. 상기 공동부는 상기 광기전력 재료의 앞쪽에 있는 반사면, 상기 반사면의 앞쪽에 있는 광학 공명 공동부 및 상기 광학 공명 공동부의 앞쪽에 있는 흡수체를 포함한다. 상기 광기전력 재료 및 금속성 도체의 부분을 포함하는, 상기 광기전력 장치의 전면 측에 대한 가시 색(visible color)은 실질적으로 균일하다.
또 다른 실시형태에 있어서, 광기전력 장치는 입사 측 상에서 입사광으로부터 전류를 발생시키는 전류 발생 수단; 발생된 전류를 전달하는 전달수단; 및 광기전력 장치의 상기 입사 측으로부터 상기 전달수단을 간섭계측적으로 마스킹하기 위한 마스킹 수단을 포함한다.
다른 실시형태에서는, 광기전력 장치를 제조하는 방법이 제공된다. 해당 방법은 광기전력 활성층, 패턴화된 전면 측 도체 및 후면측 도체를 구비한 광기전력 발생기를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 광기전력 발생기 위에는 복수개의 층이 형성된다. 상기 패턴화된 전면 측 도체를 피복하는 간섭계 변조기를 규정하도록 상기 복수개의 층 중 하나 이상이 패턴화된다.
보다 구체적으로, 다른 실시형태에서는, 정적 간섭계 변조기를 규정하는 박막들의 적층부를 포함하는 장치가 제공되며, 여기서 상기 적층부는 반사성 도체; 흡수체; 및 상기 반사성 도체와 상기 흡수체 사이에 있는 광학 공명 공동부를 포함하며, 상기 광학 공명 공동부는 투명 전도성 재료를 포함한다.
또 다른 실시형태에서는, 장치를 제조하는 방법이 제공되며, 해당 방법은, 기판 상에 흡수체를 증착시키는(depositing) 단계; 상기 흡수체 위에 광학 공명 공동부를 형성하는 단계; 상기 광학 공명 공동부 위에 반사성 도체를 증착시키는 단계; 및 상기 반사성 도체를 패턴화하는 단계를 포함하되, 상기 광학 공명 공동부는 투명 전도성 재료를 포함한다.
본 명세서에 개시된 실시예는 첨부 도면에 예시되어 있고, 이들 첨부 도면은 단지 예시적인 목적을 위해 제공된 것이다.
도 1은 이론적인 광학 간섭계 공동부(optical interferometric cavity)를 개략적으로 나타낸 도면;
도 2는 광학 간섭계 변조기(optical interferometric modulator)의 일 구현예를 형성하는 복수개의 층을 개략적으로 나타낸 도면;
도 3a는 흡수체층, 광학 공명 공동부 및 반사체를 포함하는 도 2의 것과 유사한 간섭계 변조기(interferometric modulator: "IMOD") 적층부의 블록도;
도 3b는 광학 공동부가 흡수체층과 반사체층 사이에 있는 기둥부 혹은 지주부에 의해 형성된 공기 간극을 포함하는 IMOD를 개략적으로 나타낸 도면;
도 3c는 광학 공명 공동부가 "개방" 상태에서 전기기계적으로 조정될 수 있는 IMOD의 일 실시형태를 나타낸 도면;
도 3d는 광학 공명 공동부가 "폐쇄" 상태에서 전기기계적으로 조정될 수 있는 IMOD를 나타낸 도면;
도 4는 표준 입사(normally incident)되고 반사된 광에 대해서 황색을 반사하도록 구성된 광학 공동부를 구비한 간섭계 광 변조기의 총 반사 대 파장을 도시한 도면;
도 5는 표준 입사되고 반사된 광에 대해서 가시광 반사를 최소화하도록 구성된 광학 공동부를 구비한 간섭계 광 변조기의 총 반사 대 파장을 도시한 도면;
도 6은 입사각 혹은 시야각이 법선에 대해서 대략 30도인 경우 도 5의 것과 유사한 간섭계 광 변조기의 총 반사 대 파장을 도시한 도면;
도 7은 p-n 접합부를 포함하는 광기전력 전지를 개략적으로 나타낸 도면;
도 8은 증착된 박막 광기전력 활성 재료를 포함하는 광전지를 개략적으로 도시한 블록도;
도 9a 및 도 9b는 전면 측 상에 가시성(visible) 반사 전극을 구비한 예시적인 태양 광기전력 장치를 도시한 개략 평면도 및 등각 투상 단면도;
도 10a 내지 도 10g는 광기전력 장치가 통합된 간섭계 변조기(IMOD) 마스크의 일 실시형태를 제조하는 방법에서의 단계들을 예시한 개략 단면도로, 여기서, IMOD 마스크는 광기전력 장치 전면 전극들과 함께 패턴화되어 있음;
도 10h는 도 10g의 광기전력 장치의 IMOD 마스크 위에 보호막을 형성한 후의 개략 단면도;
도 11a 내지 도 11d는 다른 실시형태에 따라 광기전력 장치 위에 IMOD 마스크를 추가하는 단계를 예시한 개략 단면도로서, 여기서 IMOD 마스크용의 광학 공명 공동부를 규정하는 층(들)은 패턴화되지 않은 채로 남아 있음;
도 12는 다른 실시형태에 따라 전극을 피복하는 IMOD 마스크를 구비한 광기전력 장치의 개략 단면도로서, 해당 IMOD 마스크는 광기전력 장치 전면 전극보다 약간 넓게 되도록 패턴화되어 있는 층들을 포함함;
도 13a 내지 도 13e는 IMOD 마스크가 통합된, 투명 기판 상에 박막 광기전력 장치를 제조하는 방법의 단계들을 예시한 개략 단면도;
도 13f는 투명 기판 상에 박막 광기전력 장치가 통합된 IMOD 마스크의 다른 실시형태의 개략 단면도로서, 여기서 IMOD 마스크용의 광학 공명 공동부를 규정하는 층(들)은 패턴화되지 않은 채로 남아 있음;
도 13g는 활성 광기전력 재료를 지닌 투명 기판 쪽과는 반대쪽인 해당 투명 기판의 전면 측 상에 통합된 IMOD 마스크의 다른 실시형태의 개략 단면도;
도 14a 및 도 14b는 전면 전극 위에 형성된 IMOD 마스크를 지니거나 지니지 않는 상태로, 단결정 반도체 광기전력 장치로 형성된 광기전력 장치의 개략 단면도;
도 15는 IMOD 마스크가 통합된 간섭계측적으로 증강된(interferometrically-enhanced) 광기전력 장치의 일 실시형태의 개략 단면도.
도 2는 광학 간섭계 변조기(optical interferometric modulator)의 일 구현예를 형성하는 복수개의 층을 개략적으로 나타낸 도면;
도 3a는 흡수체층, 광학 공명 공동부 및 반사체를 포함하는 도 2의 것과 유사한 간섭계 변조기(interferometric modulator: "IMOD") 적층부의 블록도;
도 3b는 광학 공동부가 흡수체층과 반사체층 사이에 있는 기둥부 혹은 지주부에 의해 형성된 공기 간극을 포함하는 IMOD를 개략적으로 나타낸 도면;
도 3c는 광학 공명 공동부가 "개방" 상태에서 전기기계적으로 조정될 수 있는 IMOD의 일 실시형태를 나타낸 도면;
도 3d는 광학 공명 공동부가 "폐쇄" 상태에서 전기기계적으로 조정될 수 있는 IMOD를 나타낸 도면;
도 4는 표준 입사(normally incident)되고 반사된 광에 대해서 황색을 반사하도록 구성된 광학 공동부를 구비한 간섭계 광 변조기의 총 반사 대 파장을 도시한 도면;
도 5는 표준 입사되고 반사된 광에 대해서 가시광 반사를 최소화하도록 구성된 광학 공동부를 구비한 간섭계 광 변조기의 총 반사 대 파장을 도시한 도면;
도 6은 입사각 혹은 시야각이 법선에 대해서 대략 30도인 경우 도 5의 것과 유사한 간섭계 광 변조기의 총 반사 대 파장을 도시한 도면;
도 7은 p-n 접합부를 포함하는 광기전력 전지를 개략적으로 나타낸 도면;
도 8은 증착된 박막 광기전력 활성 재료를 포함하는 광전지를 개략적으로 도시한 블록도;
도 9a 및 도 9b는 전면 측 상에 가시성(visible) 반사 전극을 구비한 예시적인 태양 광기전력 장치를 도시한 개략 평면도 및 등각 투상 단면도;
도 10a 내지 도 10g는 광기전력 장치가 통합된 간섭계 변조기(IMOD) 마스크의 일 실시형태를 제조하는 방법에서의 단계들을 예시한 개략 단면도로, 여기서, IMOD 마스크는 광기전력 장치 전면 전극들과 함께 패턴화되어 있음;
도 10h는 도 10g의 광기전력 장치의 IMOD 마스크 위에 보호막을 형성한 후의 개략 단면도;
도 11a 내지 도 11d는 다른 실시형태에 따라 광기전력 장치 위에 IMOD 마스크를 추가하는 단계를 예시한 개략 단면도로서, 여기서 IMOD 마스크용의 광학 공명 공동부를 규정하는 층(들)은 패턴화되지 않은 채로 남아 있음;
도 12는 다른 실시형태에 따라 전극을 피복하는 IMOD 마스크를 구비한 광기전력 장치의 개략 단면도로서, 해당 IMOD 마스크는 광기전력 장치 전면 전극보다 약간 넓게 되도록 패턴화되어 있는 층들을 포함함;
도 13a 내지 도 13e는 IMOD 마스크가 통합된, 투명 기판 상에 박막 광기전력 장치를 제조하는 방법의 단계들을 예시한 개략 단면도;
도 13f는 투명 기판 상에 박막 광기전력 장치가 통합된 IMOD 마스크의 다른 실시형태의 개략 단면도로서, 여기서 IMOD 마스크용의 광학 공명 공동부를 규정하는 층(들)은 패턴화되지 않은 채로 남아 있음;
도 13g는 활성 광기전력 재료를 지닌 투명 기판 쪽과는 반대쪽인 해당 투명 기판의 전면 측 상에 통합된 IMOD 마스크의 다른 실시형태의 개략 단면도;
도 14a 및 도 14b는 전면 전극 위에 형성된 IMOD 마스크를 지니거나 지니지 않는 상태로, 단결정 반도체 광기전력 장치로 형성된 광기전력 장치의 개략 단면도;
도 15는 IMOD 마스크가 통합된 간섭계측적으로 증강된(interferometrically-enhanced) 광기전력 장치의 일 실시형태의 개략 단면도.
