KR20100113925A - Apparatus for manufacturing directly silicon substrate for solar cell using continuous casting, method of manufacturing silicon substrate using the apparatus and silicon substrate manufactured the method for solar cell - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A silicon substrate for the solar battery and the manufacturing method thereof which is manufactured by directly using the manufacturing device, and this the silicon substrate for the solar battery using the continuous casting method keeps the high - liquid interface formed into the substrate growth direction and vertical direction. CONSTITUTION: The melt region(310) forms the molten silicon. The heating portion(312) heats the melt region. A space of casting part(320) casts the fused silicon to the silicon substrate of the plate type. The transport unit(330) horizontally transfers the solidified silicon substrate.

Description

연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 장치, 이를 이용하여 제조된 태양전지용 실리콘 기판 및 그 제조 방법 {APPARATUS FOR MANUFACTURING DIRECTLY SILICON SUBSTRATE FOR SOLAR CELL USING CONTINUOUS CASTING, METHOD OF MANUFACTURING SILICON SUBSTRATE USING THE APPARATUS AND SILICON SUBSTRATE MANUFACTURED THE METHOD FOR SOLAR CELL}Silicon substrate for solar cell direct manufacturing apparatus using continuous casting method, silicon substrate for solar cell manufactured using same and method for manufacturing the same {APPARATUS FOR MANUFACTURING DIRECTLY SILICON SUBSTRATE FOR SOLAR CELL USING CONTINUOUS CASTING MANUFACTURED THE METHOD FOR SOLAR CELL}

본 발명은 태양전지 기판용 실리콘 기판을 연속적으로 제조하기 위한 실리콘 기판 직접 제조 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연속 주조법(continuous casting)을 이용하여 태양전지용 실리콘 기판의 높은 생산성 및 에너지 변환효율 향상을 위한 실리콘 기판의 품질 등을 모두를 향상시킬 수 있는 태양전지용 실리콘 기판 연속 제조 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for directly manufacturing a silicon substrate for continuously manufacturing a silicon substrate for a solar cell substrate, and more particularly, to high productivity and energy conversion efficiency of a silicon substrate for a solar cell using continuous casting. The present invention relates to a solar cell silicon substrate continuous manufacturing apparatus and method capable of improving both the quality and the like of a silicon substrate for improvement.

태양전지용 실리콘 기판은 일반적으로 실리콘 용융후, 용융된 실리콘을 응고시켜 단결정 실리콘 잉곳(ingot) 또는 다결정 실리콘 블록을 제조한 후, 수차례에 걸친 절단 공정을 통하여 제조된다. Generally, a silicon substrate for a solar cell is manufactured by melting a silicon, solidifying the molten silicon to produce a single crystal silicon ingot or a polycrystalline silicon block, and then cutting through several cutting processes.

태양전지용 실리콘 기판을 제조하기 위한 단결정 실리콘 잉곳은 실리콘 용탕으로부터 종자결정을 이용한 결정 성장 공정을 통한 초크랄스키(Czochralski) 법으로 제조된다. The single crystal silicon ingot for manufacturing a silicon substrate for solar cells is manufactured by the Czochralski method through a crystal growth process using seed crystals from the molten silicon.

그리고 또 다른 방법으로 제조된 다결정 실리콘 블록은 HEM(Heat Exchanger Method) 공법 또는 Bridman-Stockbarger 공법을 이용하여 일방향 응고공정를 통하여 제조된다. 이와 같이 제조된 단결정 실리콘 잉곳 또는 다결정 실리콘 블록은 여러 단계의 절단공정을 통해 실리콘 기판으로 제조된다. The polycrystalline silicon block manufactured by another method is manufactured through a one-way solidification process using a heat exchanger method (HEM) method or a bridman-stockbarger method. The monocrystalline silicon ingot or polycrystalline silicon block thus manufactured is manufactured into a silicon substrate through several steps of cutting process.

단결정 실리콘 잉곳을 이용한 실리콘 기판은 도 1과 같은 제조 공정을 통하여 제조된다.A silicon substrate using a single crystal silicon ingot is manufactured through the manufacturing process as shown in FIG. 1.

