KR101505939B1 - 태양 전지를 제조하기 위한 게르마늄 강화 실리콘 재료 - Google Patents

태양 전지를 제조하기 위한 게르마늄 강화 실리콘 재료 Download PDF

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Abstract

다양한 등급의 실리콘 원료를 사용해서 실리콘 잉곳 및 실리콘 결정을 형성하기 위한 기술을 제공한다. 공통의 특징은 결정질 실리콘 물질의 실리콘 격자에 게르마늄을 포함시키기 위해 소정량의 게르마늄을 용융물에 첨가하고 결정화를 수행하는 것이다. 이러한 포함된 게르마늄에 의해, 실리콘 재료의 특성이 개선된다. 즉, 재료의 강도가 증가한다. 이에 의하면, 태양 전지를 제조하는 과정 및 이러한 태양 전지로부터 모듈을 제조하는 과정에서 이러한 물질을 사용하는 데 있어서 긍정적인 효과를 갖는다. 범위(50~200ppmw)의 게르마늄 농도를 갖는 실리콘 재료는 강도가 증가하며, 최적의 실용적인 범위는 생성되는 재료 퀄리티에 좌우된다.

Description

태양 전지를 제조하기 위한 게르마늄 강화 실리콘 재료{GERMANIUM-ENRICHED SILICON MATERIAL FOR MAKING SOLAR CELLS}
본 발명은, 예를 들어 저급(lower-grade)의 실리콘을 사용해서 실리콘 등의 반도체 재료(semiconductor material)를 제조하는 데에 사용하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 더 구체적으로 말하면, 본 발명은 다양한 등급을 가지며 게르마늄이 강화된 원료 물질(feedstock material)을 사용해서, 강도와 유연성을 높이는 등의 특성을 향상시킨 실리콘 결정(crystal) 또는 실리콘 잉곳(ingot)을 형성하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
광기전(photovoltaic: 간단히 "PV"라고 함) 산업은 급격히 성장하고 있으며, 이에 의해 집적회로(integrated circuit: 간단히 "IC"라고 함)와 같은 전형적인 용도 이상으로 소비되는 실리콘의 양이 증가하고 있다. 오늘날, 태양 전지(solar cell) 산업에서 필요로 하는 실리콘 수요와 IC 산업에서 필요로 하는 실리콘 수요가 부분적으로 경합하고 있다. 현재의 제조 기술에 의하면, IC 산업과 PV 산업에서는 모두 미가공 실리콘 개시 물질(raw silicon starting material)로서 정제 및 정화된 실리콘 원료(silicon feedstock)를 필요로 한다.
현재, 태양 전지의 벌크에 대한 재료의 대체가능한 선택 범위는 IC 산업에서 필요로 하는 전자급(electronic-grade: EG)의 실리콘 원료와 같은 고순도의 미가공 실리콘에 기초한 단결정 실리콘 웨이퍼(mono-crystalline silicon)부터, 소위 태양 전지 급(solar-grade: SOG) 실리콘 원료 또는 퀄리티가 낮은 개량형 금속급(upgraded metallurgical-grade: 이하 간단히 "UMG"라고 함) 실리콘 원료 등과 같이 미가공 실리콘만큼 고순도는 아닌 다결정(multi-crystalline: mc) 실리콘 웨이퍼까지 미친다.
PV 산업에 사용되는 UMG 실리콘 등의 저급 원료는 통상적으로 다결정 실리콘의 잉곳(ingot)과 웨이퍼로 가공되는데, 최종적인 태양 전지 관련 퀄리티는 통상적으로 결정 입계(grain boundary), 다른 구조적인 결함, 및 전이 금속과 같은 비교적 높은 농도의 불순물에 의해 조절된다. 웨이퍼 벌크에서의 탄소 관련 결함 및 산소 관련 결함은 태양 전지의 특성을 열화시킬 수 있는데, 특히 금속과 관련해서 열화될 수 있다. 몇 가지 종류의 일반적인 결함은 전기적인 결함 가능성을 감소시키기 위해 수소(hydrogen)로 패시베이션 처리해도 된다.
