KR101249808B1 - Device and method for manufacturing high-purity polycrystalline silicon for solar cell - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치 및 방법은, 측면 히터가 측면 상부히터와 측면 하부히터로 분할된 상태에서, 도가니는 고정시키고 응고면의 변화에 따라 히터를 포함된 챔버를 이송시키면서 일방향성 응고 공정을 수행할 수 있도록 구성됨으로써, 보다 효율적인 열전달 및 정련이 가능해져 고품질의 결정성 다결정 실리콘 잉곳을 제작할 수 있는 효과를 갖는다.High purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus and method for solar cells according to the present invention, while the side heater is divided into the upper side heater and the lower side heater, the crucible is fixed and moving the chamber containing the heater in accordance with the change of the solidification surface By being configured to perform the directional solidification process, more efficient heat transfer and refining are possible, and thus the effect of producing a high quality crystalline polycrystalline silicon ingot can be obtained.
Description
본 발명은 태양전지 등에 사용되는 다결정 실리콘 제작 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for producing polycrystalline silicon for use in solar cells and the like.
태양전지 시장은 2003년 이후 최소 35% 이상의 연간 성장률을 나타내며 급성장하여 2007년 시장규모는 2,392MW에 도달하였으며, 결정질 실리콘 태양전지는 89.6%의 시장 점유율을 나타내고 있는 실정이다.(Photon International, 2008)The solar cell market has grown at least 35% annually since 2003, and has grown rapidly in 2007, reaching 2,392MW. The market for crystalline silicon solar cells is 89.6% (Photon International, 2008).
2008년 대한민국 신재생 에너지원별 발전단가를 추산하면 바이오매스(69원), 조력(77원), 연료전지(168원), 풍력(170원), 태양광(570원) 순으로 다른 신재생 에너지원과 비교하여 그리드 패리티에 도달하기 어려운 위치에 있어, 그리드 패리티를 낮추려면 획기적인 방법이 필요하다.Estimated power generation costs by renewable energy sources in Korea in 2008: biomass (69 won), tidal power (77 won), fuel cell (168 won), wind power (170 won), solar power (570 won) Where grid parity is hard to reach compared to circles, lowering grid parity requires a breakthrough approach.
태양 전지를 보다 경쟁력 있는 에너지원으로 발전시키기 위해서는 태양 전지의 고효율화 및 저가화가 달성되어야 하며, 그 중에서도 전체 태양전지 가격의 70% 정도를 차지하는 고순도 실리콘 기판을 보다 저렴하게 제조할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.In order to develop solar cells into more competitive energy sources, high efficiency and low cost of solar cells should be achieved, and among them, the development of technology to manufacture high-purity silicon substrates, which account for about 70% of the total solar cell prices, at a lower cost. It is becoming.
태양전지용 다결정 실리콘 잉곳 제조 장치는 대한민국 등록특허 10-0852686호에 개시된 바와 같이, 챔버 내부에 실리콘 장입을 위한 소정 형상의 도가니와 도가니 내의 실리콘 원소재를 용융시키기 위해 열을 가하는 히터 및 일방향성 응고를 유도하기 위한 열 교환기 등으로 구성된다.Polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus for solar cells, as disclosed in the Republic of Korea Patent No. 10-0852686, the crucible of a predetermined shape for the silicon charging in the chamber and a heater and one-way solidification to apply heat to melt the silicon raw material in the crucible And a heat exchanger for induction.
그러나, 종래 기술의 태양전지용 다결정 실리콘 잉곳 제조 장치는, 측면 히터가 일체형으로 구성된 상태에서 응고 공정을 수행하기 때문에 응고면의 변화에 따른 영역별 온도 조절이 불가능하고, 이에 따라 응고부 쪽의 불순물을 상측으로 보다 원활하게 이동시키지 못하여, 결과적으로 경제적이면서 고품질의 다결정 실리콘 잉곳을 제작하기 어려운 문제점이 있다.However, in the prior art polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus for solar cells, since the solidification process is performed in a state in which the side heaters are integrally formed, it is impossible to control the temperature of each region according to the change of the solidification surface, thereby removing impurities on the solidification side. It does not move more smoothly to the upper side, as a result, there is a problem that it is difficult to produce a high-quality polycrystalline silicon ingot economical.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 경제적이면서도 고품질의 다결정 실리콘 잉곳을 보다 효율적으로 제조할 수 있는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치 및 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a high-purity polycrystalline silicon fabrication apparatus and method for solar cells that can more efficiently produce high-quality polycrystalline silicon ingots.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치는, 중공 구조를 갖고 외부와의 단열을 위해 단열재가 구비된 챔버와; 상기 챔버 내에서 실리콘 재료가 담겨진 도가니가 위치되는 받침대와; 상기 챔버 내에서 도가니 상부에 위치되어 도가니 쪽에 열을 제공하는 상부 히터와; 상기 챔버 내에서 도가니 둘레에 위치되어 도가니 쪽에 열을 제공하되, 상하로 분할된 구조를 갖는 측면 상부히터 및 측면 하부히터와; 상기 받침대 쪽에 구비되어 상기 도가니 하부 쪽을 냉각시키는 열교환기와; 상기 받침대에 도가니의 위치를 고정한 상태에서, 도가니 내의 응고부와 용융부의 경계면인 응고면의 위치에 따라 상기 챔버와 함께 챔버 내에 구비된 측면 상부히터 및 측면 하부히터를 상하 이동시키는 이송 기구를 포함한 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a high purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus for a solar cell, comprising: a chamber having a hollow structure and provided with a heat insulator for heat insulation from the outside; A pedestal in which the crucible containing the silicon material is located in the chamber; An upper heater positioned above the crucible in the chamber to provide heat to the crucible; A side upper heater and a side lower heater positioned around the crucible in the chamber to provide heat to the crucible and having a vertically divided structure; A heat exchanger provided at the pedestal side to cool the lower side of the crucible; In the state in which the crucible is fixed to the pedestal, including a transfer mechanism for moving the upper and lower side and upper side heaters provided in the chamber along with the chamber according to the position of the solidification surface which is the interface between the solidification portion and the melting portion in the crucible It features.