광 에너지를 전기 에너지 혹은 전류로 변환시키기 위하여 유용한 표면 상에 광기전력(PV) 장치의 광범위한 채용을 저해하는 하나의 쟁점은 PV 장치 상의 전면 도체 혹은 전극들의 바람직하지 않은 심미적 외관이다. 통상의 전면 전극 재료의 높은 반사력(reflectivity)은 활성 PV 재료 자체의 보다 어두운 외관과 대조를 이루고, 또한 주변 재료와 PV 재료의 배합을 저해한다. 본 명세서의 이하에서 기재된 실시형태는 전극을 어둡게 하거나 은폐하거나 배합하도록 설계된 간섭계 변조기(IMOD) 구성을 이용하므로, PV 장치용의 도체 위에 IMOD 마스크를 제공한다. IMOD 마스크 상에 입사하는 광은 광 간섭의 원리로 인해 전극들의 영역에서 가시성 반사를 거의 혹은 전혀 하지 않는다. 간섭계 마스킹 효과는 IMOD 마스크를 구성하는 재료의 치수 및 기본적인 광학 특성에 의해 지배된다. 따라서, 해당 마스킹 효과는 통상의 염료 혹은 도료에 비해서 시간 경과에 따라 바래지기 쉽지 않다.
여기에서는 소정의 실시형태 및 실시예를 개시하고 있지만, 본 발명의 주제는 구체적으로 개시된 실시형태를 넘어 다른 대안적인 실시형태 및/또는 본 발명의 용도 및 그의 명백한 변형 및 등가물까지 이르는 것임을 이해할 수 있을 것이다. 본 명세서에 개시된 본 발명의 범위는 특별히 개시된 실시형태에 의해 제한되지 않도록 의도되어 있다. 따라서, 예를 들어, 본 명세서에 개시된 어떠한 방법 혹은 과정에 있어서도, 해당 방법/과정을 구성하는 동작 혹은 조작은 임의의 적절한 수순으로 수행될 수 있고, 반드시 임의의 특별히 개시된 수순으로 제한되는 것은 아니다. 실시형태의 각종 측면과 이점들은 필요한 경우 설명되어 있다. 이러한 측면 혹은 이점들이 모두가 반드시 임의의 특정 실시형태에 의해 달성되는 것이 아니라는 것을 이해할 필요가 있다. 따라서, 예를 들어, 각종 실시형태는 본 명세서에 교시되거나 제시될 수 있는 바와 같은 기타 측면 혹은 이점들을 반드시 달성하는 일없이도 본 명세서에 교시된 바와 같은 하나의 이점 혹은 일군의 이점을 달성하거나 최적화시키는 방법으로 수행될 수 있다는 것도 인식할 필요가 있다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 소정의 구체적인 실시형태에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 다양한 방식으로 구체화될 수 있다. 본 명세서에 기재된 실시형태는 광 에너지를 전류로 변환하기 위한 광기전력 장치를 내포하는 광범위한 소자(혹은 장치)에서 실현될 수 있다.
이 설명에서는, 동일한 부분은 동일한 참조 부호로 표기된 도면을 참조하여 설명을 행한다. 이하의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 각 실시형태는 광기전력 활성 재료를 포함하는 각종 소자에서 구현될 수 있다.
도 1은 광학 공명 공동부를 예시하고 있다. 이러한 광학 공명 공동부의 일례는 반사된 색의 스펙트럼을 발생할 수 있는 비누막(soap film)이다. 도 1에 도시된 광학 공명 공동부는 두 면(혹은 계면)(101), (102)을 포함한다. 이들 두 면(101), (102)은 동일층 상에서 대향하는 면일 수도 있다. 예를 들어, 두 면(101), (102)은 유리 혹은 플라스틱판 혹은 시트, 또는 유리, 플라스틱 혹은 다른 임의의 투명한 재료의 필름(이하, "막"이라 표기할 경우가 많음) 상의 면들을 포함할 수 있다. 공기 혹은 다른 매질은 상기 판, 시트 혹은 필름을 둘러쌀 수 있다. 예시된 예에 있어서, 광은 상기 계면(101), (102)의 각각에서 부분적으로 반사되고 부분적으로 투과된다.
광학 공명 공동부의 전면(101) 상에 입사하는 광선(103)은 광로(104)에 의해 표시된 바와 같이 부분적으로 반사되고, 광로(105)를 따라 전면(101)을 통해 부분적으로 투과된다. 투과된 광선(105)은 광로(107)를 따라 부분적으로 반사되고 광로(106)를 따라 공명 공동부로부터 부분적으로 투과될 수 있다. 투과 및 반사된 광량은 광학 공명 공동부를 형성하는 재료의 굴절률 및 그를 둘러싸는 매질의 굴절률에 의존할 수 있다. 이 예는 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 다수의 내부 반사의 생략에 의해 간략화되어 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. 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 특정 파장에서 강도를 저감시키도록 구성되어 있다면, 두 광선은 그 파장에서 소멸(destructively) 간섭된다라고 지칭된다. 한편, 두 광선(104), (107)의 위상과 진폭이 강도를 증가시키도록 구성되어 있다면, 두 광선은 보강(constructively) 간섭된다라고 지칭된다. 위상차는 두 경로의 광로차에 의존하며, 이것은 광학 공명 공동부의 두께와, 두 계면(101), (102) 간의 재료의 굴절률, 및 주변 재료의 굴절률이 광학 공명 공동부를 형성하는 재료의 굴절률보다 높은지 혹은 낮은지의 여부에 의존한다. 위상차는 또한 입사광선(103)의 상이한 파장에 대해서 상이하다. 따라서, 몇몇 실시형태에서는, 광학 공명 공동부는 입사광(103)의 특정 세트를 반사하는 한편 입사광(103)의 다른 파장을 투과할 수 있다. 이와 같이 해서, 일부의 파장은 보강 간섭될 수 있고, 일부의 파장은 소멸 간섭될 수 있다. 일반적으로, 광학 공명 공동부에 의해 반사되고 투과된 색 및 총 강도는 해당 광학 공명 공동부 및 주변 매질을 형성하는 재료 및 두께에 좌우된다. 상기 반사되고 투과된 파장은 또한 시야각에 의존하며, 상이한 파장은 상이한 각도에서 반사되고 투과된다.
도 2에서, 광학 공명 공동부는 두 층 사이에 규정되어 있다. 특히, 흡수체층(201)은 광학 공명 공동부의 상부면 혹은 전면(101)을 규정하는 한편, 하부 반사체층(이하, 반사체 혹은 반사막이라고도 칭함)(202)은 광학 공명 공동부의 하부면 혹은 후면(102)을 규정한다. 흡수체층 및 반사체층의 두께는 서로 실질적으로 상이할 수 있다. 예를 들어, 흡수체층(201)은 전형적으로 하부 반사체층(202)보다 얇을 것이고 부분적으로 투과성으로 되도록 설계되어 있다. 흡수체층과 반사체층은 금속을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 광학 간섭 공동부의 흡수체층(201)에 입사하는 광선(203)은 각 광로(204), (207)를 따라 광학 간섭 공동부로부터 부분적으로 반사된다. 전면 혹은 입사 측 상에서 관찰자에게 보이는 바와 같은 조명 시야는 두 반사된 광선(204), (207)의 중첩이다. 하부 반사체층(202)을 통해 소자에 의해 실질적으로 반사되거나 해당 소자로부터 투과되는 광량은 반사체층의 두께와 조성을 변화시킴으로써 유의하게 증감될 수 있는 반면, 반사의 겉보기 색은 흡수체층(201)의 재료 특성 및 광학 공명 공동부(101)의 크기 혹은 두께에 의해 관리되는 간섭 효과에 의해 크게 결정된다.
몇몇 실시형태에 있어서, 전면(101)과 후면(102) 사이에 있는 광학 공동부는 광학적으로 투명한 유전체층과 같은 하나의 층, 혹은 복수개의 층에 의해 규정된다. 다른 실시형태에 있어서, 전면(101)과 후면(102) 사이에 있는 광학 공동부는 공기 간극에 의해, 혹은 광학적으로 투명한 층(들)과 공기 간극과의 조합에 의해 규정된다. 광학 간섭 공동부의 크기는 입사광의 하나 이상의 특정 색의 반사를 최대화 혹은 최소화하도록 조율될 수 있다. 광학 간섭 공동부에 의해 반사된 색 혹은 색들은 해당 공동부의 두께를 변화시킴으로써 변경될 수 있다. 따라서, 광학 간섭 공동부에 의해 반사된 색 혹은 색들은 해당 공동부의 두께에 의존할 수 있다. 특정 파장(들)이 광학 간섭에 의해 최대화 혹은 최소화되도록 상기 공동부의 높이가 형성되어 있을 경우, 해당 구조체는 여기서는 간섭계 변조기(IMOD)라 지칭된다.
소정의 실시형태에 있어서, 상부 흡수체와 하부 반사체 간의 광학 공명 공동부의 높이는 예를 들어 마이크로전자기계 시스템(MEMS: microelectromechanical systems)에 의해 능동적으로 변화될 수 있다. MEMS는 마이크로기계 소자, 작동기 및 전자 기기를 포함한다. 마이크로기계 소자는 기판 및/또는 증착(혹은 침착(deposition); 이하 본 명세서에서는 "증착"이라 표기함)된 재료층의 일부를 에칭해내거나 층들을 추가하여 전기 및 전자기계 장치를 형성하는 증착, 에칭 및/또는 기타 미세기계가공(micromachining) 공정들을 이용하여 형성될 수도 있다. 이러한 MEMS 장치는 전기기계적으로 조절될 수 있는 광학 공명 공동부를 지니는 IMOD를 포함한다. IMOD는 광학적 간섭의 원리를 이용하여 광을 선택적으로 흡수 및/또는 반사시킨다. 소정의 실시형태에 있어서, 간섭계 변조기는 1쌍의 도전판을 포함할 수도 있는 데, 그 중 한쪽은 부분적으로 반사형인 동시에 부분적으로 투과형이며, 다른 한쪽이 부분적으로 혹은 전체적으로 반사형이다. 상기 도전판은 적절한 전기 신호의 인가 시 상대 이동할 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 하나의 도전판은 기판에 증착된 고정층을 포함할 수도 있고, 다른 하나의 도전판은 공기 간극(air gap)에 의해 고정층과는 분리된 금속막을 포함할 수도 있다. 본 명세서에서 보다 더 상세히 설명하는 바와 같이, 도전판의 상대적 위치에 의해서 간섭계 변조기에 입사되는 광의 광학적 간섭은 변화될 수 있다. 이와 같이 해서, 간섭계 변조기에 의해 출력된 광의 색은 변경될 수 있다.
