KR101854257B1 - 태양전지용 실리콘 정련 장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지용 실리콘 정련 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 내부가 진공상태에서 아르곤 가스 분위기로 제어되는 단계와, 챔버와, 상기 챔버의 내부에 구비되어 실리콘을 수용하는 도가니와, 상기 도가니의 외주에 구비되어 상기 실리콘을 용융시키는 그라파이트 히터와, 상기 그라파이트 히터를 통해 용융된 실리콘 용탕을 고주파와 저주파를 이용하여 가열 및 교반시키는 유도코일과, 교반되는 상기 실리콘 용탕에 스팀 플라즈마를 공급하는 플라즈마 토치와, 상기 실리콘 용탕의 일방향 응고를 위해 상기 도가니를 하강시키는 승강부재를 포함함으로써, 태양전지용으로 사용할 수 있는 고순도의 실리콘으로 정련할 수 있다.
Description
본 발명은 듀얼 주파수 모드로 용융된 실리콘을 교반시키면서 스팀 플라즈마를 이용하여 실리콘에 포함된 불순물을 제거한 후에 일방향 응고시킴으로써, 태양전지용으로 사용할 수 있는 고순도의 실리콘으로 정련할 수 있는 태양전지용 실리콘 정련 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 태양전지 시장은 2003년 이후 대략 35% 이상의 성장률을 기록하면서 급성장 하고 있는데, 이러한 태양전지의 주요 소재인 폴리실리콘의 가격은 2009년 상반기에 잠시 하락하였다가 2010년부터 다시 오름세에 있었으나, 2015년 1월에는 $20/kg에서 5월 기준 $15.4/kg까지 하락하였고, 공급과잉과 업체들의 재고조정문제로 12월에는 $13.5/kg까지 하락하였으며, 2016년 폴리실리콘 가격은 $12~15/kg에서 형성될 것으로 전망되어 2016년에도 공급 과잉에 의한 가격 약세가 지속될 전망이다.
이에 따라, 고순도이면서 저가인 폴리실리콘의 제조기술 확보는 향후 세계 폴리실리콘 시장에 대한 경쟁력 확보 및 시장 점유율 상승으로 이어질 수 있으며, 관련 산업의 확대를 통해 주변 산업으로의 파급 효과가 매우 클 것으로 예측되고 있다.
이와 더불어 2000년 초부터 국내의 폴리실리콘 태양광 발전 설비 보급이 급격하게 증가하였는데, 모듈의 수명이 10-20년임을 고려할 때, 2010년부터 폐태양전지가 발생할 것이며, 이 후 2020년부터 그 양이 급격하게 증가될 것으로 예측되기 때문에, 국내에는 아직 전무한 폐태양전지의 재활용 기술의 확보 또한 필요한 시점이다.
한편, 세계적으로 고순도 실리콘은 독일의 지멘스사에 의해 개발된 지멘스(Simens) 공정에 의해 생산되고 있는데, 이는 회수율을 향상시키기 위해 고순도로 정류된 삼염화규소를 수소가스와 혼합하여 1000-1100 ℃의 석출영역으로 유입시킨 후 고순도의 치밀한 다결정 실리콘으로 석출시켜 제조함으로써, 불순물의 농도가 ppb급으로 매우 고순도의 실리콘을 제조할 수 있지만, 태양전지용으로 사용하기에는 너무 고순도의 실리콘이 제조되기 때문에 그에 따른 생산비용이 상승하는 문제점이 있다.