태양 전지 산업에 사용되는 EG 실리콘 등의 고급(higher-grade) 원료는 통상적으로 단결정으로 가공되고, 계속해서 단결정 구조를 가진 웨이퍼로 가공되는데, 최종적인 태양전기 관련 퀄리티는 앞서 설명한 다결정 실리콘의 경우와 마찬가지로 불순물에 의해 조절된다. 실리콘의 단결정(이하, 간단히 "결정"이라고 함)에 대한 정착된 성장 기술이 두 가지 있다. 그중 대표적인 것이 초크랄스키(Czochralski: 이하 "CZ"라고 함) 공법으로서, 석영 도가니(quartz crucible)에 있는 실리콘 용융물(silicon melt)로부터 CZ 결정을 추출한다. 고급 원료 실리콘에 대한 중간 매체를 CZ 실리콘 용융물을 생성하기 위해 사용한다. 더 복잡한 대체 방안으로는 플로팅 존(Floating Zone: FZ) 공법이 있는데, 고급 원료 실리콘의 소위 서플라이 로드(supply rod)를 사용해서 좁은 영역의 용융 존(melt zone)을 부유(floating)시킴으로써 FZ 결정이 성장된다. 소정량의 요소를 FZ 결정으로 얻기 위한 한가지 방법은 용융 존을 생성하기 전에 서플라이 로드에 "필 도핑"(pill doping)하는 것이다. 통상적으로, FZ 실리콘 결정은 CZ 결정보다 불순물을 덜 함유하는데, 그 주된 이유는 도가니를 필요로 하지 않기 때문이다.
어느 경우나, 실리콘은 실내 온도에서 부서지기가 쉽기 때문에, 일반적으로 태양 전지로부터 모듈을 제조하는 과정을 포함해서 웨이퍼 및 태양 전지 가공 및 처리 과정에서 웨이퍼 파손의 문제가 생길 수 있다. 따라서, PV 산업에서는, 전기적 특성 외에, 실리콘 웨이퍼 및 관련 태양 전지의 기계적인 강도가 중요한 퀄리티 요인이 된다. 이것은 단결정 재료인 경우에 적용되지만, 다결정 잉곳 재료에도 동일하게 적용된다.
웨이퍼 파손은 크랙(crack)이 형성되어 전파됨으로써 시작한다. 크랙은, 예를 들어 표면상의, 특히 모서리와 코너 부분에서 취급에 의해 생기는(handling-induced) 국부적인 손상으로부터 발생할 수 있다. 이러한 상황을 피하기 위해, 최신의 태양 전지 제조 기술에서는 웨이퍼 및 태양 전지의 취급 및 처리를 신중하게 행한다. 벌크 실리콘의 고유의 재료 강도는 벌크 격자 결함(bulk lattice defect)의 함수가 된다. 중요한 관심 사항은 외압이 감소된 부위에서 내부적으로 크랙 형성 및 전파를 생기게 하는 국부적인 격자 인장 변형률(tensile lattice strain)을 만드는 결함이다.
양호한 잉곳 수율을 가지며, 특히 태양 전지의 퀄리티과 관련된 기계적 및 전기적 특성을 향상시킨, UMG에 기초한 다결정 실리콘 재료를 생성하는 단순한 처리 공정이 필요하다. 이러한 처리 공정은, 예를 들어 CZ 공법이나 FZ 공법을 사용해서, 단결정 실리콘 재료를 생성하기 위해 부분적으로 또는 전적으로 사용되는 높은 등급(즉, 고급)의 UMG에 기초하지 않은 원료 실리콘으로의 전이가 용이하여야 한다.
궁극적으로 태양 전지를 제조하는 데에 유용한 실리콘의 결정화를 위한 기술을 제공한다. 본 발명은 전기적 및 기계적 재료 특성을 향상시킨 실리콘 잉곳 또는 실리콘 결정을 제조해서 다양한 태양 전지 용도로 사용할 수 있는 방법 및 시스템을 제공한다.