이러한 MEMS-조절가능한 광학 간섭 공동부 혹은 IMOD를 이용하면, 적어도 2개의 상태를 제공하는 것이 가능해진다. 제1상태는 소정 치수의 광학 간섭 공동부를 포함함으로써, (공동부의 크기에 의거해서) 선택된 색의 광이 보강 간섭되어 해당 공동부로부터 반사된다. 제2상태는 광의 보강 및/또는 소멸 간섭으로 인해 생성된 가시적인 흑색 생태를 포함하므로, 가시 파장은 실질적으로 흡수된다. 대안적으로, 상기 두 상태는 착색되어 넓은 스펙트럼(백색)을 반사할 수 있다.
도 3a는 IMOD 적층부(300)의 간략화된 모식도이다. 예시된 바와 같이, IMOD 적층부(300)는 흡수체층(흡수체)(301), 반사체(303), 및 상기 흡수체층(301)과 반사체(303) 사이에 형성된 광학 공명 공동부(302)를 포함한다. 반사체(303)는, 예를 들어, 알루미늄 등과 같은 금속층을 포함하며, 전형적으로는 불투명하게 되도록 충분히 두껍다(예컨대, 300㎚). 광학 공명 공동부(302)는 공기 간극 및/또는 하나 이상의 광학적으로 투명한 재료를 포함할 수 있다. 광학 공명 공동부(302)가 반사체(303)와 흡수체층(301) 사이에 있는 단일 층에 의해 규정되면, 투명한 도체 혹은 투명한 유전체가 이용될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 광학 공명 공동부(302)는 공기 간극, 투명 전도성 재료 및 투명 유전체층의 2개 이상을 포함할 수 있는 다수의 재료로 이루어진 복합 구조체를 포함할 수 있다. 다수의 층 및/또는 공기 간극의 가능한 이점은, 적층부의 선택된 층들이 IMOD 적층부(300)에서의 그의 광학적 역할에 부가해서 장치 패시베이션(passivation) 혹은 스크래치 내성 등과 같은 다수의 기능을 할 수 있다는 점이다. 몇몇 실시형태에 있어서, 광학 공명 공동부는 도전체이든 유전체이든지 간에 하나 이상의 부분적으로 투명한 재료를 포함할 수 있다. 광학 간섭 공동부(302)용의 예시적인 투명한 재료는 투명 전도성 산화물(TCO: transparent conductive oxide)인 인듐 주석 산화물 (ITO) 및/또는 유전체인 이산화규소(SiO2)를 포함할 수 있다.
이 실시형태에서, 광은 우선 흡수체층(301) 속으로 통과함으로써 IMOD 적층부(300)를 통과한다. 일부의 광은 부분적으로 투과성인 흡수체층(301)에 이어서 광학 간섭 공동부(302)를 통과하고, 도로 해당 광학 공명 공동부(302) 및 흡수체층(301)을 통해서 반사체(303)로부터 반사된다.
도 3b를 참조하면, 다른 실시형태에 있어서, 광학 공명 공동부(302)의 두께는 레일, 기둥부 혹은 지주부(pillar) 등과 같은 스페이서(311)에 의해 지지된 공기 간극(302)을 포함할 수 있다. IMOD(300) 내에서, 광학 공명 혹은 간섭 공동부(302)는 정적인 공기 간극, 또는 동적인, 즉, 예를 들어 MEMS 기술을 이용해서 가변가능한 공기 간극일 수 있다.
도 3a 또는 도 3b에 도시된 것과 같은 간섭계 변조기(IMOD) 구조체는, 광학 간섭을 이용해서 소정의 반사 출력을 선택적으로 생성한다. 이 반사된 출력은 광학 공명 공동부(302)의 두께와 광학적 특성뿐만 아니라, 흡수체(301) 및 반사체(303)의 두께와 광학적 특성의 선택에 의해 "변조"될 수 있다. 상기 반사된 출력은 또한 광학 공명 공동부(302)의 크기를 변화시키기 위하여 MEMS 장치를 이용해서 동적으로 변화될 수 있다. 흡수체(301)의 표면을 바라보는 관찰자에 의해 관찰되는 색은 IMOD로부터 실질적으로 반사되지만, IMOD의 각종 층에 의해 실질적으로 흡수되거나 소멸 간섭되지 않는 주파수를 지닌 것에 대응할 것이다. 간섭되지만 실질적으로 흡수되지 않는 주파수는 광학 공명 공동부(302)의 두께를 선택함으로써 변경될 수 있다.
도 3c 및 도 3d는 광학 공명 공동부(도 3b에서 (302))가 공기 간극을 포함하고 MEMS 기술을 이용해서 전기기계적으로 변화될 수 있는 IMOD의 일 실시형태를 도시하고 있다. 도 3c는 "개방" 상태에 있도록 구성된 IMOD를 예시하고 있고, 도 3d는 "폐쇄된" 혹은 "붕괴된" 상태에 있도록 구성된 IMOD를 예시하고 있다. 도 3c 및 도 3d에 예시된 IMOD는 기판(320), 박막 적층부(330) 및 반사막(303)을 포함한다. 박막 적층부(330)는 별도의 투명 전극 및 유전체층 등과 같은 다른 층과 재료뿐만 아니라 흡수체(도 3a 및 도 3b에서 (303)에 대응함)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 박막 적층부(330)는 기판(320)에 부착될 수 있다. "개방" 상태에서, 박막 적층부(330)는 간극(340)에 의해 반사막(303)으로부터 이간되어 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 예를 들어, 도 3c에 나타낸 바와 같이, 간극(340)은 스페이서(311), 예컨대, 레일, 지주부 혹은 기둥부 등에 의해 지지된 공기 간극일 수 있다. "개방" 상태에서, 간극(340)의 두께는, 예를 들어, 몇몇 실시형태에서 120㎚ 내지 400㎚(예컨대, 대략 260㎚)에서 다양할 수 있다. 그러므로, "개방" 상태에서, 도 3a 및 도 3b의 광학 공명 공동부는 박막 적층부(330) 내의 흡수체 위에 소정의 투명층과 함께 공기 간극을 포함한다.
소정의 구성에 있어서, IMOD는 도 3d에 나타낸 바와 같은 박막 적층부(330)와 반사막(303) 사이에 전압차를 인가함으로써 "개방" 상태로부터 "폐쇄" 상태로 전환될 수 있다. "폐쇄" 상태에서, 박막 적층부(330)와 반사막(303) 사이의 흡수체 위에 있는 광학 공동부는, 예컨대, 박막 적층부(330) 내의 흡수체 위에 놓인 유전체층에 의해 규정되며, 전형적으로 "흑색" 혹은 최소 가시성 반사를 반사하도록 구성된다. 공기 간극의 두께는 일반적으로 대략 0㎚ 내지 대략 2000㎚ 사이, 예를 들어, 몇몇 실시형태에서는 "개방" 상태와 "폐쇄" 상태 간에 변화될 수 있다.
"개방" 상태에서, 입사광의 하나 이상의 주파수는 기판(320)의 표면 위쪽에서 보강 간섭된다. 따라서, 입사광의 일부의 주파수는 IMOD 내에서 실질적으로 흡수되지 않지만 대신에 IMOD(300)로부터 반사된다. IMOD로부터 반사된 주파수는 IMOD의 외부에서 보강 간섭된다. 기판(320)의 표면을 바라보는 관찰자에 의해 관찰된 표시 색은 IMOD로부터 실질적으로 반사되고 IMOD의 각종 층에 의해 실질적으로 흡수되지 않는 주파수를 지닌 것에 대응할 것이다. 보강 간섭되고 실질적으로 흡수되지 않는 주파수는 광학 공동부(간극(340)을 포함함)의 두께를 변화시킴으로써 변경되고, 이에 따라, 광학 공명 공동부의 두께를 변화시킬 수 있다.
도 4는 IMOD의 전면에 직각 혹은 수직인 방향으로부터 볼 수 있는 바와 같이 IMOD(예를 들어, 도 3a 또는 도 3b의 IMOD(300))의 총 반사 대 파장의 그래프를 나타내고 있다. 총 반사의 그래프는 대략 550㎚(황색)에서 반사 피크를 나타낸다. IMOD를 바라보는 관찰자는 황색으로 되는 IMOD를 관찰할 것이다. 앞서 언급한 바와 같이, 총 반사 곡선의 피크의 위치는 광학 공명 공동부(302)의 두께 혹은 재료를 변경함으로써 혹은 적층부 내의 하나 이상의 층의 재료와 두께를 변경함으로써 변이될 수 있다.
도 5는 가시 영역에서 반사를 최소화도록 선택된 광학 공동부 두께를 지니는 IMOD에 대해서 대략 400㎚ 내지 800㎚의 파장 범위에 걸친 IMOD의 총 반사 대 파장의 그래프를 나타내고 있다. 총 반사는 전체 파장 범위에서 균일하게 낮은 것으로 관찰된다. 이와 같이 해서 매우 적은 광이 간섭계 변조기로부터 반사된다. IMOD의 전면에서 수직으로 보는 관찰자에 의해 관찰되는 색은 일반적으로 몇몇 실시형태에서 흑색, 적색을 띤 흑색 혹은 자색일 수 있다.