상기 이송 기구는 이송 제어부와, 이 이송 제어부의 제어 신호에 따라 상기 챔버 및 그 안에 설치된 상부 히터, 측면 상부히터, 측면 하부히터를 상하 이동시키는 이송 구동부를 포함하고, 상기 이송 제어부는, 상기 측면 상부히터 하단부가 도가니의 응고면과 동일 높이에 위치되도록 이송 구동부를 제어하는 것이 바람직하다.The transfer mechanism includes a transfer control unit and a transfer drive unit for vertically moving the chamber and the upper heater, the side upper heater, and the side lower heater installed therein according to the control signal of the transfer control unit. It is preferable to control the transfer drive so that the heater lower end is located at the same height as the solidification surface of the crucible.
상기 챔버의 하부에는 플랜지 모양의 확장된 구조를 갖는 이송 지지부가 구비되고, 상기 이송 구동부는 상기 이송 지지부와 바닥 사이에 구비되어 상기 챔버를 상하 이동시키도록 구성되는 것이 바람직하다.The lower portion of the chamber is preferably provided with a conveying support having a flange-like extended structure, the conveying drive is provided between the conveying support and the bottom is configured to move the chamber up and down.
상기 챔버의 하부와 챔버가 위치된 바닥 구조물 사이에는 챔버 내부를 밀폐시킬 수 있도록 밀폐 구조물이 설치되는 것이 바람직하다.It is preferable that a sealing structure is installed between the lower part of the chamber and the bottom structure in which the chamber is located to seal the inside of the chamber.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치는, 도가니가 위치될 수 있도록 공간부를 갖는 챔버와; 상기 챔버 내에 구비되어 도가니가 올려지는 받침대와; 상기 챔버 내의 도가니 둘레에 위치되고, 도가니 내의 실리콘 재료 응고면을 중심으로 상하로 분리되게 위치됨과 아울러 응고면을 따라 상하 이동 가능하게 이루어진 측면 상부히터 및 측면 하부히터와; 상기 측면 상부히터 및 측면 하부히터를 상하 이동시키는 이송 기구와; 상기 도가니의 하부쪽을 냉각시키는 열교환기와; 상기 측면 상부히터 및 측면 하부히터를 서로 상이한 온도로 제어하는 제어부를 포함한 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a device for fabricating high purity polycrystalline silicon for a solar cell, comprising: a chamber having a space so that a crucible can be positioned; A pedestal provided in the chamber and on which the crucible is placed; A side upper heater and a side lower heater positioned around the crucible in the chamber and positioned to be separated up and down about the solidification surface of the silicon material in the crucible and capable of vertically moving along the solidification surface; A transfer mechanism for vertically moving the side upper heater and the side lower heater; A heat exchanger for cooling the lower side of the crucible; It characterized in that it comprises a control unit for controlling the side upper heater and the side lower heater to different temperatures.
상기 측면 상부히터 및 측면 하부히터는 챔버 내에서 상하 이동 가능하게 이루어지고, 상기 이송 기구는 상기 챔버 내에서 상기 측면 상부히터 및 측면 하부히터를 지지하는 히터 지지체를 상하 이동시키도록 구성되는 것이 바람직하다.The side upper heater and the side lower heater is made to be movable up and down in the chamber, the transfer mechanism is preferably configured to move up and down the heater support for supporting the side upper heater and the side lower heater in the chamber. .
상기 열교환기는, 응고 속도 조절이 가능하도록 상기 도가니 하부 쪽으로부터 위치 조절이 가능하거나, 열 방출량을 변화시킬 수 있도록 구성될 수 있다.The heat exchanger may be configured to adjust the position from the lower side of the crucible to change the solidification rate or to change the amount of heat released.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 방법은, 상기 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치를 이용한 것으로서, 챔버 내의 받침대 위에 실리콘 재료가 담겨진 도가니를 투입하는 제1단계와; 제1단계 후에, 청구항 1에 기재된 상부 히터 및 측면 상부히터를 작동시켜 도가니 내의 실리콘 재료를 용융시키는 제2단계와; 제2단계 후에, 도가니 내의 실리콘 재료의 융융이 완료되면, 도가니 하부 쪽에 열교환기를 이용하여 도가니 내의 용융 실리콘을 하부로부터 응고시키는 제3단계와; 제3단계를 진행함에 따라 도가니 바닥으로부터 점차 상측으로 응고가 진행될 때 액상과 고상의 경계면인 응고면을 중심으로 상기 측면 상부히터는 용융부 쪽에 위치되고, 측면 하부히터는 응고부 쪽에 위치되도록 측면 상부히터와 측면 하부히터를 점차 상승시키는 제4단계를 포함한 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a high purity polycrystalline silicon for a solar cell, comprising: a first step of introducing a crucible containing a silicon material onto a pedestal in a chamber, using the apparatus for fabricating a high purity polycrystalline silicon for a solar cell; After the first step, a second step of melting the silicon material in the crucible by operating the upper heater and the side upper heater according to
상부 히터 및 측면 상부히터의 온도는 실리콘 용융 온도보다 높은 온도로 제어하고, 상기 측면 하부히터의 온도는 실리콘의 용융 온도보다 낮은 온도로 제어하는 것이 바람직하다.The temperature of the upper heater and the side upper heater is controlled to a temperature higher than the silicon melting temperature, the temperature of the side lower heater is preferably controlled to a temperature lower than the melting temperature of the silicon.