본 발명에 의한 태양 전지는 파손에 대한 염려 없이 수송, 설치 및 사용할 수 있다. 기계적 강도를 향상시키는 것 외에, 관련된 실리콘 잉곳 또는 실리콘 결정으로부터 생기는 실리콘 재료의 전기적 특성의 향상에 의해, 중요한 전지 효율(cell efficiency)을 달성하기 위해 필요한 최소한의 재결합 수명(recombination lifetime)을 가진 잉곳/결정 부분으로서 측정되는 잉곳 또는 결정의 수율이 높아진다.
본 발명의 하나의 관점에 의하면, 도가니 장치에서 저급(low-grade) 실리콘 원료와 소정량의 게르마늄으로부터 용융액(molten solution)을 형성하는 공정을 포함하는 저급의 실리콘 원료를 사용하기 위한 실리콘 잉곳 형성 방법 및 관련 시스템을 제공한다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 고급의 실리콘 원료와 소정량의 게르마늄을 사용하기 위한 실리콘 결정 형성 방법 및 관련 시스템을 제공한다.
일례로, 결정화(crystallization)는 CZ(Czochralski) 공법을 사용해서 이루어지는데, 용융 및 CZ 결정 추출을 하기 전에 고급의 실리콘 원료에 소정량의 게르마늄을 첨가한다.
다른 예로서, FZ(Floating Zone) 공법에 의해서 결정화가 이루어지는데, FZ 결정의 성장을 위해 부유하는 용융 존(melt zone)을 적용하기 전에 고급의 실리콘 서플라이 로드에 소정량의 게르마늄을 부가한다.
소정량의 게르마늄은 순수한 게르마늄만을 첨가해도 된다. 순수한 실리콘-게르마늄 합금과 같은 화합물을 일부 사용해도 된다.
본 발명의 앞서 설명한 또는 그외 다른 장점 및 신규한 특징에 대해서는, 본 명세서의 기재에 의해 명백할 것이다. 본 항목의 의도는 청구된 발명의 이해를 돕기 위한 설명에 불과하며, 발명의 일부 기능만을 간략히 나타낼 뿐이다. 본 명세서에 기재된 것 외의 다른 시스템, 방법, 특징 및 장점에 대해서는, 당업자라면 이하의 도면 및 상세한 설명으로부터 명백할 것이다. 이러한 추가적인 시스템, 방법, 특징 및 장점은 본 명세서의 기재 및 청구범위의 내용에 모두 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
본 발명의 특징, 특성 및 장점은 이하의 도면을 참조한 아래의 상세한 설명으로부터 더욱 명백하게 될 것이다.
도 1은 실리콘 잉곳(silicon ingot)의 형성으로 시작하는 태양전지 형성을 위한 종래의 일반적인 프로세스이다.
도 2는 본 발명에 따른 향상된 특징을 가진 실리콘 잉곳을 생성하기 위한 프로세스 과정을 개념적으로 나타낸다.
도 3은 일방향성 응고 잉곳 형성 프로세스를 위한 저급의 미가공 실리콘 원료를 채택한 본 발명의 실시예에 대한 프로세스 과정을 나타낸다.
도 4는 CZ 결정 추출 프로세스를 위한 고급의 미가공 실리콘 원료를 채택한 본 발명의 실시예에 대한 프로세스 과정을 나타낸다.
도 5는 FZ 결정 추출 프로세스를 위한 고급의 미가공 실리콘 원료의 서플라이 로드를 채택한 본 발명의 실시예에 대한 프로세스 과정을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의해 기준 잉곳과 가공한 잉곳을 검사한 다수의 여러 웨이퍼에 대한 파손 검사 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명의 방법 및 시스템은 저순도(low purity) 또는 고순도(high purity)의 실리콘 원료(silicon feedstock)를 사용해서 실리콘 잉곳(ingot) 또는 실리콘 결정(crystal)을 생성하기 위한 반도체 잉곳 형성 프로세스를 제공한다. 본 발명을 사용함으로써, 개량형 금속급 실리콘(upgraded metallurgical grade silicon: 간단히 "UMG"라고 함)과 같은 저급(low-grade)의 반도체 재료로부터 형성된 잉곳의 특성이 향상된다. 이러한 잉곳 특성의 향상에 의해, 태양광 발전(solar power generation)에서의 사용을 위한 태양 전지를 생성하는 데에 UMG 실리콘을 사용할 수 있다. 본 발명의 방법 및 시스템은 또한 UMG 또는 비전자급(non-electronic grade)의 원료 물질을 사용해서 실리콘이 주요 성분인(silicon-based) 태양 전지를 형성할 수 있는 장점을 가진다. 따라서, 본 발명에 의하면, 태양 전지를 대량으로 그리고 많은 제조 설비에서 제조할 수 있게 된다.