일반적으로, IMOD 적층부는 시야각 의존성을 지닐 수 있다. 그러나, 광학 공명 공동부가 시야각 범위 내에서 IMOD 반사를 최소화하도록 선택된 경우, 각도 의존성은 상당히 낮은 경향이 있다. 도 6은, 입사각 혹은 시야각이 30°인 경우, 가시성 반사를 최소화하도록 최적화된 광학 공명 공동부를 지닌 IMOD에 대한 총 반사 대 파장을 나타내고 있다. 총 반사는 전체 가시 파장 범위에서 균일하게 낮은 것으로 관찰된다. 이와 같이 해서, 매우 적은 가시광이 간섭계 변조기로부터 반사된다. 도 5와 도 6을 비교해보면, 입사각 혹은 시야각이 수직 입사로부터 30°로 변화될 경우 가시성 반사를 최소화하도록 채택되거나 변조된 공동부(302)를 지닌 IMOD의 스펙트럼 응답이 표준 입사(normal incidence)에 대해 대략 동일한 것을 나타내고 있다. 즉, 가시성 반사를 최소화하도록 선택된 공동부를 지니는 "흑색" IMOD의 스펙트럼 응답은 입사각 혹은 시야각에 대한 강력한 의존성을 보이지 않는다.
도 7은 전형적인 광기전력 전지(700)를 나타낸다. 전형적인 광기전력 전지는 광 에너지를 전기 에너지 혹은 전류로 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. 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. 어레이의 모듈은 전기 접속부, 탑재 하드웨어, 전력 조절 장비 및 태양이 비치지 않을 때 이용하기 위하여 태양 에너지를 보존하는 배터리를 포함할 수 있다. PV 장치는 그의 부수하는 전기 접속부 및 주변부, PV 모듈, PV 어레이 혹은 태양열 전지판을 구비한 단일 전지일 수 있다. PV 장치는 또한 기능적으로 무관한 전기 부품, 예컨대, PV 전지(들)에 의해 통전되는 부품들을 포함할 수 있다.
전형적인 PV 전지는 2개의 전극 사이에 배치된 PV 활성 영역(이하 PV 활성 재료 혹은 PV 활성층이라고도 칭함)을 포함한다. 몇몇 실시형태에 있어서, PV 전지는 층들의 적층부가 상부에 형성되어 있는 기판을 포함한다. PV 전지의 PV 활성층은 실리콘 등의 반도체 재료를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 활성 영역은 도 7에 도시된 바와 같은 n-형 반도체 재료(703)와 p-형 반도체 재료(704)를 접촉시킴으로써 형성된 p-n 접합부를 포함할 수 있다. 이러한 p-n 접합부는 다이오드와 유사한 특성을 지닐 수 있으므로 포토다이오드 구조로도 지칭될 수 있다.
PV 활성층(들)(703), (704)은 두 전극 사이에 삽입되어 전류로를 제공한다. 후면 전극(705)은 알루미늄, 은 혹은 몰리브덴 또는 기타 몇몇 전도성 재료로 형성될 수 있다. 후면 전극은 거칠고 미연마되어 있을 수 있다. 전면 전극(701)은 접촉 저항을 낮추고 수집 효율을 증가시키기 위하여 p-n 접합부의 전면의 상당한 부분을 피복하도록 설계될 수 있다. 전면 전극(701)이 불투명한 재료로 형성되어 있는 실시형태에 있어서, 전면 전극(701)은 PV 활성층의 전면 위에 개구부를 남겨 조명광이 PV 활성층 상에 충돌할 수 있도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 전면 전극은 투명한 도체, 예를 들어, 산화주석(SnO2) 혹은 인듐 주석 산화물(ITO) 등의 투명 전도성 산화물(TCO)을 포함할 수 있다. TCO는 전기 접촉 및 전도율을 제공하는 동시에 입사광에 대해서 투명할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, PV 전지는 또한 전면 전극(701) 위에 배치된 반사방지(AR: anti-reflective) 코팅층(702)을 포함할 수 있다. 반사방지 코팅층(702)은 PV 활성층(들)(703), (704)의 전면으로부터 반사된 광량을 저감시킬 수 있다.
PV 활성 재료의 전면이 조명될 경우, 광자는 활성 영역에서 에너지를 전자로 이송한다. 광자에 의해 이송된 에너지가 반도체 재료의 밴드갭보다 크다면, 전자는 그 전도 밴드에 유입되도록 충분한 에너지를 지닐 수 있다. 내부 전계는 p-n 접합부의 형성에 의해 작성된다. 내부 전계는 에너지를 받은 전자에 작용해서 이들 전자를 이동시킴으로써, 외부 회로(707) 내에 전류 흐름을 발생한다. 얻어진 전류 흐름은 도 7에 도시된 바와 같은 백열전구(706) 등과 같은 각종 전기 장치를 통전시키는 데 이용될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 도 7에 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 다중 접합부를 포함할 수 있다.
PV 활성층(들)은 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 재료(들)는 본 명세서에서는 PV 전지의 활성층으로 지칭된다. PV 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, 광학 에너지가 투명한 기판을 통해 통과할 경우, PV 전지는 기판 상에 TCO의 제1 혹은 전면 전극을 증착함으로써 형성될 수 있다. PV 활성 재료는 제1전극층 상에 증착될 수 있다. 제2전극층은 PV 활성 재료의 층 상에 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 실리콘, CIS, CdTe 혹은 CIGS 등의 비정질 혹은 다결정성 재료를 포함할 수 있다. 박막 PV 전지의 몇몇 이점은 특히 제조 과정의 규모가변성(scalability) 및 작은 장치 공간(small device footprint)이다.
도 8은 전형적인 PV 전지(800)를 개략적으로 예시한 블록도이다. 해당 전형적인 PV 전지(800)는 광이 통과할 수 있는 유리 기판(801)을 포함한다. 유리 기판(801) 상에는 제1전극층(802), PV 활성층(803)(비정질 실리콘(α-Si)을 포함하는 것으로 도시됨) 및 제2전극층(805)이 배치되어 있다. 제1전극층(802)은 ITO 등의 투명 전도성 재료를 포함할 수 있다. 예시된 바와 같이, 제1전극층(802)과 제2전극층(805) 사이에 박막 PV 활성층(803)이 삽입되어 있다. 예시된 PV 활성층(803)은 비정질 실리콘층을 포함한다. 당업계에 공지된 바와 같이, PV 재료로서 역할하는 비정질 실리콘은 하나 이상의 다이오드 접합부를 포함할 수 있다. 또한, 비정질 실리콘 PV 층 혹은 층들은, 진성 실리콘의 층이 p-도핑된 층과 n-도핑된 층 사이에 삽입되어 있는 p-i-n 접합부를 포함할 수 있다.
도 9a 및 도 9b에 나타낸 바와 같이, 많은 PV 장치는 PV 장치(900)의 후면 측뿐만 아니라 해당 장치의 전면 측 혹은 광입사 측 상에 정반사성 혹은 반사성 도체(910), (911)를 이용한다. 전면 혹은 광입사 측 상의 도체는 버스 전극(910) 혹은 격자선 전극(911)을 포함할 수 있다. 광학 에너지가 PV 활성 재료(903)에 의해 흡수될 경우, 전자-정공 쌍들이 발생된다. 이들 전자 및 정공은, 도 9b에 나타낸 바와 같이, 전면 전극(910), (911)의 한쪽 혹은 다른 쪽 또는 후면 전극(905)으로 이동함으로써 전류를 발생할 수 있다. 전면 도체 혹은 전극(910), (911)은 그 거리를 저감시키도록 패턴화되고, 전자 혹은 정공은 전극에 도달하도록 이동하는 한편 충분한 광이 PV 활성층(903)을 통해 통과할 수 있게 할 필요가 있다. 그러나, 이들 전극에 의해 발생된 밝은 반사의 선들은 매력적이지 않은 것으로 여겨질 경우가 있으므로, PV 장치는 가시성 위치에서 이용되지 못할 경우가 있다.
따라서, 이하의 몇몇 실시형태는 전극 패턴이 노출된 PV 활성 영역의 외관과 양호하게 정합하는 어둡게 혹은 흑색으로 보이도록 보기 흉한 전극을 피복하는 방법을 기재하고 있다. 또한, 이하에 기재된 몇몇 실시형태는 주변 구조(예를 들어, 지붕 타일 등)와 보다 잘 배합될 수 있도록 외관이 균일한 광기전력 장치를 제공한다. 이것은 패턴화된 전극을 지니는 PV 장치의 정면의 일부를 어둡게 함으로써, 혹은 광기전력 장치의 전체 전면을 어둡게 함으로써 달성될 수 있다.
전도성 층 혹은 전극으로부터의 반사를 억제하도록 전극을 어둡게 하거나 다른 경우 마스킹하는 하나의 방법은, 전극을 어둡게 하고/하거나 노출된 PV 활성 영역의 컬러 외관과 배합시키도록 조율된 반사를 지니는, 마스크로서 간섭계 변조기(IMOD)를 이용하는 것이다. IMOD 적층부에서, IMOD의 반사체(예컨대, 도 3a 또는 도 3b의 반사체(303))의 기능은 마스킹되어 있는 도체(예컨대, 도 9a 및 도 9b의 전면 버스 전극(901) 혹은 격자선 전극(911))에 의해 제공될 수 있다. IMOD 마스크에 입사하는 광은 전술한 광학 간섭의 원리로 인해 전극의 영역에서 거의 혹은 전혀 가시성 반사되지 않게 된다. 유리하게는, 간섭계측 효과는 흡수체 및 광학 공명 공동부의 두께와 재료(들)에 의해 지배된다. 따라서, 마스킹 효과는 통상의 염료 혹은 도료에 비해서 시간 경과에 따라 쉽게 바래지지 않게 한다.
도 10a 내지 도 10g는 전면 전극 상에 IMOD 마스크를 편입시킨 PV 장치를 제조하기 위한 방법의 일례를 도시하고 있다. 이 예는 PV 활성 재료의 증착된 박막을 이용한다. 일 실시형태에 있어서, 이러한 광기전력 장치는 플라스틱, 유리 혹은 기타 적절한 가공부품 등과 같은 기판(1010) 상에 형성될 수 있다. 도 10a에 나타낸 바와 같이, 이러한 장치를 제조하는 방법은 공지된 방법을 이용해서 후면 전극(1020)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 금속층은 광기전력 장치용의 후면 전극(1020)으로서 역할하도록 증착될 수 있지만, 금속이 아닌 전도성 재료도 이용될 수 있다.