상기 제2단계 내지 제4단계는, 챔버 내부에 투입한 불활성 기체 분위기 또는 진공 분위기 하에서 진행하는 것이 바람직하다.Preferably, the second to fourth steps are performed under an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere introduced into the chamber.
상기 제4단계에서, 상기 측면 상부히터의 하단부 경계면이 도가니 내의 응고면과 동일한 높이가 되도록 제어하는 것이 바람직하다.In the fourth step, it is preferable to control so that the lower boundary surface of the upper side heater is the same height as the solidification surface in the crucible.
상기 제4단계에서, 상기 측면 하부히터의 온도는 실리콘 응고부에 발생되는 열응력에 의한 결함을 방지하고 실리콘 응고부의 재결정 유도하기 위해 실리콘의 용융 온도보다 낮은 온도로 제어하는 것이 바람직하다.In the fourth step, the temperature of the lower side heater is preferably controlled to a temperature lower than the melting temperature of the silicon in order to prevent defects due to thermal stress generated in the silicon solidification portion and to induce recrystallization of the silicon solidification portion.
상기 제3단계 및 제4단계에서, 도가니 내의 용융 실리콘 응고 속도는 상기 열교환기의 열 방출량을 제어하는 방식으로 조절하는 것이 바람직하다.
In the third and fourth steps, the molten silicon solidification rate in the crucible is preferably adjusted in a manner to control the amount of heat released from the heat exchanger.
상기한 바와 같은 본 발명의 주요한 과제 해결 수단들은, 아래에서 설명될 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용', 또는 첨부된 '도면' 등의 예시를 통해 보다 구체적이고 명확하게 설명될 것이며, 이때 상기한 바와 같은 주요한 과제 해결 수단 외에도, 본 발명에 따른 다양한 과제 해결 수단들이 추가로 제시되어 설명될 것이다.
The main problem solving means of the present invention as described above, will be described in more detail and clearly through examples such as 'details for the implementation of the invention', or the accompanying 'drawings' to be described below, wherein In addition to the main problem solving means as described above, various problem solving means according to the present invention will be further presented and described.
본 발명에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치 및 방법은, 측면 히터가 측면 상부히터와 측면 하부히터로 분할된 상태에서, 도가니는 고정시키고 히터를 포함된 챔버를 이송시키면서 일방향성 응고 수행이 가능하기 때문에 보다 효율적인 열전달 및 정련이 가능해지고, 공정 속도 향상으로 생산성을 높일 수 있고, 이에 따라 공정원가를 절감할 수 있게 되어 경제성 있는 실리콘 잉곳 제작이 가능해지는 효과가 있다.High purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus and method for solar cells according to the present invention, while the side heater is divided into the upper side heater and the lower side heater, the crucible is fixed and the one-way solidification can be carried out while transporting the chamber containing the heater As a result, more efficient heat transfer and refining are possible, productivity can be increased by improving process speed, and thus, process cost can be reduced, thereby making economical silicon ingots possible.
즉, 본 발명은, 도가니 위치는 고정된 상태에서 도가니 주변의 히터를 이동시키면서 응고 공정을 수행하기 때문에 도가니의 진동 및 흔들림이 없게 되어 용탕 상부로의 불순물 이동 방해 요인이 제거되고, 이에 따라 불순물이 응고부에서 용융부 쪽으로 원활하게 확산되어 고품질의 다결정 실리콘 잉곳의 제작이 가능해지는 효과가 있는 것이다.That is, in the present invention, since the coagulation process is performed while moving the heaters around the crucible while the crucible position is fixed, there is no vibration and shaking of the crucible, and the impediment of impurity movement to the upper part of the molten metal is eliminated. It is smoothly diffused from the solidification part to the melting part has the effect of enabling the production of high-quality polycrystalline silicon ingot.
또한, 본 발명은, 응고 과정에서 응고부와 용융부 쪽을 서로 다른 온도로 제어되는 측면 상부히터와 측면 하부히터를 위치시키고, 응고면의 높이에 따라 이동시키면서 일방향 응고를 통한 정련 공정을 진행하기 때문에 응고시에 발생되는 열응력 등에 의한 응고부의 결함 방지 및 재결정 유도 등을 통해서 고품질의 결정성 다결정 실리콘 잉곳을 제작할 수 있는 효과가 있다.