또한, 금속등급의 실리콘(저순도 실리콘)을 일방향 응고시키면 실리콘 용탕 중의 금속 불순물이 편석현상에 의해 고체 측에 고순도 실리콘으로 정련시킬 수 있지만, 붕소(B)는 편석 계수 값이 높아 방향성 응고를 통해서는 쉽게 제거하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 듀얼 주파수 모드로 용융된 실리콘을 교반시키면서 스팀 플라즈마를 이용하여 실리콘에 포함된 불순물을 제거한 후에 일방향 응고시키는 방식으로 스팀 플라즈마 공정 및 일방향 응고 공정을 연속적인 공정으로 수행함으로써, 실리콘을 두차례 이상 용해할 필요가 없기 때문에, 저렴하고 높은 효율로 생산성을 향상시킬 수 있는 태양전지용 실리콘 정련 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 진공챔버의 내부에 구비되는 도가니 외부에 구비된 그라파이트 히터를 통해 실리콘을 용해하고, 듀얼 주파수 모드로의 유도코일을 통해 실리콘 용탕을 교반시키면서 스팀 플라즈마를 실리콘 용탕에 공급하여 실리콘 내에 존재하는 반응성 원소를 화합물의 형태로 증발시켜 제거한 후에, 도가니를 하강시켜 일방향 응고를 수행함으로써, 하나의 챔버 내에서 연속적인 단일 공정으로 금속등급 실리콘의 내부 불순물을 제거하여 태양전지 용도로 활용할 수 있도록 고순도의 실리콘으로 정련할 수 있는 태양전지용 실리콘 정련 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 내부가 진공상태에서 아르곤 가스 분위기로 제어되는 챔버와, 상기 챔버의 내부에 구비되어 실리콘을 수용하는 도가니와, 상기 도가니의 외주에 구비되어 상기 실리콘을 용융시키는 그라파이트 히터와, 상기 그라파이트 히터를 통해 용융된 실리콘 용탕을 고주파와 저주파를 이용하여 가열 및 교반시키는 유도코일과, 교반되는 상기 실리콘 용탕에 스팀 플라즈마를 공급하는 플라즈마 토치와, 상기 실리콘 용탕의 일방향 응고를 위해 상기 도가니를 하강시키는 승강부재를 포함하는 태양전지용 실리콘 정련 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 챔버 내부를 진공상태에서 아르곤 가스 분위기로 제어하는 단계와, 실리콘을 수용하는 도가니의 외주에 구비된 그라파이트 히터를 통해 상기 실리콘을 용융시키는 단계와, 상기 그라파이트 히터의 외주에 구비된 유도코일에 고주파와 저주파를 인가하여 실리콘 용탕을 가열 및 교반시키는 단계와, 상기 가열 및 교반되는 실리콘 용탕에 스팀 플라즈마를 공급하는 스팀 플라즈마 공정을 수행하는 단계와, 상기 스팀 플라즈마 공정이 완료될 경우 상기 도가니를 하방으로 이동시켜 일방향 응고시키는 단계를 포함하는 태양전지용 실리콘 정련 방법이 제공될 수 있다.
본 발명은 듀얼 주파수 모드로 용융된 실리콘을 교반시키면서 스팀 플라즈마를 이용하여 실리콘에 포함된 불순물을 제거한 후에 일방향 응고시키는 방식으로 스티 플라즈마 공정 및 일방향 응고 공정을 연속적인 공정으로 수행함으로써, 실리콘을 두차례 이상 용해할 필요가 없기 때문에, 저렴하고 높은 효율로 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 진공챔버의 내부에 구비되는 도가니 외부에 구비된 그라파이트 터를 통해 실리콘을 용해하고, 듀얼 주파수 모드의 유도코일을 통해 실리콘 용탕을 교반시키면서 스팀 플라즈마를 실리콘 용탕에 공급하여 실리콘 내에 존재하는 반응성 원소를 화합물의 형태로 증발시켜 제거한 후에, 도가니를 하강시켜 일방향 응고를 수행함으로써, 하나의 챔버 내에서 연속적인 단일 공정으로 금속등급 실리콘의 내부 불순물을 제거하여 태양전지 용도로 활용할 수 있도록 고순도의 실리콘으로 정련할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 정련 장치를 예시한 도면이고,
도 2는 도 1에서 A 부분을 확대한 도면이며,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 태양전지용 실리콘을 정련하는 과정을 나타낸 단계별 흐름도이며,
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 정련된 실리콘 샘플의 불순물 농도를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 A 부분을 확대한 도면이며,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 태양전지용 실리콘을 정련하는 과정을 나타낸 단계별 흐름도이며,
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 정련된 실리콘 샘플의 불순물 농도를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 정련 장치를 예시한 도면이고, 도 2는 도 1에서 A 부분을 확대한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 정련 장치는 챔버(110), 도가니(120), 그라파이트 히터(130), 유도코일(140), 플라즈마 토치(150), 승강부재(160) 등을 포함할 수 있다.
챔버(110)는 내부가 진공 상태로 유지되는 것으로, 진공펌프(도시 생략됨)를 이용하여 내부 공간이 실리콘 정련 공정을 위한 진공도를 유지할 수 있도록 조절될 수 있다.
여기에서, 진공펌프는 예를 들어 로터리 펌프(rotary pump), 부스터 펌프(booster pump), 디퓨전 펌프(diffusion pump) 등을 사용할 수 있고, 이러한 진공 펌프를 이용하여 챔버(110) 내부는 4.5×10-5 - 5.5×10-5 torr의 압력까지 낮추어 진공 상태를 유지시킬 수 있다. 바람직하게는 대략 5.0×10-5 torr(즉, 7.0×10-3 Pa)를 유지할 수 있다.