도 10b를 참조하면, 상기 방법은 광기전력 활성 재료(1030)의 형성을 추가로 포함한다. 예시된 실시형태에 있어서, 광기전력(PV) 활성 재료(1030)는 증착된 박막을 포함하지만, 다른 구성에서는, 그 위에 있는 단결정, 반도체 기판 및/또는 에피택셜 층의 일부가 이용된다. 증착된 PV 활성 재료는, 예를 들어, 최근 인기를 얻고 있는 비정질 실리콘 박막을 포함할 수 있다. 박막으로서의 비정질 실리콘은 특히 물리적 기상 증착(PVD), 화학적 기상 증착(CVD), 전기-화학 기상 증착 혹은 플라즈마-증강된 화학적 기상 증착(PECVD)뿐만 아니라 당업자에게 공지된 기타 방법에 의해 대면적에 걸쳐 증착될 수 있다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 비정질 실리콘층을 포함하는 PV 활성 재료는 n-도핑된 및/또는 p-도핑된 실리콘을 지닌 하나 이상의 접합부를 포함할 수 있고 또한 p-i-n 접합부를 포함할 수 있다. PV 활성 재료(1030)의 기타 적절한 재료는 게르마늄(Ge), Ge 합금, 구리 인듐 갈륨 셀렌화물(CIGS), 카드뮴 텔루르 화합물(CdTe) 등의 합금, III-V족 반도체 재료, 또는 탄뎀(tandem) 멀티-접합 광기전력 재료 및 막을 포함한다. III-V족 반도체 재료는 갈륨 비소(GaAs), 질화인듐(InN), 질화갈륨(GaN), 붕소 비화물(BAs) 등의 재료를 포함한다. 인듐 갈륨 질화물과 같은 반도체 합금도 이용될 수 있다. 기타 광기전력 재료 및 소자도 가능하다. 이들 재료를 형성하는 방법은 당업자에게 공지되어 있다. 예시된 예로서, CIGS와 같은 합금이 구리, 갈륨 및 인듐이 공증착되거나 공스퍼터링되고 나서 셀렌화물 증기로 어닐링되어 CIGS 구조체를 형성하는 진공 기반 과정에 의해 형성될 수 있다. 비진공에 기초한 대안적인 과정은 또한 당업자에게 공지되어 있다.
도 10c에서, 투명 전도성 산화물(TCO) 재료(1040)는 PV 활성 재료(1030) 위에 임의선택적으로 증착된다. TCO 층은, PV 활성층(1030)에 대한 전극 접촉을 향상시키기 위하여, 광기전력 재료, 특히 박막 광기전력 재료와 함께 이용될 경우가 있다. 기능적으로 TCO 재료(1040)는 PV 활성 재료(1030)에 의해 발생된 전류를 반송하기 위한 회로를 완성하는 전면 전극의 일부를 형성하지만, 통상 TCO 재료(1040) 위에 놓여 PV 전지를 보다 넓은 회로에 접속시키는 더 많은 전도성 금속 도체가 전면 전극으로 지칭된다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 통상의 TCO는 인듐 주석 산화물(ITO)이다. ITO를 형성하거나 증착시키는 방법은 당업계에 충분히 공지되어 있고, 전자빔 증발 기술, 물리적 기상 증착 기술 혹은 스퍼터링 증착 기술을 포함한다. 기타 TCO 재료 및 제조 방법도 이용될 수 있다. TCO층은 다른 실시형태에서는 생략될 수도 있다.
도 10d에서, TCO 재료(1040)의 증착에 이어, 전면 도체층(1050)이 형성된다. 전면 도체층(1050)은 PV 전지에 의해 생성된 전류를 반송하는 회로 내에 접속하는 금속 혹은 고도로 전도성인 재료를 포함할 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 이러한 도체는 상당히 반사성인 경향이 있어서, PV 장치의 외관을 망쳐 PV 장치의 광범위한 이용을 저해할 수 있다. 전면 도체층(1050)의 전형적인 반사 재료는 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 철(Fe), 은 (Ag) 및 크롬(Cr)을 포함한다.
도 10e에 도시된 바와 같이, 광학 공명 공동부(1060)는 전면 도체(1050) 위에 형성된다. 예시된 실시형태에 있어서, 광학 공명 공동부(1060)는 증착된 투명층이지만, 도 3a 및 도 3b에 관하여 위에서 설명된 바와 같이, 다른 구성에서는 해당 공동부는 기둥부, 지지부 혹은 레일 등과 같은 스페이서에 의해 규정된 공기 간극(도 3b 참조); 단일의 투명한 전도성 혹은 유전체층; 다수의 전도성 혹은 유전체 투명층에 의해 형성된 복합체; 혹은 공기 간극과 하나 이상의 투명 층과의 조합에 의해 형성된 복합체를 포함할 수 있다. 투명 재료의 단일 층의 광학 공명 공동부는 간단히 제조되어 비용을 저감시킬 수 있다. 다수의 층 및/또는 공기 간극을 구비한 복합체는 형성되어 있는 IMOD 마스크에서의 그의 광학적 역할에 부가해서 장치 패시베이션 혹은 스크래치 내성 등과 같은 다수의 기능을 하는 다수의 층을 이용할 수 있다.
공기 간극 혹은 복합체 광학 공명 공동부는, 다수의 색(예컨대, 컬러 모드 및 블랙 마스크 모드 등)을 반사하기 위하여 혹은 활성적으로 조율가능한 IMOD 마스크를 형성하기 위하여 MEMS를 이용하는 능력을 제공하거나 장치 통풍 등과 같은 다수의 기능을 제공할 수도 있다. IMOD 마스크의 반사체(303)가 또한 PV 장치용의 전면 전극으로서 역할하는 예시된 실시형태에서, 반사체(303)는, 예를 들어, PV 장치가 활성이 아닌 경우, 정전 작동을 위하여 정지 전극으로서 이용될 수 있다. 흡수체(301)는 이동식 전극으로서 작용할 수 있다. 당업자라면, PV 장치로부터의 전류 수집 및 정전 MEMS 동작의 이중 기능을 취급하기 위한 내부접속 및 외부 회로가 PV 장치의 활성 IMOD 마스크와 통합되는 것임을 이해할 수 있을 것이다.
일 실시형태의 광학 공명 공동부(1060)는 SiO2 혹은 기타 투명 유전체 재료의 층에 의해 형성된다. SiO2(혹은 유사한 굴절률) 광학 공명 공동부(1060)의 적절한 두께는 간섭계측적 암흑 혹은 흑색 효과를 생성하도록 300Å 내지 1000Å 사이이다. SiO2를 증착 혹은 형성하는 방법은 CVD 및 기타 방법을 비롯하여 당업계에 공지되어 있다. 광학 공명 공동부(1060)를 형성하는 기타 적절한 투명한 재료로는 ITO, Si3N4 및 Cr2O3를 포함한다. 다른 실시형태의 광학 공명 공동부(1060)는 SiO2 혹은 기타 투명 유전체 재료의 공기 간극 층에 의해 형성된다. 공기 간극/광학 공명 공동부(1060)용의 적절한 두께는 간섭계측적 암흑 혹은 흑색 효과를 생성하도록 450Å 내지 1600Å 사이이다.
도 10f를 참조하면, 흡수체층(1070)이 광학 공명 공동부(1060) 위에 형성된다. 예시된 실시형태에 있어서, 구축 중인 IMOD 마스크가 자연적으로 반사성인 전면 도체(1050)의 외관을 간섭계측적으로 어둡게 하도록 설계되어 있는 경우, 흡수체층(1070)은, 예를 들어, 금속성 혹은 반도체층의 반투명 두께를 포함할 수 있다. 흡수체층은 또한 비제로(non-zero) n*k, 즉, 굴절률(n)과 소광 계수(k)의 비제로곱을 지니는 재료를 포함할 수 있다. 특히, 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 티탄(Ti), 규소(Si), 탄탈(Ta) 및 텅스텐(W)은 모두 적절한 층을 형성한다. 일 실시형태에 있어서, 흡수체(1070)의 두께는 20Å 내지 300Å 사이이다.
도 10g를 참조하면, 도 10f에 예시된 적층부는 이어서, 예를 들어, 도 10g에 도시된 바와 같은 PV 장치(1000g)를 형성하도록, 예를 들어, 포토리소그래피 패턴화 및 에칭 혹은 기타 적절한 수법을 이용해서 패턴화된다. 얻어지는 간섭계 변조기(IMOD) 마스크(300)는 반사체(303)(PV 장치용의 전면 도체 혹은 전극으로서도 역할함), 광학 공명 공동부(302)(패턴화 전의 참조 번호 (1060)으로 표시됨) 및 패턴화된 흡수체(301)를 포함한다. 도 10g의 실시형태에서, 반사체(303), 광학 공명 공동부(302) 및 흡수체(301)가 함께 패턴화되고, 따라서 서로 정렬된다. 다른 실시형태에서, IMOD 마스크(300)의 구성요소들은, 이하의 도 12의 설명으로부터 더욱 잘 이해될 수 있는 바와 같이, IMOD 마스크 반사체(303)로서 역할하는 도체의 패턴과는 소정의 방식으로 상이한 패턴을 지닐 수 있다. IMOD 마스크(300)는 이와 같이 해서 전면 전극 혹은 반사체(303)를 피복한다. PV 장치용의 전면 전극으로서 역할하는 반사체(303)와의 IMOD 마스크(300)의 정렬은 정확한 시야각에서 반사체(303)의 측면들로부터 일부의 최소한의 반사의 위험이 있다. 그러나, 흡수체(301)는, 이미 설명한 바와 마찬가지로, 어쨌든 전면 전극으로서 존재하는 반사체(303)보다 PV 활성층에 보다 많은 광이 도달하는 것을 방지하는 방식으로 패턴화된다. 이와 같이 해서, 흡수체(301)는 PV 효율의 더 이상의 어떠한 저감도 회피하는 방식으로 패턴화된다.