도 1은 단계 12에서 시작하는 공지된 프로세스(10)를 나타낸다. 단계 12에서, 금속급(metallurgical-grade: 이하 간단히 "MG"라고 함) 또는 저급(lower-grade)의 실리콘으로 공지의 웨이퍼 형성 프로세스(10)를 시작한다. 공지의 프로세스(10)는 MG 실리콘으로부터 고급(high-grade) 실리콘을 추출(extract)한다(단계 14). 고급 실리콘 추출 공정(단계 14)은 전자급(electronic-grade: 간단히 "EG"라고 함) 실리콘 또는 태양 전지급(solar-grade: SOG) 원료 퀄리티라고 하는 다소 낮은 실리콘 퀄리티를 만드는 고비용(high-cost)의 처리 과정이다. 이들은 단계 16에서 잉곳(ingot)을 제조하기 위해 사용되는 실리콘 원료(silicon feedstock material)의 종류이다. 공지의 프로세스(10)는, 단계 18에서, 일반적으로 실리콘 웨이퍼를 만들기 위해 줄 톱(wire-saw)를 이용해서, 실리콘 잉곳을 슬라이싱 처리하는 과정을 포함한다. 이에 의해 만들어진 실리콘 웨이퍼를 사용해서 태양 전지 형성 프로세스(20)를 수행한다.
도 2는 본 발명에 따른 전체적인 태양 전지 제조 프로세스(30)를 나타낸다. 본 발명에 의한 개선된 실리콘 잉곳 특징에 의해, 다양한 등급의 원료와 게르마늄 강화 단계를 사용해서, 웨이퍼 및 이에 의해 만들어진 태양 전지의 강도와 유연성을 높일 수 있다.
태양 전지 제조 프로세스(30)는, UMG 실리콘이 되도록 하기 위해 어느 정도까지 정제될 수 있는 단계 32에서 MG 실리콘(si)을 이용하는 과정을 포함한다. 이에 의해 만들어진 실리콘 퀄리티에 의해 여전히 저급의 실리콘(36)이 된다. 따라서, 실리콘 퀄리티(silicon quality)(34)는 실리콘 퀄리티(14)에 비해 훨씬 낮은 비용과 관련된다. 또한, 저급 실리콘 잉곳(36)은 실리콘 퀄리티(14)에 비해, 훨씬 높은 함량의 금속 및 비금속 불순물을 포함한다. 본 발명은 잉곳의 강도 및 유연성을 향상시키기 위해 게르마늄의 소정의 품질 및 양을 첨가하거나 또는 강화하는 과정을 포함한다. 실리콘과 게르마늄의 조합물을 가열해서 잉곳 형성 단계(38)의 개시 특징으로서 실리콘 용융물(silicon melt)을 형성한다.
단계 38에서는, 일방향성 응고(directional solidification) 공법, 초크랄스키(Czochralski: 이하 "CZ"라고 함) 공법, 또는 플로팅 존(Floating Zone: FZ) 공법 등을 사용해서 실리콘 잉곳을 형성한다. 단계 40은 실리콘 웨이퍼의 형성을 나타낸다. 마지막으로, 단계 42에서 태양 전지 생성 프로세스를 수행한다.
도 3은 저급의 미가공 실리콘 원료를 채택하는 본 발명의 일실시예에 대한 프로세스(50)를 나타낸다. 이 프로세스(50)에서, 제1 단계(52)는 저급의 미가공 실리콘(예를 들어, UMG 실리콘)을 도가니(crucible)에 배치하는 과정을 포함한다. 실리콘 용융물을 형성하기 위한 가열 처리를 행하기 전에, 소정량의 순수 게르마늄(예를 들어, 순도 99.999%의 게르마늄)을 저급의 실리콘 원료에 첨가하는 과정을 포함할 수 있다.