또한, 챔버(110)의 내부에 퍼징용 Ar 가스(5N-Argon)를 지속적으로 주입하여 챔버 내부 압력이 720-760 torr가 되도록 함으로써, 비활성 분위기에서 수증기와 같은 반응 가스의 종류와 양을 선택적으로 공급할 수 있다. 즉, 챔버(110) 내부를 진공상태에서 아르곤 가스 분위기로 제어할 수 있다
한편, 플라즈마 토치(150)를 이용한 스팀 플라즈마 공정이 완료되면, 일방향 응고 시 정련 효율을 증가시키기 위해서, 진공펌프를 이용하여 챔버(110) 내 압력을 1.2-1.8torr(즉, 160-240 Pa)로 유지시킬 수 있다.
도가니(120)는 챔버(110)의 내부에 구비되어 실리콘을 수용하는 것으로, 내화물질(예를 들면, 질화규소(Si3N4)가 코팅된 실리카(SiO2) 등), 그라파이트(graphite) 등으로 제조되어 용해될 실리콘이 수용될 수 있다.
이러한 도가니(120)에는 스팀 플라즈마 공정으로 발생하는 수소 이온과 도가니(120)를 구성하는 실리카(SiO2)의 환원 반응을 방지하기 위해 실리콘 용탕의 상단과 맞닿은 부분(예를 들면, 상부면로부터 하방으로 전체 높이의 10-15% 길이까지의 부분)에 그라파이트(graphite) 등으로 보호층(122)을 코팅할 수 있다.
그라파이트 히터(130)는 도가니(120)의 외주에 구비되어 실리콘을 용융시키는 것으로, 도가니(120)의 외주면을 따라 구비되며, 전류를 인가하여 발생된 저항열에 의해 도가니(120)에 수용된 실리콘을 용융시킬 수 있다.
이러한 그라파이트 히터(130)를 통해 적어도 1414℃ 이상의 온도로 가열함으로써, 도가니(120) 내부의 실리콘을 용융시킬 수 있으며, 바람직하게는 1450-1600℃의 온도에서 40-60분 동안 유지함으로써, 실리콘 용탕을 안정화시킬 수 있고, 이러한 온도 범위를 공정이 완료될 때까지 유지할 수 있다.
한편, 유도코일(140)에 고주파가 인가되어 내측의 그라파이트 히터(130)와 실리콘이 더 가열되기 때문에, 유도코일(140)에 고주파가 인가될 경우 그라파이트 히터(130)의 파워(즉, 인가되는 전류)를 감소시킴으로써, 상기한 1450-1600℃의 온도를 유지할 수 있다.
한편, 플라즈마 토치(150)를 이용한 스팀 플라즈마 공정이 완료되면, 유도코일(140)에 고주파 및 저주파 인가를 중지시키고, 그라파이트 히터(130)를 통해 실리콘 용탕의 온도를 상기한 1450-1600℃의 온도로 유지시킬 수 있다.
유도코일(140)은 그라파이트 히터(130)를 통해 용융된 실리콘 용탕을 가열 및 교반시키는 것으로, 그라파이트 히터(130)의 외측에 감긴 형태로 구비되어 듀얼 주파수 모드로 자기장을 발생시켜 실리콘 용탕을 교반시킬 수 있다.
여기에서, 유도코일(140)은 도가니(120) 내부의 실리콘 용탕의 원활한 유동을 위해 용탕에 전자기 교반을 가할 수 있는데, 교반과 가열의 효과를 효율적으로 동시에 얻기 위해 듀얼 주파수 모드(즉, 고주파와 저주파)로 자기장을 발생시킴으로써, 고주파를 이용한 가열과 저주파를 이용한 교반을 동시에 수행할 수 있다.
예를 들면, 용융된 실리콘 용탕은 전기적으로 전도성을 띄기 때문에 로렌츠힘에 의해 교반을 진행할 수 있고, 이에 따라 고주파와 저주파를 포함하는 듀얼 주파수 모드로 가열 및 교반을 수행할 수 있는데, 고주파는 그라파이트 히터(130)와 도가니(120) 내부의 실리콘 용탕의 가열을 유도하고, 저주파는 실리콘 용탕의 교반을 유도할 수 있다.
이러한 유도코일(140)에는 1.6-2.4kHz의 고주파와 70-130Hz의 저주파를 동시에 공급됨으로써, 고주파를 이용하여 실리콘 용탕을 가열함과 동시에 저주파를 이용하여 실리콘 용탕을 교반시킬 수 있다.
물론, 유도코일(140)에 고주파가 인가될 경우 실리콘 용탕의 온도를 기 설정된 온도(즉, 1450-1600℃)로 유지할 수 있도록 그라파이트 히터(130)의 파워를 감소시킬 수 있다.