흡수체(301) 및 광학 공명 공동부(302)의 재료와 치수는 밑에 있는 반사체(303)로부터의 반사력을 저감시키도록 선택된다. 반사력은 마스크(300)의 상부면에 수직인 방향에서의 [IMOD 마스크(300)의 상부에 대한 입사광의 강도]에 대한 [IMOD 마스크(300)로부터 반사된 광의 강도]의 비로서 정의된다. 반사체(303)용의 통상의 PV 장치 전면 전극 재료는 30% 내지 90% 범위의 반사력을 나타낸다. 그러나, IMOD 마스크(300)는, 전체 반사력을 10% 이하로 간섭계측적으로 저감시키도록 구성된다. 이와 같이 해서, IMOD 마스크(300) 위쪽에서 관찰가능한 반사력은 대부분의 통상의 반사체(303) 재료에 대해서 10% 이하(이 지점에서 반사가 "회색"으로 보임), 더욱 전형적으로는 5% 이하이다. 당업자라면, 여기에 개시된 내용에 비추어, 반사력이 1% 내지 3%와 같이 적게 저감될 수 있고, 따라서, 흡수체(301) 및 광학 공명 공동부(302) 내의 층(들)에 대한 재료 및 치수의 적절한 선택에 의해 "흑색"으로 보이는 것을 이해할 수 있을 것이다.
이와 같이 해서, 관찰자에게는 PV 장치의 전면 도체로부터 반사되는 광이 거의 혹은 전혀 보이지 않게 된다. 그러므로, 전극을 피복하는 IMOD 마스크(300)에 의해 형성된 패턴은 어둡거나 흑색으로 보일 수 있다. 대안적으로, IMOD 마스크(300)의 구조는 전면 도체로부터 인접한 광기전력 활성 재료의 가시 영역의 색과 실질적으로 정합하는 색을 반사하도록 선택된다. 대부분의 PV 장치에 대해서, PV 활성 영역은 상당히 어둡게 보이므로, IMOD 마스크(300)에 의해서 가시성 반사를 저감하는 것은 PV 활성 영역의 외관과 도체를 효율적으로 배합하여 PV 장치의 두 영역을 눈으로 구별하는 것을 어렵게 만든다. 그러나, PV 활성 재료의 가시 영역이 창을 넘어 PV 활성 재료까지 통상적이지 않은 PV 재료 혹은 기타 코팅으로 인해 어둡거나 흑색 이외의 색(들)을 나타내므로, IMOD 마스크(300)는 PV 활성 영역의 가시 영역과 정합하여 PV 장치에 대한 균일한 색 혹은 외관을 형성하기 위하여 다른 색을 반사하도록 구성될 수 있다.
일례에 있어서, 광학 공명 공동부(302)가 기둥부, 지지부 혹은 레일 등과 같은 스페이서에 의해 규정된 공기 간극을 포함할 경우(도 3b 참조), 어둡거나 혹은 흑색의 IMOD 마스크(300)를 형성하기 위한 공기 간극의 적절한 높이는, IMOD 마스크(300)에 대해 선택된 기타 재료에 일부 의존하여, 450Å 내지 1600Å 사이이다. 다른 예에서, 광학 공명 공동부(302)가 1 내지 3의 굴절률을 지닌 유전체(예컨대, SiO2)를 포함할 경우, 어둡거나 혹은 흑색의 IMOD 마스크(300)는 300Å 내지 1000Å의 유전체 두께로 형성될 수 있다.
도 10h를 참조하면, PV 장치(1000H)는, IMOD 마스크의 마스킹 기능을 떨어뜨리는 일없이, 위에 있는 하드 코트, 반사방지 코팅 혹은 패시베이션층 등과 같은 추가의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, IMOD 마스크(300) 위에 놓인 유전체층(1080)은 SiO2 혹은 질화 규소를 포함할 수 있고, 또한 PV 장치에 대한 상부 패시베이션층으로서 역할할 수 있다. 게다가, 유전체층(1080)은 전면 전극 영역의 흑색 상태를 더욱 증강시킬 수 있는 반사방지(AR)층으로서 역할하도록 적절한 두께로 제공될 수 있다. 이산화규소 혹은 질화규소의 AR층에 대한 전형적인 두께는 약 300Å 내지 1500Å이다. 다른 층은 관찰자와 전면 전극 반사체(303) 사이에 위치결정되어 있으므로, 조정은 간섭계 마스크(300)가 소망의 반사력을 생성하는 것을 확실하게 하기 위하여 각종 층의 재료, 광학 특성 및 두께의 선택을 필요로 할 수 있다.
도 11a 내지 도 11d는 전면 전극을 패턴화한 후 IMOD 블랙 마스크가 형성되어 있는 다른 실시형태를 예시하고 있다. 도 11a는 도 10d의 도체층(1050)이 포토리소그래피 및 에칭 등에 의해 패턴화된 후의 도 10d의 PV 장치 구조를 예시하고 있다. 전면 도체층(1050)에 대한 적절한 재료는 도 10d에 관해서 위에서 설명되어 있다. 패턴화는 패턴화된 도체 혹은 전면 전극을 규정하며, 이것은 또한 형성될 IMOD 마스크에 대한 반사체(303)로서 역할할 것이다. 이 구조는, 예를 들어, 패키지 되기 전에 사전 제작된 광기전력(PV) 장치를 나타낼 수 있다. 대안적으로, 다른 실시형태에서는, PV 장치는 패기지될 수 있고, 도 11b 내지 도 11d의 단계들을 행하기 전의 도 11a의 구조 위에, 예를 들어, 패시베이션층(도시 생략)을 포함할 수 있다. 이러한 배열에 있어서, 광학 공명 공동부 및 흡수체의 재료 및 치수의 선택은 패시베이션층의 광학 효과를 고려할 필요가 있다. 다른 방식에서는, 패시베이션층(도시 생략)은 형성 중인 복합 광학 공명 공동부의 일부로 간주될 수 있다.
도 11b는 IMOD 마스크에 대한 광학 공명 공동부 층(1060)을 규정하도록 선택된 블랭킷 층(blanket layer) 혹은 복합 구조체를 형성한 후의 도 11a의 구조를 도시하고 있다. 도 10e의 설명에서 논의된 바와 같이, 광학 공명 공동부 층(1060)은 기둥부, 지지부 혹은 레일 등과 같은 스페이서에 의해 규정된 공기 간극(도 3b 참조); 단일의 투명한 전도성 혹은 유전체층; 다수의 전도성 혹은 유전체 투명층에 의해 형성된 복합체; 혹은 공기 간극과 하나 이상의 투명 층과의 조합에 의해 형성된 복합체일 수 있다.
도 11c는 흡수체층(1070)의 증착 후의 도 11b의 구조를 예시하고 있다. 반투명 흡수체층(1070)에 대한 적절한 재료와 두께는 도 10f와 관련해서 위에서 설명되어 있다.
도 11d는 패턴화된 흡수체(301)를 남기도록 흡수체층(1070)을 패턴화한 후의 도 11c의 구조를 예시하고 있다. 예시된 실시형태에 있어서, 광학 공명 공동부 층(1060)은 블랭킷 혹은 미패턴화 층으로서 남아 있다. 그러므로, 광학 공명 공동부 층(1060)은 PV 전지 위에 블랭킷되어 있다. 흡수체(301)는 포토리소그래피 마스킹 및 에칭 등에 의해 패턴화되고 이어서 도체/전극(303)을 피복한다.
도 11d의 얻어지는 구조는 PV 장치의 전면 도체 혹은 전면 전극으로서도 역할하는 패턴화된 반사체(303), 블랭킷 광학 공명 공동부 층(1060) 및 패턴화된 흡수체(301)를 비롯한, 간섭계 혹은 IMOD 마스크(300)를 포함하는 PV 장치(1100)이다. 위에서 설명된 바와 같이 단일 층 혹은 복합 구조체를 나타낼 수 있는 블랭킷 광학 공명 공동부 층(1060)은, 또한 PV 활성층(1030) 혹은 임의선택적인 중재 TCO 층(1040)에 대한 패시베이션 혹은 반사방지 등과 같은, PV 활성층(1030)이 보이거나 노출되는 영역에 대해서 다른 기능도 할 수 있다. 패턴화된 반사체(303)와 흡수체(301) 사이에 놓여 있는 광학 공명 공동부 층(1060)의 영역은 IMOD 마스크(300)용의 광학 공명 공동부(302)를 형성한다. 예시된 실시형태에 있어서, 흡수체(301)는 패턴화되고 이어서 반사체(303)와 정렬된다.
도 12는, 도 11c와 관련해서 설명된 바와 같이 PV 장치의 층들 위에 놓여 있는 광학 공명 공동부 층(1060) 및 흡수체층(1070)이 함께 패턴화되어 반사체(303)를 피복함으로써 도 12에 도시된 바와 같은 PV 장치(1200)로 되는 본 발명의 다른 실시형태를 도시하고 있다. 이 실시형태에서, 흡수체(301)와 광학 공명 공동부(302)는, 다소 전극(303)을 초과하여 연장됨으로써 전극을 피복하도록, 모두 패턴화되어 있다. 이러한 실시형태에서, 패턴화된 흡수체(301)는 각 측면에서 전극의 폭의 10% 이하까지, 일 실시형태에서는 전극 폭의 5% 이하까지 전극의 가장자를 넘어 횡방향으로 연장될 수 있었다. 보다 넓은 흡수체(301)는 전면 도체/반사체(303)로부터의 반사를 마스킹하도록 피복하는 것을 더욱 확실하게 하며, 또한 반사체(303) 패턴과 흡수체(301) 패턴 간의 적절한 수준의 마스크 부정합을 수용한다. 한편, 흡수체(30)가 간섭계측적으로 마스킹되고 있는 반사체(303)보다 넓은 정도를 최소화함으로써, PV 활성층(1030)에 도달하는 광량, 따라서, 전체 PV 장치 효율을 높게 유지할 수 있다.