In addition, the present invention, in the solidification process to position the upper side and the lower side of the heater to be controlled to different temperatures at the solidification portion and the melting side, proceeding the refining process through one-way solidification while moving according to the height of the solidification surface Therefore, it is possible to produce high quality crystalline polycrystalline silicon ingot through defect prevention and recrystallization of the solidification part due to thermal stress generated during solidification.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치가 도시된 단면 구성도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치의 작동 과정을 보여주는 도면들이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치가 도시된 단면 구성도이다.1 is a cross-sectional view showing a high purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus for a solar cell according to an embodiment of the present invention.
2a to 2d are views showing the operation of the high-purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus for solar cells according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a cross-sectional view showing a high purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus for a solar cell according to another embodiment of the present invention.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치에 대하여 설명한다.Referring to Figure 1, a high purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus for a solar cell according to an embodiment of the present invention will be described.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치는, 단열 구조를 갖는 챔버(10), 이 챔버(10) 내에 도가니(1)가 위치되는 받침대(20), 챔버(10) 내에서 도가니(1) 주위에 배치되는 히터들(30)로 구성된다.High purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus for solar cells according to an embodiment of the present invention, the
그리고, 상기 받침대(20) 쪽에는 도가니(1) 냉각을 위한 열교환기(40)가 구비되고, 상기 챔버(10) 및 히터들(30)이 도가니(1)를 중심으로 상하로 상대 이동시키는 이송 기구(50)가 구비된다.
In addition, a
이와 같은 본 발명의 주요 구성 부분을 상세하게 설명하면 다음과 같다.The main components of the present invention as described in detail as follows.
먼저, 챔버(10)는 내부에서 고순도 다결정 실리콘 잉곳을 제작할 수 있도록 중공 구조로 구성되고, Ar 등의 불활성 기체 분위기 또는 진공 분위기를 형성할 수 있도록 밀폐형 구조를 갖도록 이루어진다.First, the
챔버(10)는 도면에 예시된 바와 같이 하부가 개방된 원통형 또는 사각통형 등의 캡(Cap) 구조로 구성될 수 있다.The
챔버(10)의 내부에는 외부와의 단열을 위해 단열 구조물(15)이 구비된다.The interior of the
단열 구조물(15)은 챔버(10)의 천정면과 내측 둘레면에 모두 설치되는 것이 바람직하다.
챔버(10)의 하부는 챔버를 상하 이동시키는 이송 기구(50)가 구성될 수 있도록 플랜지 모양으로 확장된 구조를 갖는 이송 지지부(12)가 구성된다.The lower portion of the
이송 지지부(12)는 아래에서 설명할 이송 구동부(51)의 상측에 위치된 상태에서 챔버(10) 및 단열 구조물(15)을 지지할 수 있는 구조이면 다양하게 변형하여 구성할 수 있다.The
이송 지지부(12)와 아래에서 설명할 바닥판(14) 사이에는 상기 챔버(10) 등이 상하 이동될 때 챔버(10) 내부를 밀폐시키기 위한 밀폐 구조물(17)이 설치된다.A
밀폐 구조물(17)은 기본적으로 챔버(10)가 상하로 이동함에 따라 확장 또는 수축되면서 챔버(10)의 내부 공간을 밀폐시킬 수 있도록 구성되는데, 일례로 상하 방향으로 확장 수축되는 금속 벨로우즈, 다단 삽입식 구조의 확장수축 통체 등을 이용하여 구성할 수 있다. 물론, 각 구성 부품 사이에는 밀봉을 위한 실링 부재가 설치되어 구성되는 것이 바람직하다.The
한편, 본 발명의 장치가 설치된 바닥면에는 도 1에 예시된 바와 같이 바닥판(14)이 설치되는 것이 바람직하다.On the other hand, it is preferable that the
다음, 받침대(20)는 바닥판(14) 상부에서 챔버(10)의 내측으로 수직으로 세워지게 설치된다.Next, the
이러한 받침대(20)는 바닥판(14)에 고정된 상태로 설치되어 도가니(1)를 안정적으로 지지할 수 있도록 구성된다.The
참고로, 도가니(1)는 실리콘 잉곳을 제조하기 위해 실리콘이 담겨지는 용기로서, 널리 공지된 구성이므로 자세한 설명은 생략한다. For reference, the