개선된 실리콘에서 첨가되는 게르마늄의 전체 범위는 50ppmw(ppm by weight)~200ppmw가 될 수 있다. 일례로, 게르마늄의 양은 100ppmw~150ppmw의 범위를 가질 수 있다. 다른 예에서, 게르마늄의 양은 120ppmw~180ppmw의 범위를 가질 수 있다.
고체의 저급 실리콘과 순수 게르마늄을 혼합한 것이 도가니에 배치되면, 단계 56에서는, 저급 실리콘과 첨가되는 게르마늄의 용융물(melt)을 생성하기 위한 고체 혼합물(solid mixture)을 가열하는 과정(단계 58)을 포함한다. 예를 들어, 일방향성 응고를 사용해서, 용융된 저급 실리콘과 게르마늄을 결정화한다(단계 60).
도 4는 고급의 미가공 실리콘 원료를 채택하는 본 발명의 실시예에 따른 프로세스(70)를 나타낸다. 이 프로세스(70)에서, 제1 단계(72)는 고급의 미가공 실리콘(예를 들어, EG 실리콘)을 도가니에 투여하는 과정을 포함한다. 실리콘 용융물을 형성하기 위한 가열 공정을 수행하기 전에, 고급 실리콘 원료에 소정량의 순수 게르마늄(예를 들어, 순도 99.999%의 게르마늄)을 첨가하는 과정을 포함할 수 있다.
고체의 저급 실리콘과 순서 게르마늄의 혼합물이 도가니에 준비되면, 이 고체 혼합물을 가열하고(단계 76), 고급 실리콘과 첨가된 게르마늄의 용융물을 생성한다(단계 78). 이어서, CZ 공법을 통해 원하는 결정 특성을 취득 및 유지하기 위한 정착된 과정을 사용해서 CZ 결정을 추출함으로써, 용융된 고급 실리콘과 게르마늄의 일부분을 실리콘 결정으로 형성할 수 있다(단계 80).
도 5는 고급 미가공 실리콘, 특히 EG 실리콘 원료의 서플라이 로드(supply rod)로 시작하는 본 발명의 실시예에 대한 프로세스(90)를 나타낸다. 이 프로세스(90)에서, 제1 단계(92)는 고급의 미가공 실리콘(예를 들어, EG 실리콘) 서플라이 로드의 사용을 시작하는 과정을 포함한다. 서플라이 로드에 의해, FZ 결정화 공법을 위한 플로팅 존(FZ) 또는 FZ 영역을 사용할 수 있게 된다. FZ 영역을 형성하는 것과 관련해서, 고급 실리콘 원료의 서플라이 로드에 소정량의 순수 게르마늄(예를 들어, 순도 99.999%의 게르마늄)을 첨가하는 과정(단계 94)을 포함할 수 있다.
고체의 고급 실리콘과 순수 게르마늄의 혼합물이 FZ에 존재하면, 단계 96은, 고급 실리콘 및 첨가 게르마늄의 플로팅 용융 존(floating melt zone)을 사용해서(단계 98), 서플라이 로드와 게르마늄 혼합물로부터 FZ 결정을 성장시킴으로써 실리콘 결정을 형성(단계 80)하는 과정을 포함한다. 이 경우, FZ 공법을 통해 원하는 결정 특성을 얻고 유지하기 위한 정착된 과정은 용도를 찾을 수 있을 것이다.
도 6은 잉곳(B)으로부터 게르마늄이 도핑된 재료의 기계적 웨이퍼 강도와 잉곳(A)으로부터 아무것도 도핑하지 않은 기준 물질을 비교한 실험의 특징 결과(110)를 나타낸다. 2개의 잉곳에 대하여, 동일한 유형의 UMG 원료 실리콘을 선택하고, 캐스팅(casting)을 행하였는데, 동일한 캐스팅 조건을 적용한 동일한 도구를 사용하였다. 이어서, 표준 4-라인 벤딩(bending) 검사에서 최대 웨이퍼 변형률(maximum wafer deformation)(Imax)에 대한 최대 외력(maximum external force)(Fmax)의 비(ratio)로서 측정된 기계적 웨이퍼 강도를 판정하기 위하여, 각각의 잉곳으로부터 한 세트의 바닥 부근 웨이퍼(bottom-near wafer)(116, 120)와 한 세트의 상단 부근 웨이퍼(near-top wafer)(118, 122)를 선택하였다. 시퀀스 번호(114)가 각각의 잉곳 내의 원래의 위치를 나타내는(번호는 바닥에서부터 상단으로 갈수록 증가함) 다양한 웨이퍼 그룹에 대해 정규화된 웨이퍼 강도(웨이퍼 두께로 나누어진 강도)(112)가 제시된다. 그래프를 보면, 게르마늄이 도핑된 잉곳(B)으로부터의 웨이퍼가 기준 잉곳(A)으로부터의 웨이퍼보다 더 높은 강도를 나타낸다는 것을 알 수 있다.