첫 번째 cropping은 잉곳의 shoulder, tail을 절단하는 공정이고, 두 번째 grinding은 원하는 크기(직경)로 잉곳을 연마 가공하는 공정이고, 세 번째 flatting은 방향 인식 등을 위해 잉곳 한쪽 부분을 flat, notch 형태로 가공하는 공정이고, 네 번째 slicing (sawing)은 잉곳을 웨이퍼 형태로 자르는 공정이고, 다섯 번째 edge profiling (edge Rounding)은 깨짐 등을 방지하기 위해 웨이퍼 가장자리를 둥글게 가공하는 공정이고, 여섯 번째 lapping은 slicing 결함 제거, flatness 향상, 두께 조정을 위해 웨이퍼의 양면을 연마하는 공정이고, 일곱 번째 etching은 웨이퍼 표면의 결함층을 화학적으로 제거하는 공정이고 마지막 여덟 번째 Polishing은 단면 또는 양면을 화학적, 물리적 방법으로 연마해 결함이 없고 평탄도가 우수한 경면을 제조하는 공정으로 상기의 첫 번째 cropping, 두 번째 grinding, 세 번째 flatting 및 네 번째 slicing을 거치면서 잉곳의 50% 정도가 절단 손실(Kerf-loss)로 버려진다. The first cropping process is to cut the shoulder and tail of the ingot. The second grinding process is to grind the ingot to the desired size (diameter), and the third flatting is flat and notch form one part of the ingot for direction recognition. The fourth slicing (sawing) is the process of cutting the ingot into wafer shape, the fifth edge profiling (edge rounding) is the process of rounding the wafer edge to prevent cracking, and the sixth lapping is Slicing is the process of polishing both sides of the wafer to remove defects, improve flatness, and adjust the thickness.The seventh etching process is to chemically remove the defect layer on the surface of the wafer, and the final eighth polishing process chemically and physically The first cropping, second grinding, Flatting discarded by the second and fourth cutting loss (Kerf-loss) to 50% of the ingot over the course of slicing.

한편, 다결정 실리콘 블록을 이용한 실리콘 기판은 도 2와 같은 제조 공정을 통하여 제조된다.Meanwhile, the silicon substrate using the polycrystalline silicon block is manufactured through the manufacturing process as shown in FIG. 2.

첫 번째 blocking은 다결정 실리콘 블록을 원하는 크기로 절단하는 공정이고, 두 번째 cropping은 블록의 head, tail을 절단하는 공정이고, 세 번째 edge grounding은 블록의 가장자리를 둥글게 가공하는 공정이고, 네 번째 slicing은 블록을 웨이퍼 형태로 자르는 공정이고, 다섯 번째 polishing은 단면 또는 양면을 화학적, 물리적 방법으로 연마해 결함이 없고 평탄도가 우수한 경면을 제조하는 공정으로 상기 첫 번째 blocking, 두 번째 cropping, 세 번째 edge grounding, 네 번째 slicing에서 절단손실이 40 % 이상 발생한다. The first blocking is the process of cutting the polycrystalline silicon block to the desired size, the second cropping is the process of cutting the head and tail of the block, the third edge grounding is the process of rounding the edge of the block, and the fourth slicing is The fifth polishing process is to cut the block into wafer shape, and the fifth polishing process is to polish the cross section or both sides by chemical and physical methods to produce defect-free mirror surface with excellent flatness. The first blocking, second cropping, and third edge grounding In the fourth slicing, the cutting loss is more than 40%.

이와 같이, 단결정 실리콘 잉곳 또는 다결정 실리콘 블록을 이용하여 실리콘 기판을 제조하는 경우, 여러 절단 과정에 의해 40% 이상의 절단손실이 발생한다. 이렇게 기판 제조 공정 중 발생하는 절단손실은 태양전지의 핵심소재인 실리콘 기판의 제조단가 상승의 핵심적인 요인으로 작용한다. As described above, when a silicon substrate is manufactured using a single crystal silicon ingot or a polycrystalline silicon block, more than 40% of cutting loss occurs due to various cutting processes. The cutting loss generated during the substrate manufacturing process acts as a key factor in the increase in the manufacturing cost of the silicon substrate, which is a core material of the solar cell.

따라서, 최근의 태양전지용 실리콘 기판 제조 공정에서는 기존의 단결정 실리콘 잉곳 또는 다결정 실리콘 잉곳 제조 및 잉곳 절단 공정 없이 용융된 실리콘에서 바로 박형의 실리콘 기판을 얻음으로써 기존의 태양전지용 실리콘 기판 제조시 발생하는 절단 손실을 원천적으로 방지하고 있다. Therefore, in the recent solar cell silicon substrate manufacturing process, a thin silicon substrate is obtained directly from molten silicon without the conventional single crystal silicon ingot or polycrystalline silicon ingot manufacturing process and the ingot cutting process. It is prevented at the source.

다시 말해 상기 방법은 용융된 실리콘으로부터 바로 고화된 기판을 직접 제조할 수 있어, 잉곳 제조 및 절단 공정이 제거되어 실리콘 기판 생산 단가가 최대 50%까지 절감 가능하다.In other words, the method can directly manufacture the substrate solidified directly from the molten silicon, eliminating the ingot fabrication and cutting process can reduce the silicon substrate production cost by up to 50%.

현재 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 기술은 크게 수직 성장 기술과 수평성장 기술이 공지되어 있다. 공지된 대표적인 수직성장 기술로는 EFG(Edge-defined Film-fed Growth), SR(String Ribbon) 등이 있으며, 수평성장 기술로는 RGS(Ribbon Growth on Substrate), Silicon Film Technology, CDS(Crystallization on Dipped Substrate) 등이 있다. Currently, the silicon substrate direct manufacturing technology for solar cells is known in the vertical growth technology and horizontal growth technology. Known vertical growth technologies include edge-defined film-fed growth (EFG) and string ribbon (SR), and horizontal growth technologies include rib growth on substrate (RGS), silicon film technology, and crystallization on dipped (CDS). Substrate).