도면에 예시하지는 않았지만, 챔버(10) 내에 도가니(1)를 투입하고 배출할 수 있도록 도어가 설치된다. 도어는 챔버(10), 단열 구조물(15), 히터(30)의 일부가 함께 개방될 수 있는 구조로 구성되고, 챔버(10) 내부를 밀폐시킬 수 있는 부재가 함께 설치되어 구성되는 것이 바람직하다.Although not illustrated in the drawings, a door is installed to allow the
다음, 히터들(30)은 상부 히터(31), 측면 상부히터(33), 측면 하부히터(35)로 이루어져, 상기 챔버(10)의 내부에 고정되어 설치된다. 즉, 상기 히터들(30)은 챔버(10)의 내측에 고정 수단 등을 통해 지지되게 설치되어 챔버(10)와 함께 상하로 이동할 수 있도록 구성된다.Next, the
또한, 히터들(30)은 챔버(10) 외부에 구비된 전원 제공부와 연결되고, 아래에서 설명할 제어부 등의 제어 신호에 따라 함께 또는 개별적으로 작동하여 고효율의 정련을 유도할 수 있도록 구성된다.In addition, the
상부 히터(31)는 대략 판형 구조로 형성되어 도가니(1) 상부 쪽에 위치된 상태에서 도가니(1) 쪽에 열을 제공하도록 구성된다.The
측면 상부히터(33) 및 그 하측에 위치된 측면 하부히터(35)는 도가니(1) 둘레에 통형 구조로 위치되어 도가니(1) 쪽에 열을 제공하도록 구성되는데, 이 두 히터(33)(35)는 하나의 측면 히터가 상하로 분할됨으로써 각각을 구성하는 방식으로 이루어진다.The
측면 상부히터(33)는 상부 히터(31)와 함께 도가니(1) 내부에 담겨진 실리콘 재료를 용융시키는 기능을 하고, 측면 하부히터(35)는 응고된 재료를 융용 온도 이하에서 가열하는 기능을 담당한다.The
여기서, 측면 상부히터(33)는 실리콘 재료 용융을 위해 상하 전체 길이가 도가니(1)의 길이와 동일하거나 더 (상하로) 길게 구성되는 것이 바람직하다. Here, the side
측면 하부히터(35)는 온도 제어를 통해 용융 실리콘 응고시에 발생되는 열응력 등에 의한 응고부(S)의 결함 방지, 재결정 유도를 통해 고품질의 다결정 실리콘 잉곳제작이 가능하도록 하는 기능을 한다. 이에 대해서는 아래에서 구체적으로 설명한다.The
다음, 열교환기(40)는 상기 받침대(20) 쪽에 구비되어 도가니(1) 밑면에서부터 상부로의 순차적인 일방향성 응고를 유도하기 위해 도가니(1) 하부 쪽을 냉각시킬 수 있도록 설치된다.Next, a
열교환기(40)는 도가니(1) 하부 쪽을 냉각시킬 수 있는 구조이면, 공지의 여러 냉각 시스템을 이용하여 구성할 수 있다. 즉, 도가니(1) 하부 쪽에 냉각 온도를 제공하는 냉각 라인을 구성하고, 이 냉각 라인에 냉각 유체가 통과하도록 구성하는 방법을 비롯하여, 냉각 플레이트(41) 등을 도가니(1) 하부 쪽에 밀착시키는 방식 등으로 구성할 수 있다.If the
도면에서는 열교환기(40)가 도가니(1) 하부 쪽에 밀착되는 냉각 플레이트(41)로 이루어져, 도가니(1)의 밑면을 냉각시키도록 구성된 실시예를 예시하고 있다. 이러한 냉각 플레이트(41)는 도 2b 등에 예시된 바와 같이 지지 구조물이 상하 이동이 가능하도록 구성되고, 그 내측에는 냉각을 위한 통로 또는 열전도 부재 등이 구비되어 구성된다.The drawing illustrates an embodiment in which the
냉각 플레이트(41)는 도가니 하부 쪽으로부터 높이 조절 즉, 위치 조절이 가능하도록 구성되어 열방출량을 제어함으로써 도가니 내의 응고 속도 조절이 가능하도록 구성되는 것이 바람직하다.The cooling
다음, 이송 기구(50)는, 받침대(20) 상부에 도가니(1)의 위치를 고정한 상태에서, 상기 챔버(10)를 비롯하여 이 챔버(10) 내에 구비된 히터들(30)을 상하로 이동시키도록 구성된다.Next, the
이러한 이송 기구(50)는 이송 제어부(미도시)와, 이 이송 제어부의 제어 신호에 따라 상기 챔버(10) 및 상부 히터(31), 측면 상부히터(33), 측면 하부히터(35)를 상하 구동시키는 이송 구동부(51)로 구성된다.The
이송 제어부는 상기 측면 상부히터(33) 하단부(33a)가 도가니(1) 내의 응고 영역(S)과 용융 영역(L)의 경계면인 응고면(B)과 동일 높이에 위치되도록 이송 구동부(51)를 제어할 수 있게 구성되는 것이 바람직하다.The
이는, 일방향 응고를 통한 정련 공정시 응고부(S)에서 용융부(L)로 불순물이 확산되는 것을 방해하지 않기 위해, 히터들(30)을 포함한 챔버(10)의 이송을 통해 응고가 이루어지며, 경계면인 응고면(B)은 측면 상부히터(31)의 하단부(33a)로 제어한다. The solidification is performed through the transfer of the
물론, 응고면(B)을 측면 상부히터(33)의 하단부(33a)로 제어하는 것에 한정되지 않고, 측면 상부히터(33)의 하단부와 측면 하부히터(35)의 상단부 사이 영역 또는 측면 하부히터(35)의 상단부 등으로 그 위치를 실리콘 물성, 두 히터(33)(35)의 온도제어 조건 등에 따라 적절하게 변경하여 제어하는 것도 가능하다.Of course, it is not limited to controlling the coagulation surface (B) to the
한편, 응고 공정 과정에서 측면 상부히터(31)의 하단부(33a) 등이 응고면(B) 높이와 일치하도록 이송 기구(50)를 작동하여 챔버(10) 및 히터들(30)을 상승시키는 것이 바람직하고, 이때 응고면(B)은 두 히터(33)(35)의 가열 온도, 실리콘의 물성 등 여러 가지 응고 변수에 따라 적절하여 확보된 데이터에 근거하여 설정되는 것이 바람직하다.On the other hand, in the solidification process, the
이송 구동부(51)는 상기 이송 지지부(12)와 설치 바닥면 사이에 구비되어 상기 챔버(10)를 상하 이동시키도록 구성되는 것이 바람직하다.The
이러한 이송 구동부(51)는 상하 높이 조절이 가능한 다양한 구동 기구를 이용하여 구성할 수 있는데, 예들 들면 리니어 모터, 챔버를 승강시키는 로봇식 리프트기구, 모터를 이용한 볼 스크류, 유압 실린더 등을 이용하여 구성할 수 있다.The
도면에서는 이송 구동부(51)가 볼 스크류로 구성된 것을 예시하고 있다.The drawing illustrates that the
한편, 이송 제어부를 비롯하여 상기 히터들(30)은 본 발명의 장치를 제어하는 제어부(미도시)의 신호에 따라 제어되게 구성된다.