예시되지 않은 다른 실시형태에 있어서, 흡수체층과 광학 공명 공동부 구조는 PV 장치 모두에 대해서 연장될 수 있고, 그 경우, 흡수체층은 PV 활성층에 도달하는 광의 저감을 최소화하기 위하여 매우 얇을(거의 투과성일) 필요가 있다. 이와 같이 해서, 투과를 최대화하기 위하여 블랭킷 흡수체층을 얇게 할 경우 어두운 혹은 "흑색" 효과의 정도는 다소 희생된다. 그 경우, 전면 전극 영역 내의 IMOD의 것과 반사된 색을 더욱 잘 정합시키기 위하여 PV 활성층에 대해서 비교적 높은 투과율로 추가의 반투명한 반사체를 이용하는 것이 바람직할 수도 있다.
도 10h에 대해서 설명한 바와 같이, 도 11d 및 도 12의 간섭계 마스크(300)는 해당 실시형태의 표면에 대해서 형성되거나 증착된 추가의 층(들)에 의해서 보호되거나 패시베이션될 수도 있다.
도 13a 내지 도 13e는 PV 장치의 층들이 투명 기판 위에 형성되고 해당 투명 기판을 통해서 광이 PV 활성 영역 속으로 투과되는 본 발명의 다른 실시형태를 제조하는 방법을 도시하고 있다. 도 13a는 유리, 플라스틱, 또는 유용한 광학 특성을 지닌 기타 적절한 기판 등과 같은 적절한 광학적으로 투명한 기판(1310)에서 시작한다. 흡수체층(1320)은 광 입사 혹은 전면 측과는 반대쪽인, 기판의 후면 측 상에 형성되거나 증착된다. 그러므로, 도 13a 내지 도 13e에서, 광은 아래쪽으로부터 입사된다. 반투명한 흡수체층(1320)에 대한 적절한 재료와 두께는 도 10f의 흡수체층(1070)과 관련해서 위에서 설명되어 있다.
도 13b는 흡수체층(1320) 위에 광학 공명 공동부 층(1330)을 형성하거나 증착시킨 후의 도 13a의 구조를 예시하고 있다. 도 10e의 설명에서 논의된 바와 같이, 광학 공명 공동부 층(1330)은 기둥부, 지지부 혹은 레일 등과 같은 스페이서에 의해 규정된 공기 간극(도 3b 참조); 단일의 투명한 전도성 혹은 유전체층; 다수의 전도성 혹은 유전체 투명층에 의해 형성된 복합체; 혹은 공기 간극과 하나 이상의 투명 층과의 조합에 의해 형성된 복합체일 수 있다.
도 13c는 광학 공명 공동부 층(1330) 위에 도체층(1340)의 추가의 형성 혹은 증착을 예시하고 있다. 도체층(1340)용의 적절한 재료는 도 10d의 도체층(1050)과 관련하여 위에서 설명되어 있다.
도 13d를 참조하면, 층(1320), (1330), (1340)의 패턴화 혹은 에칭은 반사체(303) 패턴과 실질적으로 유사하거나 해당 패턴을 피복하는 IMOD 마스크(300) 패턴을 형성한다. 상기 층 적층부를 패턴화하는 것은 패턴화된 도체 혹은 전면 전극을 규정하고, 또한 이것은 IMOD 마스크(300)용의 반사체(303)로서도 역할한다. 반사체(303)는, 기판의 후면 측 상에 형성되더라도, 이제까지 형성되어 있는 PV 활성층에 대해서 전방 쪽(광 입사 측에 보다 가까이)에 여전히 있어, 반사체(303)가 PV 장치용의 "전면 도체"를 규정한다고 말할 수 있다.
도 13e는 간섭계 마스크(300)의 광 입사 측 뒤에 혹은 반대쪽에 박막 광기전력(PV) 활성층(1350)을 증착시키고 나서, 후면 도체층(1360)을 증착시킨 결과를 예시하고 있다. 박막 PV 활성층의 적절한 재료는 도 10b와 관련해서 위에서 설명되어 있고, 일반적으로 PV 활성 재료로는 비정질 실리콘 등과 같은 다수의 종류의 감광성 반도체 재료를 들 수 있다. 도시되어 있지는 않지만, ITO 등의 투명한 도체층(TCO)은 전면 도체(303)와 전기 접촉, 따라서 PV 장치(1300E)의 수집 효율을 향상시키기 위하여 PV 활성층(1350)을 증착시키기 전에 증착될 수 있다. 이면 도체층(1360)은 금속 전도성 층을 포함할 수 있고, 전형적으로 불투명한 두께로 형성된다.
도 13a 내지 도 13e의 실시형태에 있어서, PV 장치용의 간섭계 마스크(300)는 PV 활성 재료(1350)를 형성 혹은 증착시키기 전에 광학 기판 상에 형성된다. 이 실시형태에서, 광기전력 장치와 간섭계 마스크(300)는 기판의 광 입사 혹은 전면 측과는 반대쪽에 있는 광학 기판 쪽 상에 형성된다. 따라서, 층 형성의 수순은 도 10a 내지 도 10g의 것과는 반대일 수 있다. 추가의 층(도시 생략)은 PV 활성층(1350)과 기판(1310) 사이에 TCO를, 또한 기판(1310)의 전면 측 상에 반사방지 코팅이나 하드 코트를 포함할 수 있다.
도 13f는 본 발명의 다른 실시형태를 예시하고 있다. 도 13f는 광학 공명 공동부 층(1370)의 형성 전에 패턴화되어, 패턴화된 흡수체(301)를 남기고 있는 흡수체층(1320)을 도시하고 있다. 이어서, 광학 공명 공동부 층(1370)은 패턴화된 흡수체(301) 위에 증착되거나 형성된다. 도 10e의 설명에서 논의된 바와 같이, 광학 공명 공동부 층(1370)은 기둥부, 지지부 혹은 레일 등과 같은 스페이서에 의해 규정된 공기 간극(도 3b 참조); 단일의 투명한 전도성 혹은 유전체층; 다수의 전도성 혹은 유전체 투명층에 의해 형성된 복합체; 혹은 공기 간극과 하나 이상의 투명 층과의 조합에 의해 형성된 복합체일 수 있다. 광학 공명 공동부 층(1370) 위에는 도체 재료의 층이 증착된다. 도체층은 이어서 패턴화되어, IMOD 마스크(300)용의 패턴화된 반사체(303)로서도 역할하는, PV 장치(1300F)의 전면 전극을 형성하는 한편, PV 전지 위에 미패턴화된 광학 공명 공동부 층(1370)을 남긴다. 계속해서, IMOD 마스크(300)(전면 전극을 포함함) 위에 PV 활성층(1350)이 형성되고, PV 활성층(1350) 위에 후면 전극(1360)이 형성된다.
도 13f에 도시된 바와 같이, 기판을 통해 광이 투과되는 실시형태에 있어서 블랭킷 광학 공명 공동부 층(1370)을 이용하는 것은 수개의 이점을 지닐 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 투명 전도성 산화물(TCO)은 전극과 광기전력 재료 간의 접촉을 향상시키는 데 종종 이용된다. 도 13f의 실시형태에서, 광학 공명 공동부 구조는 반사체(303)에 의해 형성된 전면 전극과 접촉하여 TCO 층에 의해 형성되거나 포함될 수 있다.
도 13g는 간섭계 마스크(300)가 투명 기판(1310)의 광 입사 혹은 전면 측 상에 형성되는 한편, 전면 전극(1390)과 광기전력(PV) 활성층(1350)이 광 입사 혹은 전면 측과 반대쪽인 기판(1310)의 후면 측 상에 있는 다른 실시형태를 예시하고 있다. 이러한 실시형태에서, 반사성 전면 전극(1390)과 흡수체(301) 사이에 있는 기판(1310)의 두께로 인해, 전면 측 IMOD 마스크(300)는 기판(1310)의 다른 쪽 상에 있는 반사성 전면 전극(1390)을 피복하도록 패턴화된, 기판(1310)의 전면 측 상에 별도의 반사체(303)를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, PV 장치(1300G)는 투명 기판(1310)의 후면 측 위에 순차로 형성된 패턴화된 전면 전극(1390), TCO 층(1380), PV 활성층(1350) 및 후면 전극(1360)을 포함하는, 기판(1310)의 후면 측 상에 통상의 구조를 지닐 수 있다. 기판(1310)의 전면 측은 광-투과성 기판(1310)의 전면 측 상에 순차로 형성된 별도의 반사체(303), 광학 공명 공동부(302) 및 흡수체(301)의 IMOD 마스크(300) 적층부를 포함한다. 예시된 실시형태에 의하면, 이 IMOD 적층부는 전면 도체(1390) 패턴을 피복하도록 패턴화되는 것이 바람직하다. 이것은 그 자체의 반사체(303) 및 흡수체(301)를 지니기 때문에, IMOD 마스크는 PV 활성층(1350)으로부터 전기적으로 분리되고, 따라서, 개별적으로 상호접속되어 정전식 MEMS IMOD를 형성할 수 있다. 이러한 실시형태에서, IMOD 마스크(300)는 도 3c 및 도 3d에 예시된 바와 같이, 개폐될 수 있다. 이 경우, 광학 공명 공동부(302)는 공기 간극(도 3c에서 (340))을 포함할 수 있고, 이 공기 간극을 통해서 이동식 전극(도 3c 및 도 3d에서의 (303))이 이동할 수 있다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 이러한 실시형태에서, 이동식 전극/반사체를 고정 전극/흡수체로부터 이간시키기 위한 지지 기둥부뿐만 아니라 유전체층 및 기타 층들이 기판(1310)의 앞쪽에 형성되어 기판(1310)의 광입사 측 상에 이동식 IMOD 마스크(300)를 구현할 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 광기전력 재료가 이러한 단결정 기판 위에 형성된 단결정 반도체 기판 및/또는 에피택셜층(들)의 일부인 PV 장치(1400A)와 IMOD 마스크를 통합한 일 실시형태를 예시하고 있다. 도 14a는 후면 전극(1410), p-형 실리콘층(1420), n-형 실리콘층(1430), 전면 도체 혹은 전극(1440) 및 반사방지 코팅(1450)을 포함하는 광기전력(PV) 장치(1400B)를 도시하고 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 전면 전극(1440)(예컨대, PV 어레이용의 버스선 혹은 격자선일 수 있음)이 마스킹되거나, 이들로부터의 반사가 저감되거나 최소화되는 것이 바람직하다. 따라서, 간섭계 마스크(300)는 도 14b에 도시된 바와 같이 전극의 광 입사 혹은 전면 측 상에 형성될 수 있다. 이것은 유사한 재료를 이용해서 상기 설명된 것과 유사한 방식으로 달성될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 이 방법은 도 14b에서와 마찬가지로, 이미 패턴화된 도체(303)를 지닌 활성 영역을 포함하는 실리콘 기판 혹은 단결정 실리콘 재료에서 시작될 수 있고, 그 위에 IMOD 마스크(300)가 형성된다. 다른 실시형태에 있어서, 이 방법은 전면 도체 혹은 전극 패턴이 없는 활성 영역을 포함하는 실리콘 기판 혹은 단결정 실리콘 재료에서 시작될 수 있고, 그 위에 전면 도체가 도 10a 내지 도 10g 및 도 11a 내지 도 11d와 관련하여 위에서 설명된 것들과 마찬가지 수법을 이용해서 광학 공명 공동부(302) 및 흡수체(301)와 함께 반사체(303)로서 형성된다. 앞에서 설명된 바와 같이, 흡수체(301)와 광학 공명 공동부(302), 혹은 흡수체 단독은, 도 14b에 도시된 바와 같이 반사체(303)를 피복하도록 전면 전극/반사체(303)와 실질적으로 정렬되도록 패턴화될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 흡수체(301)와 광학 공명 공동부(302), 또는 흡수체 단독은, 전면 전극/반사체(303)의 패턴을 따르지만 반사체(303)보다 큰 표면적을 피복하도록 패턴화될 수 있다. 도 11d 및 도 13f에서처럼, 광학 공명 공동부층은 PV 전지 위에 미패턴화 혹은 블랭킷된 채로 남아 있을 수 있는 한편, 전면 전극/반사체(303) 및 흡수체(301)는 패턴화되어 있다. 또 다른 실시형태에서, 흡수체(301), 광학 공명 공동부(302) 및/또는 전면 전극/반사체(303)는 스크린 인쇄될 수 있고, 이 경우 형성과 패턴화는 동시에 수행될 수 있다. 전면 전극/반사체, 광학 공명 공동부 및 흡수체를 형성하는 층들은 소정의 그룹으로 함께 혹은 개별적으로 스크린 인쇄될 수 있다. 또한, 일부의 층(들)은 리소그래피 및 에칭에 의해 패턴화될 수 있는 한편, 다른 층(들)은 스크린 인쇄될 수 있다.