이 결과는 실리콘 잉곳의 형성에서의 게르마늄의 첨가에 의해 다른 방법으로 동일하게 형성한 실리콘 잉곳으로 이루어진 실리콘 잉곳보다 더 큰 강도 특성을 가진다는 결론을 뒷받침한다.
이들 결과는 아래의 표 1에 의해 구체화될 수 있으며, 이 표는 게르마늄이 도핑된 실리콘 잉곳으로부터의 물질에 의해 달성되는 첨가의 개선사항의 예를 나타낸다.
잉곳 수율, 캐리어 수명, 및 효율 증가
잉곳 수율의 증가 재조합 수명의 증가 효율의 증가
44.7% 20.7% 1.2%
상기 표는 다결정 실리콘 잉곳을 형성하는데에 사용된 중간급(medium-grade)의 원료에 대한 데이터를 보여준다. 이들 데이터는 상기 설명한 개선된 기계적 특성뿐만 아니라 전기적 재료 특성의 향상과 관련되어 있다. 상기 표에서, 이러한 전기적 특성의 측정된 개선 사항은 본 발명에 따르지 않은 실리콘에 비해, 기계적 내구성을 갖도록 된 실리콘에서의 증가 비율로서 주어진다. 이러한 개선된 재료 특성에 의해, 이러한 잉곳으로부터 실리콘 웨이퍼와 관련 태양 전지의 가능한 수량에서의 대응하는 수율이 증가한다. 또한, 개선된 전기적 특성은 본 발명에 의한 태양 전지에 대한 평균 수율 증가로 이어진다.
다시 말해서, 본 발명에 따라 형성된 실리콘 잉곳의 개선된 재료 특성은 태양 전지와 이러한 태양 전지를 사용하는 시스템의 제조와 관련된 비용의 감축을 촉진하기 위한 누적 효과(cascading effect)를 갖는다. 즉, 게르마늄이 도핑된 실리콘 재료는 도핑되지 않은 실리콘 재료에 비해 향상된 재료 강도 및 유연성을 나타내기 때문에, 잉곳으로부터 웨이퍼를 슬라이싱 처리하는 기계적인 공정에 의한 웨이퍼의 파손 가능성이 많이 줄어든다. 이어서, 웨이퍼를 슬라이싱 처리하면, 실리콘 웨이퍼의 재료 강도 및 유연성은, 이러한 실리콘 웨이퍼가 태양 전지로 형성되는 경우에도 내구성이 증가한다. 또한, 이렇게 만들어진 태양 전지는 태양 전지를 만든 장소에서 태양 전지 어레이를 조립하는 장소에 설치 또는 이동시키고, 이러한 태양 전지 어레이를 현장에서 최종적으로 설치하는 경우에, 파손, 갈라짐, 파괴 응력이 생길 가능성이 적다. 마지막으로, 이러한 태양 전지의 내구성과 유연성을 증가시킴으로써, 현장에서의 내후성, 열적 및 환경적 변화가 손상을 줄 수 있는 경우에도, 태양 전지 어레이의 동작 수명을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 의한 실리콘 웨이퍼의 수율 증가, 태양 전지의 수율 증가, 태양 전지 어레이의 수율 증가 및 태양 전지 어레이의 기계적 내구성의 증가에 의해, 태양 전지 산업계에 매우 중요한 경제적 효과를 가져올 수 있다. 이러한 경제적 효과는 태양 전지로부터 전기를 생성하는 데에 있어서 직접적 및 실질적인 비용 절감을 가져온다.