아울러, 플라즈마 토치(150)를 이용한 스팀 플라즈마 공정이 완료되면, 유도코일(140)에 고주파 및 저주파의 인가를 중지시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 그라파이트 히터(130)와 유도코일(140)의 사이에는 단열재(135)가 구비되어 근접 배치에 따른 문제점(예를 들면, 히터에 의한 유도코일의 손상, 열화 등)을 해결할 수 있다.
플라즈마 토치(150)는 교반되는 실리콘 용탕에 스팀 플라즈마를 공급하는 것으로, 도가니(120)에 수용된 실리콘의 상방에 배치되며, 불활성 가스(예를 들면, Ar 등) 분위기에서 플라즈마에 의해 스팀을 이온화하여 산소와 수소의 혼합물 형태(예를 들어 수소이온, 산소이온, 전자 등을 포함함)로 실리콘 용탕에 분사할 수 있다.
이러한 스팀 플라즈마의 분사를 통해 실리콘 용탕에 포함되어 있는 붕소(B), 질소(N), 칼슘(Ca), 티타늄(Ti) 등을 포함하는 불순물 화합물이 휘발될 수 있다.
예를 들면, 도가니(120) 내부에 용융된 실리콘 용탕에서 붕소 등을 제거하기 위해 플라즈마 토치(150)를 실리콘 용탕의 표면에 근접하게 위치시키고, 듀얼 주파수 모드로 유도코일(140)에 고주파 및 저주파를 인가시켜 실리콘 용탕을 가열하면서 교반중인 상태에서 플라즈마 토치(150)를 작동시켜 실리콘 용탕에 스팀 플라즈마를 공급할 수 있다.
여기에서, 플라즈마 토치 파워는 25-35kW의 범위로 공급할 수 있으며, 쉴드가스는 Ar 가스를 7-15L/min으로 공급할 수 있고, 물은 1-3mL/min의 범위로 5-30분동안 공급할 수 있다. 즉, 스팀 플라즈마 공정은 대략 5-30분동안 수행할 수 있다.
승강부재(160)는 일방향 응고를 위해 도가니(120)를 하강시키는 것으로, 도가니(120)를 지지하면서 도가니(120)를 상하 방향으로 이동할 수 있도록 구비될 수 있는데, 냉각대(162), 승강기(164) 등을 포함할 수 있다.
여기에서, 냉각대(162)은 도가니(120)를 지지하는 받침 기능뿐만 아니라 내부에 구비된 가스 방식(예를 들면, 헬륨가스, 아르곤 가스 등), 수냉 방식 등의 열교환을 통해 도가니(120)의 내부에 수용된 실리콘 용탕을 냉각하여 일방향 응고시킬 수 있다.
또한, 승강기(164)는 플라즈마 토치(150)를 이용한 스팀 플라즈마 공정을 통해 불순물이 제거되면, 기 설정된 시간동안 대기하여 실리콘 용탕을 안정화시킨 후에, 일방향 응고를 위해 도가니(120)를 하부로 이동시킬 수 있다. 이러한 승강기(164)는 상하 이동을 위해 유압 실린더 방식, 모터 구동 방식 등이 다양하게 적용될 수 있음은 물론이다.
예를 들면, 스팀 플라즈마 공정이 끝난 이후에는 대략 40-60분간 유지시켜 용탕을 안정화시킨 후에, 승강기(164)를 이용하여 냉각대(162)를 하방으로 이동시킴으로써, 도가니(120)을 그라파이트 히터(130)로부터 천천히 멀리 이동시켜 실리콘 용탕을 응고시킬 수 있는데, 그 하강속도는 10-14mm/hr으로 하여 대략 18-25시간 동안 하강시킬 수 있고, 가스 방식, 수냉 방식 등의 열교환을 통해 일방향 응고의 온도 구배를 조절할 수 있다.
한편, 가스 방식, 수냉 방식의 열교환 대신에 그라파이트 히터(130)의 하단부분을 차열판으로 단열처리함으로써, 도가니(120)가 그라파이트 히터(130)를 벗어나는 구간부터 분위기에 의한 온도 구배를 가할 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 정련 장치에 적용되는 플라즈마 토치(150)는 발생되는 플라즈마가 실리콘 용탕에 공급되어 하부로 이송되는 이송식(transferred type)을 사용할 수 있는데, 도가니(120)의 하부를 관통하여 형성되는 전극결합홀(124)에 이송 전극(152)이 구비됨으로써, 플라즈마가 이송되는 전자 경로를 형성할 수 있다.
예를 들면, 도 2에 도시한 바와 같이 도가니(120)의 하부에는 내외부를 관통하여 전극결합홀(124)이 형성될 수 있는데, 사각형 단면 형태의 하부공간과 사다리꼴 단면 형태의 상부공간으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 하부공간의 높이와 상부공간의 높이는 도가니(120)의 전체 높이 T를 기준으로 (0.3-0.4)T : (0.6-0.7)T의 비율로 형성될 수 있다.