상기 실시형태들은 PV 장치의 전면 전극을 간섭계측적으로 마스킹하는 데 이용될 수 있는 광범위한 구조를 지닌 IMOD 마스크 구성을 교시하고 있다. 예를 들어, 위에서 논의된 박막 및 결정성 실리콘 PV 전지와 투과성 기판에 부가해서, 간섭계 혹은 IMOD 마스크가 박막 간섭계측적으로 증강된 광기전력 전지 혹은 장치의 전면 전극으로부터의 반사를 마스킹하는 데 이용될 수 있다.
도 15는 적절한 기판(1510) 상에 형성된 간섭계측적으로 증강된 전지의 전면 도체 혹은 전극으로서 역할할 수 있는 반사체(303)로부터의 반사를 간섭계 마스크(300)가 마스킹하는 PV 장치(1500)의 일 실시형태를 도시하고 있다. 예시된 실시형태에 있어서, 도체(303)는 TCO 층(1550)을 통해 활성층(1540)과 전기 접촉한다. 다른 실시형태에 있어서, 도체(303)는 활성층(1540)과 직접 전기 접촉하거나, 또는 도시하지 않은 기타 층 및 재료를 통해서 전기 접속한다. 간섭계측적으로 조율된 광기전력 전지의 소정의 실시형태는 PV 활성층(1540)의 뒤쪽에, 혹은 그의 광입사 측과는 반대쪽에 배치된 광학 공명 공동부(1530) 및 반사체(152)를 포함한다. PV 활성층은 비정질 실리콘, CIGS 혹은 기타 박막 반도체 광기전력 재료 등과 같은 박막 광기전력 재료를 포함할 수 있다. 반사체(1520) 및 광학 공명 공동부(1530)의 광학 특성(치수 및 재료 특성)은 층형상 PV 장치(1500)의 계면으로부터의 반사가 가간섭적으로 총합되어 광기전력 전지(광 에너지가 전기 에너지로 변환됨)의 PV 활성층(1540) 내의 증가된 필드를 생성하도록 선택된다. 이러한 간섭계측적으로 증강된 광기전력 장치는 간섭계 광기전력 전지의 활성 영역 내에서 광 에너지의 흡수를 증가시키고, 이에 따라, 상기 장치의 효율을 증가시킨다. 이 실시형태에 대한 변형예에서, 다수의 광학 공명 공동부는 상이한 파장의 광을 개별적으로 조율해서 PV 활성층(들)에서의 흡수를 최대화하도록 이용될 수 있다. 매립된 광학 공명 공동부들 및/또는 층들은 투명 전도성 재료, 유전체 재료, 공기 간극 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명의 수개의 실시형태를 개시하고 있지만, 본 개시 내용은 단지 예시적인 것일 뿐 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니라는 것을 이해할 필요가 있다. 개시된 구체적인 형태 및 동작은 전술한 것들과 상이할 수 있고 또한 본 명세서에 설명된 방법은 반도체 소자의 제작 이외의 다른 맥락에도 이용될 수 있다는 것을 인식할 필요가 있다.
300: 간섭계 변조기(IMOD) 마스크 301: 흡수체
302: 광학 공명 공동부 303: 반사체
1000g: PV 장치 1010: 기판
1020: 후면 전극 1030: 광기전력 활성 재료
1040: 투명 전도성 산화물(TCO) 재료(혹은 층)
1050: 전면 도체층
302: 광학 공명 공동부 303: 반사체
1000g: PV 장치 1010: 기판
1020: 후면 전극 1030: 광기전력 활성 재료
1040: 투명 전도성 산화물(TCO) 재료(혹은 층)
1050: 전면 도체층
Claims (22)
- 정적 간섭계 변조기(static interferometric modulator)를 형성하는 박막들의 적층부(stack)를 포함하되,
상기 적층부는
반사성 도체;
흡수체; 및
상기 반사성 도체와 상기 흡수체 사이에 있는 광학 공명 공동부(optical resonant cavity)를 포함하며, 상기 광학 공명 공동부는 투명 전도성 재료를 포함하는 것인 장치. - 제1항에 있어서, 상기 투명 전도성 재료는 인듐 주석 산화물을 포함하는 것인 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 반사성 도체는 전류를 운반하기 위한 전도성 배선을 형성하도록 패턴화된 것인 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 장치는 광기전력 활성층을 포함하고, 상기 전도성 배선은 상기 광기전력 활성층의 전면 측(front side) 상에 전극을 형성하는 것인 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 흡수체는 상기 전도성 배선의 상기 전면 측 상에 배열되는 것인 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 전극은 복수의 광기전력 전지를 어레이 형태로(in an array) 접속하는 버스 전극을 포함하는 것인 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 전극은 격자선 전극(gridline electrode)으로서 역할하는 것인 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 정적 간섭계 변조기는 상기 정적 간섭계 변조기의 상기 전면 측으로부터 반사된 광의 색이 상기 반사성 도체에 인접한 영역에서 가시적인 광기전력 활성층의 색과 실질적으로 정합하도록 구성된 것인 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 흡수체는 상기 반사성 도체를 따라 해당 반사성 도체를 피복하도록 패턴화된 것인 장치.
- 제9항에 있어서, 상기 흡수체는 상기 반사성 도체의 폭과 동일 공간에 걸쳐 있는 폭을 지니도록 패턴화된 것인 장치.
- 제9항에 있어서, 상기 광학 공명 공동부는 상기 반사성 도체를 따라 해당 반사성 도체를 피복하도록 패턴화된 것인 장치.
- 제11항에 있어서, 상기 광학 공명 공동부와 흡수체는 각각 상기 전도성 배선보다 넓게 되도록 패턴화된 것인 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 정적 간섭계 변조기는, 해당 정적 간섭계 변조기의 전면 측으로부터 거의 혹은 전혀 입사 가시광이 반사되지 않고 또한 상기 정적 간섭계 변조기가 표준 시야각(normal viewing angle)으로부터 흑색으로 보이도록 구성된 것인 장치.
- 제13항에 있어서, 상기 정적 간섭계 변조기는 해당 정적 간섭계 변조기의 반사력(reflectivity)이 10% 이하로 되도록 구성된 것인 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 흡수체는 반투명한 두께의 금속성 혹은 반도체 층을 포함하는 것인 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 흡수체는 크롬, 몰리브덴, 티탄, 규소, 탄탈 및 텅스텐 중 적어도 하나를 포함하는 것인 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 흡수체는 기판 상에 형성되고, 상기 광학 공명 공동부는 상기 흡수체 상에 형성되며, 상기 반사성 도체는 상기 광학 공명 공동부 상에 형성되는 것인 장치.
- 장치를 제조하는 방법으로서, 해당 방법은,
기판 상에 흡수체를 증착시키는(depositing) 단계;
상기 흡수체 위에 광학 공명 공동부를 형성하는 단계;
상기 광학 공명 공동부 위에 반사성 도체를 증착시키는 단계; 및
상기 반사성 도체를 패턴화하는 단계를 포함하되,
상기 광학 공명 공동부는 투명 전도성 재료를 포함하는 것인, 장치의 제조방법. - 제18항에 있어서, 상기 투명 전도성 재료는 인듐 주석 산화물을 포함하는 것인, 장치의 제조방법.
- 제18항에 있어서, 상기 광학 공명 공동부 및 상기 흡수체를 패턴화하는 단계를 추가로 포함하는, 장치의 제조방법.
- 제20항에 있어서, 상기 광학 공명 공동부 및 상기 흡수체는 상기 반사성 도체의 패턴을 따르도록 패턴화되는 것인, 장치의 제조방법.
- 제21항에 있어서, 상기 반사성 도체를 패턴화하는 단계는, 리소그라피 마스크를 이용해서 상기 반사성 도체를 규정하는 단계를 포함하고, 상기 광학 공명 공동부와 흡수체는 상기 반사성 도체와 함께 패턴화되는 것인, 장치의 제조방법.
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