Meanwhile, the
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치를 이용한 본 발명에 따른 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 방법을 설명한다.It describes a high purity polycrystalline silicon manufacturing method for solar cells according to the present invention using the high purity polycrystalline silicon production apparatus for solar cells according to the present invention configured as described above.
먼저, 도 2a를 참조하면, 도어(미도시)를 열고, 챔버(10) 내의 받침대(20) 위에 실리콘 재료가 담겨진 도가니(1)를 투입하고, 도어를 닫고 챔버(10)를 밀폐시킨다.First, referring to FIG. 2A, a door (not shown) is opened, a
다음, 상부 히터(31) 및 측면 상부히터(33)를 작동시켜 도가니(1) 내의 실리콘 재료를 용융시킨다. 이때 상부 히터(31) 및 측면 상부히터(33)의 온도는 실리콘 용융 온도보다 높은 온도, 예를 들면 1450℃ ~ 1600℃로 설정되어 제어되는 것이 바람직하다.Next, the
이러한 실리콘 재료 용융 공정은 챔버(10) 내부에 Ar 등을 투입한 불활성 기체 분위기 또는 진공 분위기 상태에서 진행하는 것이 바람직하다. 챔버(10)에 불활성 기체 투입 및 배출하는 구조 및 방법, 그리고 진공을 형성하고 파기하는 구조 및 방법은 널리 공지되어 있으므로 구체적인 도면 예시 및 설명은 생략한다.The silicon material melting process is preferably performed in an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere in which Ar or the like is introduced into the
다음, 도 2b를 참조하면, 상기 과정을 거쳐 도가니(1) 내의 실리콘 재료의 융융(이하 '용융 실리콘'이라고도 함)이 완료되면, 도가니(1) 하부 쪽에 열교환기(40)를 이용하여 도가니(1) 내의 용융 실리콘을 하부로부터 응고시킨다. 본 실시예에서는 도가니(1) 하부에 냉각 플레이트(41)를 상승 밀착시킨 상태에서 도가니(1) 내의 용융 실리콘을 냉각시키는 것이다.Next, referring to FIG. 2B, when melting of the silicon material in the crucible 1 (hereinafter referred to as 'melted silicon') is completed through the above process, the crucible (using the
이때, 도 2c 및 도 2d를 참조하면, 도가니(1) 내부의 용융 실리콘은 도가니(1) 바닥으로부터 점차 상측으로 응고가 진행되는데, 측면 상부히터(33) 하단부(33a)가 응고면(액상과 고상의 경계면)(B)을 따라 점차 높아지도록 이송 기구(50)를 작동하여 챔버(10) 및 히터들(30)을 동시에 상측으로 이동시켜 일방향성 응고를 진행한다.2C and 2D, the molten silicon inside the
응고면(B)을 측면 상부히터(33)의 하단부(33a) 경계면으로 제어함으로써 일방향 응고를 통한 정련 공정시 고상과 액상 공존 영역의 제어가 용이하고, 이에 따라 고상 액상의 온도 구배 조절이 용이해져서, 불순물의 액상으로의 확산이 용이하여 정련능을 향상시킬 수 있게 된다.By controlling the solidification surface (B) to the interface of the lower end (33a) of the side
이와 함께, 도가니(1) 내의 실리콘 응고부(S)에 발생되는 열응력에 의한 결함을 방지하고 실리콘 응고부(S)의 재결정을 유도하기 위해 측면 하부히터(35)의 온도를 적절하게 제어한다. 측면 하부히터(35)의 온도는 실리콘의 용융 온도보다 낮은 온도인 1200℃ ~ 1400℃로 제어하는 것이 바람직하다.In addition, the temperature of the
그리고 도가니 내의 응고 속도는 상기와 같은 히터들(30)의 가열 온도에 대한 열교환기(40)의 열 방출량을 제어하는 방식으로 조절할 수 있다. 즉, 도면에서와 같이 높이 조절이 가능한 냉각 플레이트(41)로 구성될 경우에 도가니(1) 밑면으로부터 냉각 플레이트(41)의 위치를 조절함으로써 열 방출량을 변화시켜 응고 속도를 조절할 수 있는 것이다. 또한 위치 조절 방식이 아닌 열교환기의 냉각 유체의 유량, 열용량 등을 조절하는 방식으로 제어하는 것도 가능하다.And the solidification rate in the crucible can be adjusted in a manner to control the heat release amount of the
상기와 같은 도가니(1) 내의 실리콘 응고 공정 역시 실리콘 용융 공정과 같이 챔버(10) 내부가 Ar 등의 불활성 기체 분위기 또는 진공 분위기 상태에서 진행하는 것이 바람직하다.