또한, 이송 전극(152)은 외주면에 나사산이 형성된 하단부와 직선 단면 형태의 중단부와 경사진 단면 형태의 상단부로 형성되는데, 하단부의 나사산을 통해 냉각대(162)에 회전 결합될 수 있고, 상단부의 경사진 형태에 따라 전극결합홀(124)의 상부공간에 끼움 결합될 수 있다.
이러한 이송 전극(152)은 전기전도도, 열전도도, 열팽창율, 용융온도 등을 고려한 내열성 전도체로서, 도가니(120)의 재질인 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3) 등의 열팽창율과 유사하여 실리콘 용탕의 가열 시에 이종 재질로 인한 열팽창으로 인한 용탕 누출, 도가니 파손 등의 문제를 미연에 방지하기 위해 TiC 등을 이용하여 제조될 수 있으며, 그 상부 폭은 실리콘 용탕의 일방향 응고에 따른 성장 폭에 영향을 받지 않도록 대략 10-20 mm의 폭 범위로 제조될 수 있고, 끼움 맞춤의 용이성 및 밀폐성을 향상시키기 위해 대략 10-30°의 경사 범위를 갖도록 제조될 수 있다.
한편, 전극결합홀(124)에 형성된 하부공간의 내주면과 이송 전극(152)의 중단부 외주면은 일정 간격(예를 들면, 1-3 mm 등) 이격된 상태로 형성됨으로써, 서로 다른 열팽창율에 따른 도가니(120)의 파손을 미연에 방지할 수 있다.
상술한 바와 같은 도가니(120)와 냉각대(162) 및 승강기(164)를 포함하는 태양전지용 실리콘 정련 장치에서는 상부의 플라즈마 토치(150)와 하부의 트랜스퍼 전극(152)이 각각 상하부 전극으로 하여 플라즈마의 전자 경로를 형성할 수 있으며, 일방향 응고 시에는 유사한 열전도도를 갖는 이송 전극(152)을 사용함으로써, 도가니(120)의 하부를 통해 열이 균일하게 방출될 수 있어, 실리콘 용탕의 성장 분포가 균일하게 응고될 수 있다.
따라서, 본 발명은 듀얼 주파수 모드로 용융된 실리콘을 교반시키면서 스팀 플라즈마를 이용하여 실리콘에 포함된 불순물을 제거한 후에 일방향 응고시키는 방식으로 스팀 플라즈마 공정 및 일방향 응고 공정을 연속적인 공정으로 수행함으로써, 실리콘을 두차례 이상 용해할 필요가 없기 때문에, 저렴하고 높은 효율로 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 진공챔버의 내부에 구비되는 도가니 외부에 구비된 그라파이트 히터를 통해 실리콘을 용해하고, 듀얼 주파수 모드의 유도코일을 통해 실리콘 용탕을 교반시키면서 스팀 플라즈마를 실리콘 용탕에 공급하여 실리콘 내에 존재하는 반응성 원소를 화합물의 형태로 증발시켜 포집 및 제거한 후에, 도가니를 하강시켜 일방향 응고를 수행함으로써, 하나의 챔버 내에서 연속적인 단일 공정으로 금속등급 실리콘의 내부 불순물을 제거하여 태양전지 용도로 활용할 수 있도록 고순도의 실리콘으로 정련할 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 태양전지용 실리콘 정련 장치를 이용하여 듀얼 주파수 모드로 용융된 실리콘을 교반시키면서 스팀 플라즈마를 이용하여 실리콘에 포함된 불순물을 제거한 후에 일방향 응고시키는 방식으로 스팀 플라즈마 공정 및 일방향 응고 공정을 연속적인 공정으로 수행하는 과정에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 태양전지용 실리콘을 정련하는 과정을 나타낸 단계별 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 챔버(110) 내부를 진공상태에서 아르곤 가스 분위기로 제어할 수 있다(단계302). 여기에서, 챔버(110) 내부는 4.5×10-5 - 5.5×10-5 torr의 압력까지 낮추어 진공 상태를 유지시킬 수 있다. 바람직하게는 대략 5.0×10-5 torr(즉, 7.0×10-3 Pa)를 유지할 수 있다.
또한, 챔버(110)의 내부에 Ar 가스(5N-Argon)를 지속적으로 주입하여 챔버 내부 압력이 720-760 torr가 되도록 함으로써, 비활성 분위기에서 수증기와 같은 반응 가스의 종류와 양을 선택적으로 공급할 수 있다.