상기 표에 나타낸 바와 같이, 게르마늄을 도핑한 실리콘에 의해, 각 실리콘 재료의 캐리어 수명을 증가시킬 뿐만 아니라 전체적인 태양 전지 효율도 높일 수 있다. 이러한 것은, 상기 표를 보면, 예를 들어 재조합 수명이 20.7% 증가하였고, 측정한 전지 효율이 1.2% 증가하였다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 실리콘 재료의 개선은, 결정질 실리콘의 격자 구조에 게르마늄 원자를 치환해서 포함시키는 것과 관련된 격자의 압축 변형률의 증가에 의해 이루어진다. 이처럼 게르마늄을 치환해서 포함시킴으로써, 실리콘 웨이퍼 또는 태양 전지에서의 소정의 벌크 결함(bulk defect)과 관련된 국부적인 인장 변형(tensile strain)을 보상할 수 있으며, 결과적으로 재료의 고유 강도에 대한 조절을 개선할 수 있다.
실험 결과는 농도 범위(50ppmw~200ppmw)를 갖는 게르마늄을 가진 실리콘 재료는 강도가 증가한다는 것을 나타내며, 최적의 실용적인 범위는 생성되는 재료의 퀄리티에 좌우된다. 게르마늄의 농도를 약간 높이면, 다결정 실리콘에 비해, 단결정 실리콘에 더욱 효과적이다.
요약하면, 본 발명은 실리콘 원료와 소정량의 게르마늄으로 된 용융액을 도가니 장치에 형성하는 과정을 포함하는, 실리콘 잉곳 또는 실리콘 결정을 형성하는 방법 및 관련 시스템을 제공한다. 상기 용융액을 형성하는 과정에 이어, 일방향성 응고에 의해 도가니 내에 잉곳을 형성하거나, 용융물로부터 CZ 결정을 추출하거나, FZ 결정을 성장시키는 과정을 포함할 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명을 사용한 다양한 실시예에 대해서 설명하고 있지만, 당업자라면 본 발명의 특징을 사용하는 많은 다른 변형예를 용이하게 도출해 낼 수 있을 것이다. 따라서, 바람직한 실시예에 대한 상기 설명은, 당업자가 청구된 발명을 제조 또는 사용할 수 있도록 하기 위해 제공된 것이다. 이들 실시예에 대한 다양한 변형은 당업자에게 명백할 것이며, 본 명세서에서 정의한 일반적인 원리는 획기적인 능력을 사용하지 않고도 다른 실시예에 적용할 수 있다. 따라서, 청구된 본 발명은 본 명세서의 실시예에 한정되지 않으며, 본 명세서에 기재한 원리와 신규한 특징에 부합하는 가장 넓은 범위에 따르는 것으로 해석하여야 한다.

Claims (25)

  1. 기계적 및 전기적 특성을 개선한 결정질 실리콘(crystalline silicon)을 형성하는 방법으로서,
    소정량의 실리콘 원료 물질(silicon feedstock material)을 사용해서 실리콘 결정화 공정을 개시하는 단계;
    상기 실리콘 원료 물질에 최소 순도가 99.99%인 소정량의 게르마늄을 첨가하는 단계;
    상기 실리콘 원료 물질과 상기 소정량의 게르마늄으로부터 용융물(melt)을 생성하는 단계; 및
    상기 용융물에 대해 결정화(crystallization)를 수행하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소정량의 실리콘 원료 물질을 사용해서 일방향성 응고 실리콘 결정화(directional solidification silicon crystallization) 공정을 개시하는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    소정량의 개량형 금속급(upgraded metallurgical-grade: UMG)의 실리콘 원료 물질을 사용해서 일방향성 응고 실리콘 결정화 공정을 개시하는 단계를 더 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    전자급(electronic-grade: EG)의 실리콘 원료 물질을 사용해서 초크랄스키(Czochralski: CZ) 실리콘 결정 추출 공정을 개시하는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    태양 전지급(solar-grade: SOG)의 실리콘 원료 물질을 사용해서 CZ 실리콘 결정 추출 공정을 개시하는 단계를 더 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    EG 실리콘 서플라이 로드(supply rod)를 사용해서 플로팅 존(Floating Zone: FZ) 실리콘 결정화 공정을 개시하는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 원료 물질에 최소 순도가 99.999%인 게르마늄을 첨가하는 단계를 더 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 원료 물질에 50~200 ppmw 함량의 게르마늄을 첨가하는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 원료 물질에 100~150 ppmw 함량의 게르마늄을 첨가하는 단계를 더 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 원료 물질에 120~180 ppmw 함량의 게르마늄을 첨가하는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 실리콘 원료로부터 결정질 실리콘을 형성하기 위한 시스템으로서,