As described above, the silicon solidification process in the
한편, 상기과정에서, 상부 히터(31), 측면 상부히터(33), 측면 하부히터(35)를 개별적으로 제어하여 고효율의 정련을 유도하는 것이 바람직하다.On the other hand, in the above process, it is preferable to induce high-efficiency refining by individually controlling the
특히, 측면 하부히터(35)의 온도 제어를 통해 실리콘 응고부(S)에서의 열응력에 의한 내부 결함 방지 및 재결정을 유도하여 보다 고품질의 결정성 다결정 실리콘 잉곳을 제공할 수 있다.
In particular, through the temperature control of the
도 3은 본 발명의 다른 실시예의 구성을 보여주는 도면이다.3 is a view showing the configuration of another embodiment of the present invention.
앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에서는 이송 기구(50)에 의해 챔버(10) 및 히터(30)가 함께 상하 이동하는 구성으로 이루어지나, 도 3에 예시된 본 발명의 다른 실시예에서는 히터들(30)만 챔버(10') 내에서 상하 이동할 수 있도록 구성된다.In the above-described embodiment of the present invention, the
즉, 챔버(10')는 내부 공간을 구성토록 고정되게 구성되고, 그 내부에 위치된 히터들(30)이 히터 지지체(37)에 고정되게 설치되어 히터 이송 기구(50')에 의해 히터들(30)이 동시에 상하 이동할 수 있도록 구성되는 것이다.That is, the chamber 10 'is configured to be fixed to constitute an internal space, and
이와 같은 본 발명의 다른 실시예에서는 도가니(1) 내의 실리콘 응고 공정을 진행할 때, 챔버(10')는 이송하지 않고, 히터 이송 기구(50')를 이용하여 히터 지지체(37)를 통해 히터들(30)을 상측을 이동시키면서 진행하게 된다.In another embodiment of the present invention as described above, when the silicon solidification process in the
이러한 본 발명의 다른 실시예는, 히터 이송 구조를 제외한 다른 부분의 구성 및 제조 방법은 앞서 설명한 일 실시예의 구성과 동일 또는 유사하게 구성될 수 있으므로, 도면에 동일한 도면 부호를 부여하고 반복 설명은 생략한다.
In another embodiment of the present invention, since the configuration and manufacturing method of the other parts except the heater transport structure may be configured the same or similar to the configuration of the above-described embodiment, the same reference numerals are given to the drawings and repeated descriptions are omitted. do.
상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, the technical ideas described in the embodiments of the present invention can be performed independently of each other, and can be implemented in combination with each other. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications, and variations will be apparent to those skilled in the art. It is possible. Accordingly, the technical scope of the present invention should be determined by the appended claims.
Claims (13)
상기 챔버 내에서 실리콘 재료가 담겨진 도가니가 위치되는 받침대와;
상기 챔버 내에서 도가니 상부에 위치되어 도가니 쪽에 열을 제공하는 상부 히터와;
상기 챔버 내에서 도가니 둘레에 위치되어 도가니 쪽에 열을 제공하되, 상하로 분할된 구조를 갖는 측면 상부히터 및 측면 하부히터와;
상기 받침대 쪽에 구비되어 상기 도가니 하부 쪽을 냉각시키는 열교환기와;
상기 받침대에 도가니의 위치를 고정한 상태에서, 도가니 내의 응고부와 용융부의 경계면인 응고면과 상기 측면 상부히터의 하단부가 동일 높이에 위치되도록, 상기 측면 상부히터 및 상기 측면 하부히터를 상하 이동시키는 이송 기구를 포함한 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치.
A chamber having a hollow structure and provided with a heat insulator for heat insulation from the outside;
A pedestal in which the crucible containing the silicon material is located in the chamber;
An upper heater positioned above the crucible in the chamber to provide heat to the crucible;
A side upper heater and a side lower heater positioned around the crucible in the chamber to provide heat to the crucible and having a vertically divided structure;
A heat exchanger provided at the pedestal side to cool the lower side of the crucible;
In a state in which the crucible is fixed to the pedestal, the upper and lower side heaters are moved up and down so that the solidification surface, which is an interface between the solidification portion and the melting portion in the crucible, and the lower end portion of the side upper heater are positioned at the same height. A high purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus for solar cells, comprising a mechanism.
상기 이송 기구는 이송 제어부와, 이 이송 제어부의 제어 신호에 따라 상기 챔버 및 그 안에 설치된 상부 히터, 측면 상부히터, 측면 하부히터를 상하 이동시키는 이송 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치.
The method according to claim 1,
The transfer mechanism includes a transfer control unit and a transfer drive unit for vertically moving the chamber and the upper heater, the side upper heater, and the side lower heater installed therein according to the control signal of the transfer control unit. Production device.
상기 챔버의 하부에는 플랜지 모양의 확장된 구조를 갖는 이송 지지부가 구비되고,
상기 이송 구동부는 상기 이송 지지부와 바닥 사이에 구비되어 상기 챔버를 상하 이동시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치.
The method of claim 2,
The lower portion of the chamber is provided with a conveying support having a flange-shaped expanded structure,
The transfer driving unit is provided between the transfer support and the bottom is configured to move the chamber up and down, high purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus for a solar cell.