그리고, 실리콘을 수용하는 도가니(120)의 외주에 구비된 그라파이트 히터(130)를 통해 실리콘을 용융시킬 수 있다(단계304). 이러한 그라파이트 히터(130)를 통해 적어도 1414℃ 이상의 온도로 가열함으로써, 도가니(120) 내부의 실리콘을 용융시킬 수 있다.
바람직하게는 1450-1600℃의 온도에서 40-60분 동안 유지함으로써, 실리콘 용탕을 안정화시킬 수 있고, 이러한 온도 범위를 공정이 완료될 때까지 유지할 수 있다.
다음에, 그라파이트 히터(130)의 외주에 구비된 유도코일(140)에 고주파와 저주파를 인가하여 실리콘 용탕을 가열 및 교반시킬 수 있다(단계306). 이러한 유도코일(140)에는 1.6-2.4kHz의 고주파와 70-130Hz의 저주파를 동시에 공급됨으로써, 고주파를 이용하여 실리콘 용탕을 가열함과 동시에 저주파를 이용하여 실리콘 용탕을 교반시킬 수 있다.
한편, 유도코일(140)에 고주파가 인가되어 내측의 그라파이트 히터(130)와 실리콘이 더 가열되기 때문에, 유도코일(140)에 고주파가 인가될 경우 그라파이트 히터(130)의 파워(즉, 인가되는 전류)를 감소시킴으로써, 상기한 1450-1600℃의 온도를 유지할 수 있다.
그리고, 가열 및 교반되는 실리콘 용탕에 스팀 플라즈마를 공급하는 스팀 플라즈마 공정을 수행할 수 있다(단계308).
여기에서, 스팀 플라즈마 공정은 도가니(120) 내부에 용융된 실리콘 용탕에서 붕소 등을 제거하기 위해 플라즈마 토치(150)를 실리콘 용탕의 표면에 근접하게 위치시킨 상태에서 플라즈마 토치(150)를 작동시켜 실리콘 용탕에 스팀 플라즈마를 공급할 수 있다.
여기에서, 플라즈마 토치 파워는 25-35kW의 범위로 공급할 수 있으며, 쉴드가스는 Ar 가스를 7-15L/min으로 공급할 수 있고, 물은 1-3mL/min의 범위로 5-30분동안 공급할 수 있다. 즉, 스팀 플라즈마 공정은 대략 5-30분동안 수행할 수 있다.
또한, 플라즈마 토치(150)를 이용한 스팀 플라즈마 공정이 완료되면, 진공펌프를 이용하여 챔버(110) 내 압력을 1.2-1.8torr(즉, 160-240 Pa)로 유지시킬 수 있으며, 유도코일(140)에 고주파 및 저주파 인가를 중지시키고, 그라파이트 히터(130)를 통해 실리콘 용탕의 온도를 상기한 1450-1600℃의 온도로 유지시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 플라즈마 토치(150)는 발생되는 플라즈마가 실리콘 용탕에 공급되어 하부로 이송되는 트랜스퍼 타입(transfer type)을 사용할 수 있는데, 도가니(120)의 하부를 관통하여 형성되는 전극결합홀(124)에 트랜스퍼 전극(152)이 구비됨으로써, 플라즈마가 이송되는 전자 경로를 형성할 수 있다.
이러한 플라즈마 토치(150)에 대해서는 상술한 바와 같은 일 실시예에서 구체적으로 설명하였으므로, 생략하기로 한다.
이어서, 도가니(120)를 하방으로 이동시켜 일방향 응고시킬 수 있다(단계310).
예를 들어 일방향 응고에 대해 상세히 설명하면, 스팀 플라즈마 공정이 끝난 이후에는 대략 40-60분간 유지시켜 용탕을 안정화시킨 후에, 승강기(164)를 이용하여 냉각대(162)를 하방으로 이동시킴으로써, 도가니(120)을 그라파이트 히터(130)로부터 천천히 멀리 이동시켜 실리콘 용탕을 응고시킬 수 있다.
여기에서, 일방향을 응고를 위한 하강속도는 10-14mm/hr으로 하여 대략 18-25시간 동안 하강시킬 수 있고, 가스 방식, 수냉 방식 등의 열교환을 통해 일방향 응고의 온도 구배를 조절할 수 있다.