    소정량의 실리콘 원료 물질을 사용해서 실리콘 결정화 공정을 개시하기 위한 실리콘 결정 형성 메커니즘;
    상기 실리콘 원료 물질에 첨가되는 최소 순도를 갖는 소정량의 게르마늄;
    상기 실리콘 원료 물질과 상기 소정량의 게르마늄으로부터 용융뮬을 생성하기 위한 가열 메커니즘; 및
    상기 용융물의 결정화를 수행하기 위한 응고 조절 메커니즘(solidification controlling mechanism)
    를 포함하는 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 소정량의 실리콘 원료 물질을 사용해서 일방향성 응고 실리콘 결정화(directional solidification silicon crystallization) 공정을 개시하기 위한 메커니즘을 더 포함하는 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    소정량의 개량형 금속급(upgraded metallurgical-grade: UMG) 실리콘 원료 물질을 사용해서 일방향성 응고 실리콘 결정화 공정을 개시하기 위한 메커니즘을 더 포함하는 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    전자급(electronic-grade: EG)의 실리콘 원료 물질을 사용해서 초크랄스키(Czochralski: CZ) 실리콘 결정 추출 공정을 개시하기 위한 메커니즘을 더 포함하는 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    태양전지 급(solar-grade: SOG)의 실리콘 원료 물질을 사용해서 CZ 실리콘 결정 추출 공정을 개시하기 위한 메커니즘을 더 포함하는 시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    EG 실리콘 서플라이 로드(supply rod)를 사용해서 플로팅 존(Floating Zone: FZ) 실리콘 결정화 공정을 개시하기 위한 메커니즘을 더 포함하는 시스템.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 실리콘 원료 물질에 최소 순도가 99.99%인 게르마늄을 첨가하기 위한 메커니즘을 더 포함하는 시스템.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 실리콘 원료 물질에 최소 순도가 99.999%인 게르마늄을 첨가하기 위한 메커니즘을 더 포함하는 시스템.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 실리콘 원료 물질에 50~200 ppmw 함량의 게르마늄을 첨가하기 위한 메커니즘을 더 포함하는 시스템.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 실리콘 원료 물질에 100~150 ppmw 함량의 게르마늄을 첨가하기 위한 메커니즘을 더 포함하는 시스템.
  21. 제11항에 있어서,
    상기 실리콘 원료 물질에 120~180 ppmw 함량의 게르마늄을 첨가하기 위한 메커니즘을 더 포함하는 시스템.
  22. 결정질 실리콘 원료로부터 형성된 광기전 태양전지(photovoltaic solar cell)로서,
    소정량의 실리콘 원료 물질을 사용해서 형성되며 광기전 프로세스를 수행하기 위한 실리콘 벌크 재료(silicon bulk material); 및
    상기 실리콘 기판 재료 내에 도핑된 최소 순도가 99.99%인 소정량의 게르마늄
    을 포함하며,
    상기 소정량의 게르마늄에 의해 상기 재료의 강도가 증가하고 상기 실리콘 기판의 전기적 특성이 향상되는 것을 특징으로 하는 광기전 태양전지.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 실리콘 벌크 재료는 UMG 실리콘 벌크 재료를 포함해서 이루어진, 광기전 태양전지.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 실리콘 벌크 재료는 SOG 실리콘 벌크 재료를 포함해서 이루어진, 광기전 태양전지.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 실리콘 벌크 재료는 EG 실리콘 벌크 재료를 포함해서 이루어진, 광기전 태양전지.
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