상기 챔버의 하부와 챔버가 위치된 바닥 구조물 사이에는 챔버 내부를 밀폐시킬 수 있도록 밀폐 구조물이 설치된 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치.
The method according to claim 1,
High purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus for a solar cell, characterized in that the sealing structure is installed between the lower portion of the chamber and the bottom structure in which the chamber is located to seal the inside of the chamber.
상기 챔버 내에 구비되어 도가니가 올려지는 받침대와;
상기 챔버 내의 도가니 둘레에 위치되고, 도가니 내의 실리콘 재료 응고면을 중심으로 상하로 분리되게 위치됨과 아울러 응고면을 따라 상하 이동 가능하게 이루어진 측면 상부히터 및 측면 하부히터와;
상기 측면 상부히터 및 측면 하부히터를 상하 이동시키는 이송 기구와;
상기 도가니의 하부쪽을 냉각시키는 열교환기와;
상기 측면 상부히터의 온도를 실리콘 재료의 용융온도 이상의 온도로 제어하고, 상기 측면 하부히터의 온도를 실리콘 재료의 용융온도에 비하여 낮은 온도로 제어하는 제어부를 포함한 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치.
A chamber having a space so that the crucible can be positioned;
A pedestal provided in the chamber and on which the crucible is placed;
A side upper heater and a side lower heater positioned around the crucible in the chamber and positioned to be separated up and down about the solidification surface of the silicon material in the crucible and capable of vertically moving along the solidification surface;
A transfer mechanism for vertically moving the side upper heater and the side lower heater;
A heat exchanger for cooling the lower side of the crucible;
Manufacturing a high-purity polycrystalline silicon for solar cell, characterized in that it comprises a control unit for controlling the temperature of the upper side heater to a temperature higher than the melting temperature of the silicon material, and the temperature of the lower side heater to a lower temperature than the melting temperature of the silicon material Device.
상기 측면 상부히터 및 측면 하부히터는 챔버 내에서 상하 이동 가능하게 이루어지고,
상기 이송 기구는 상기 챔버 내에서 상기 측면 상부히터 및 측면 하부히터를 지지하는 히터 지지체를 상하 이동시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치.
The method of claim 5,
The upper side heater and the lower side heater is made to move up and down in the chamber,
The transfer mechanism is a high purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus for a solar cell, characterized in that configured to move up and down the heater support for supporting the side upper heater and the lower side heater in the chamber.
상기 열교환기는, 응고 속도 조절이 가능하도록 상기 도가니 하부 쪽으로부터 위치 조절이 가능하거나, 열 방출량을 변화시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치.
The method according to claim 1 or 5,
The heat exchanger is a high-purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus for a solar cell, characterized in that the position can be adjusted from the lower side of the crucible so as to adjust the solidification rate, or to change the amount of heat released.
챔버 내의 받침대 위에 실리콘 재료가 담겨진 도가니를 투입하는 제1단계와;
제1단계 후에, 청구항 1에 기재된 상부 히터 및 측면 상부히터를 작동시켜 도가니 내의 실리콘 재료를 용융시키는 제2단계와;
제2단계 후에, 도가니 내의 실리콘 재료의 융융이 완료되면, 도가니 하부 쪽에 열교환기를 이용하여 도가니 내의 용융 실리콘을 하부로부터 응고시키는 제3단계와;
제3단계를 진행함에 따라 도가니 바닥으로부터 점차 상측으로 응고가 진행될 때 액상과 고상의 경계면인 응고면을 중심으로 상기 측면 상부히터는 용융부 쪽에 위치되고, 측면 하부히터는 응고부 쪽에 위치되도록 측면 상부히터와 측면 하부히터를 점차 상승시키는 제4단계를 포함한 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 방법.
As using the high purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus for solar cells of any one of Claims 1-6,
A first step of putting a crucible containing silicon material on a pedestal in the chamber;
After the first step, a second step of melting the silicon material in the crucible by operating the upper heater and the side upper heater according to claim 1;
After the second step, when melting of the silicon material in the crucible is completed, a third step of solidifying molten silicon in the crucible from below using a heat exchanger on the lower side of the crucible;
As the third step proceeds, when the solidification proceeds gradually upward from the bottom of the crucible, the upper side heater is positioned at the melting side and the lower side heater is positioned at the solidification side, centering on the solidifying surface, which is a boundary between the liquid and solid phases. A method for fabricating high purity polycrystalline silicon for solar cells, comprising a fourth step of gradually raising the heater and the lower side heater.
상기 제2단계 내지 제4단계는, 챔버 내부에 투입한 불활성 기체 분위기 또는 진공 분위기 하에서 진행하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 방법.
The method of claim 8,
The second step to the fourth step, a high-purity polycrystalline silicon manufacturing method for a solar cell, characterized in that proceeds in an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere introduced into the chamber.
상기 제3단계 및 제4단계에서, 도가니 내의 용융 실리콘 응고 속도는 상기 열교환기의 열 방출량을 제어하는 방식으로 조절하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 방법.The method of claim 8,
In the third and fourth step, the molten silicon solidification rate in the crucible is adjusted in a manner to control the heat release amount of the heat exchanger, characterized in that the high purity polycrystalline silicon manufacturing method for solar cells.
Priority Applications (1)
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