따라서, 본 발명은 듀얼 주파수 모드로 용융된 실리콘을 교반시키면서 스팀 플라즈마를 이용하여 실리콘에 포함된 불순물을 제거한 후에 일방향 응고시키는 방식으로 스팀 플라즈마 공정 및 일방향 응고 공정을 연속적인 공정으로 수행함으로써, 실리콘을 두차례 이상 용해할 필요가 없기 때문에, 저렴하고 높은 효율로 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 진공챔버의 내부에 구비되는 도가니 외부에 구비된 그라파이트 히터를 통해 실리콘을 용해하고, 듀얼 주파수 모드의 유도코일을 통해 실리콘 내에 존재하는 반응성 원소를 화합물의 형태로 증발시켜 포집 및 제거한 후에, 도가니를 하강시켜 일방향 응고를 수행함으로써, 하나의 챔버 내에서 연속적인 단일 공정으로 금속등급 실리콘의 내부 불순물을 제거하여 태양전지 용도로 활용할 수 있도록 고순도의 실리콘으로 정련할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 정련된 실리콘 샘플의 불순물 농도를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하여 보면, 샘플 A는 후면전극으로 Al, 전면전극리본으로 Cu-Ag-Sn 합금, p타입 도펀트(p-type dopant)로 B, n타입 도펀트(n-type dopant)로 P가 사용된 실리콘 기반 태양전지이고, 샘플 B는 금속 실리콘(metallic grade silicon)을 나타내는데, 이러한 실리콘 기반 태양전지인 샘플 A를 전처리하여 전극을 제거한 후 수득된 실리콘을 재료로 하여 본 발명의 실시예에 따른 공정을 수행하기 전과 공정을 수행한 후의 불순물 농도를 비교하고, 금속 실리콘인 샘플 B를 재료로 하여 본 발명의 실시예에 따른 공정을 수행하기 전과 공정을 수행한 후의 불순물 농도를 이하에서 비교한다.
상술한 바와 같은 샘플 A 및 샘플 B에 대한 공정 중에서 스팀 플라즈마 공정은 15LPM의 아르곤과 2g/min의 물을 약 30분 동안 동작한 후에 일방향 응고 공정을 12mm/hr의 속도로 이동시켜 약 20시간 동안 수행하였다.
여기에서, 샘플 A의 불순물 농도에 대해 본 발명의 실시예에 따른 공정 수행 전과 수행 후를 비교해 보면, B는 (1.019→0.298)로, P는 (6.253→1.093)로, Al은 (563.112→14.413)로, Sn은 (130.475→0.714)로, Cu는 (2.901→0.412)로, Ag는 (117.202→0.026)로, Fe는 (4.973→0.556)로, Ca는 (7.555→0.134)로, Ti는 (7.398→0.056)로, N은 (8.4→0)로 나타나는 바와 같이 샘플 A의 불순물의 농도는 본 발명의 실시예에 따른 공정을 수행한 후에 전반적으로 현저하게 감소하였음을 확인할 수 있다.
또한, 샘플 B의 불순물 농도에 대해 본 발명의 실시예에 따른 공정 수행 전과 수행 후를 비교해 보면, B는 (6.894→2.109)로, P는 (23.946→3.428)로, Al은 (501.324→12.072)로, Sn은 (2.026→0.048)로, Cu는 (4.197→0.69)로, Ag는 (3.169→0)로, Fe는 (1213.301→1.930)로, Ca는 (64.137→3.194)로, Ti는 (81.390→0.013)로, N은 (4.5→0)로 나타나는 바와 같이 샘플 B의 불순물의 농도는 본 발명의 실시예에 따른 공정을 수행한 후에 전반적으로 현저하게 감소하였음을 확인할 수 있다.
이와 같이 실리콘 기반 태양전지인 샘플 A와 금속 실리콘인 샘플 B 모두에서 본 발명의 실시예에 따른 공정을 수행한 결과 불순물의 농도는 전반적으로 현저하게 감소함을 알 수 있으며, 종래보다 훨씬 효과적인 태양전지용 실리콘 정련 장치 및 그 방법을 제공할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.
110 : 챔버 120 : 도가니
130 : 그라파이트 히터 140 : 유도코일
150 : 플라즈마 토치 160 : 승강부재
130 : 그라파이트 히터 140 : 유도코일
150 : 플라즈마 토치 160 : 승강부재
Claims (15)
- 내부가 진공상태에서 아르곤 가스 분위기로 제어되는 챔버와,
상기 챔버의 내부에 구비되어 실리콘을 수용하는 도가니와,
상기 도가니의 외주에 구비되어 상기 실리콘을 용융시키는 그라파이트 히터와,
상기 그라파이트 히터를 통해 용융된 실리콘 용탕을 고주파와 저주파를 포함하는 듀얼 주파수 모드로 가열 및 교반시키는 유도코일과,
교반되는 상기 실리콘 용탕에 스팀 플라즈마를 공급하는 플라즈마 토치와,
상기 실리콘 용탕의 일방향 응고를 위해 상기 도가니를 하강시키는 승강부재를 포함하며,
상기 유도코일은, 상기 고주파의 경우 1.6-2.4kHz의 범위로 인가되면서 상기 저주파의 경우 70-130Hz의 범위로 인가되고,
상기 플라즈마 토치는, 이송식(transferred type)으로 구비되되, 상기 도가니의 하부를 관통하여 상기 승강부재에 결합된 이송 전극이 구비되며, 상기 도가니의 열팽창율과 유사한 TiC로 제조되는 상기 이송 전극을 통해 전자 경로를 형성하는 태양전지용 실리콘 정련 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 도가니는, 상기 실리콘 용탕의 상단과 맞닿은 부분에 그라파이트(graphite)를 포함하는 보호층을 코팅하는 태양전지용 실리콘 정련 장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 플라즈마 토치를 통해 수행되는 스팀 플라즈마 공정은, 25-35kW의 플라즈마 토치 파워가 공급되고, 쉴드가스로 Ar 가스가 7-15L/min으로 공급되며, 물은 1-3mL/min의 범위로 5-30분동안 공급되는 태양전지용 실리콘 정련 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 일방향 응고는, 상기 플라즈마 토치를 통한 스팀 플라즈마 공정이 완료되면, 기 설정된 시간동안 대기하여 상기 실리콘 용탕을 안정화시킨 후에, 상기 승강부재를 통해 상기 도가니를 10-14mm/hr의 하강속도로 18-25시간 동안 하부로 이동시키는 태양전지용 실리콘 정련 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 그라파이트 히터와 상기 유도코일의 사이에는, 단열재가 구비되는 태양전지용 실리콘 정련 장치.
- 삭제
- 삭제
- 챔버 내부를 진공상태에서 아르곤 가스 분위기로 제어하는 단계와,
실리콘을 수용하는 도가니의 외주에 구비된 그라파이트 히터를 통해 상기 실리콘을 용융시키는 단계와,
상기 그라파이트 히터의 외주에 구비된 유도코일에 고주파와 저주파를 인가하여 듀얼 주파수 모드로 실리콘 용탕을 가열 및 교반시키는 단계와,
상기 가열 및 교반되는 실리콘 용탕에 스팀 플라즈마를 공급하는 스팀 플라즈마 공정을 수행하는 단계와,
상기 스팀 플라즈마 공정이 완료될 경우 상기 도가니를 하방으로 이동시켜 일방향 응고시키는 단계를 포함하며,
상기 실리콘 용탕을 가열 및 교반시키는 단계는, 상기 고주파의 경우 1.6-2.4kHz의 범위로 인가되면서 상기 저주파의 경우 70-130Hz의 범위로 인가되고,
상기 스팀 플라즈마를 공급하는 플라즈마 토치는, 이송식(transferred type)으로 구비되되, 상기 도가니의 하부를 관통하여 상기 도가니를 하방으로 이동시키는 승강부재에 결합된 이송 전극이 구비되며, 상기 도가니의 열팽창율과 유사한 TiC로 제조되는 상기 이송 전극을 통해 전자 경로를 형성하는 태양전지용 실리콘 정련 방법.
- 삭제
- 제 9 항에 있어서,
상기 스팀 플라즈마 공정을 수행하는 단계는, 25-35kW의 플라즈마 토치 파워가 공급되고, 쉴드가스로 Ar 가스가 7-15L/min으로 공급되며, 물은 1-3mL/min의 범위로 5-30분동안 공급되는 태양전지용 실리콘 정련 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 일방향 응고시키는 단계는, 기 설정된 시간동안 대기하여 상기 실리콘 용탕을 안정화시킨 후에, 상기 도가니를 하방으로 이동시키는 태양전지용 실리콘 정련 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 일방향 응고시키는 단계는, 10-14mm/hr의 하강속도로 18-25시간 동안 하부로 이동시키는 태양전지용 실리콘 정련 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020170038496A KR101854257B1 (ko) | 2017-03-27 | 2017-03-27 | 태양전지용 실리콘 정련 장치 및 그 방법 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05262512A (ja) * | 1992-03-17 | 1993-10-12 | Kawasaki Steel Corp | シリコンの精製方法 |
| JPH07267624A (ja) * | 1994-03-29 | 1995-10-17 | Kawasaki Steel Corp | シリコンの精製方法及びその装置 |
| KR20110016282A (ko) * | 2009-08-11 | 2011-02-17 | (주)원익머트리얼즈 | 금속실리콘 정제장치 |
| KR20140032568A (ko) * | 2012-09-06 | 2014-03-17 | 주식회사수성기술 | 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치 및 그 제조방법 |
-
2017
- 2017-03-27 KR KR1020170038496A patent/KR101854257B1/ko active IP Right Grant
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