도 3은 융용된 실리콘 용탕으로부터 실리콘 기판을 수평으로 직접 제조하는 RGS(Ribbon Growth on Substrate) 방법에 의해 제조된 실리콘 기판의 응고 방식의 개략도와 상기 응고방식에 의해 제조된 실리콘 기판의 미세구조를 도시한 것이다.FIG. 3 is a schematic diagram of a solidification method of a silicon substrate manufactured by a ribbon growth on substrate (RGS) method of directly manufacturing a silicon substrate horizontally from molten silicon melt, and a microstructure of the silicon substrate manufactured by the solidification method. It is.

RGS 방법에 의한 실리콘 제조 기술은 수평성장에 의한 실리콘 기술 직접 제조 기술의 하나로 하부 기판을 통해 제조된 실리콘 기판의 잠열을 급속하게 제거함으로서 높은 생산속도를 확보하여, 현재 상업화된 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 기술 중 가장 높은 생산성을 가지고 있다. Silicon manufacturing technology by RGS method is one of silicon technology direct manufacturing technology by horizontal growth, and by directly removing latent heat of silicon substrate manufactured through lower substrate, it secures high production speed and manufactures silicon substrate for solar cell which is currently commercialized. It has the highest productivity of any technology.

도 3을 참조하면, 본 방식에 의해 태양전지용 실리콘 기판을 제조할 경우, 실리콘 기판 형성 과정 중에 생성되는 고 액 계면은 연직 방향으로 수평의 기판 성장 방향과 수직을 이루어 실리콘 기판 제조시 경사면을 형성하게 된다. 따라서, 결정립이 조밀하고, 경사진 고액 계면을 따라 응고가 진행되기 때문에 불순물이 실리콘 기판 표면으로 편석되는 현상이 발생하게 되어 제조된 실리콘 기판의 품질이 저 하되게 된다. Referring to FIG. 3, when manufacturing a silicon substrate for a solar cell by the present method, the solid-liquid interface generated during the silicon substrate formation process is perpendicular to the horizontal substrate growth direction in the vertical direction to form a sloped surface when manufacturing the silicon substrate. do. Therefore, since the grains are dense and solidification proceeds along the inclined solid-liquid interface, impurities are segregated onto the silicon substrate surface, resulting in deterioration of the quality of the manufactured silicon substrate.

이렇게 제조된 실리콘 기판을 태양전지용 기판으로 사용하는 경우에는 사용하는 기판의 품질이 뛰어나지 못하기 때문에 높은 에너지 변환 효율을 기대할 수 없어 에너지 변환효율이 저하되는 단점이 있다.When the silicon substrate manufactured as described above is used as a solar cell substrate, since the quality of the substrate to be used is not excellent, high energy conversion efficiency cannot be expected and energy conversion efficiency is lowered.

수직 성장 기술의 경우, 결정성장 방향과 진행 방향이 평행하기 때문에 결정이 길이 방향으로 성장하여 결정 크기가 크고, 이는 태양전지의 변환 효율을 높이는 장점이 있다. 그러나, 수직성장 기술의 경우, 상기와 같은 장점이 있는 반면, 응고속도가 매우 느려 생산성 면에서 불리한 단점이 있다. In the case of the vertical growth technology, since the crystal growth direction is parallel to the advancing direction, the crystal grows in the longitudinal direction and thus the crystal size is large, which has the advantage of increasing the conversion efficiency of the solar cell. However, in the case of the vertical growth technology, while having the above advantages, there is a disadvantage in terms of productivity due to the very slow solidification rate.

한편, 수평성장 기술의 경우 결정성장 방향과 진행 방향이 수직하기 때문에 결정이 기판의 두께 방향으로 성장하여 결정크기가 작고 불순물들의 석출로 인해 변환 효율이 수직성장 기술에 비해 떨어지는 단점이 있으나, 넓은 면적의 기판을 통해 잠열의 제거를 효율적으로 할 수 있어 기판을 빠른 속도로 성장시킬 수 있는 장점이 있다. On the other hand, in the case of the horizontal growth technology, since the crystal growth direction and the advancing direction are perpendicular, the crystals grow in the thickness direction of the substrate, so that the crystal size is small and the conversion efficiency is lower than that of the vertical growth technology due to precipitation of impurities. It is possible to efficiently remove the latent heat through the substrate has the advantage of growing the substrate at high speed.

따라서, 종래의 실리콘 기판의 직접 제조 기술은 실리콘 기판의 생산성과 에너지 변환효율이 상충 관계에 놓여 있는 바, 실리콘 기판의 생산성 및 품질을 모두 높여 태양전지 기판 등으로 적용할 수 있는 실리콘 기판 제조 기술이 요구된다. Therefore, the conventional silicon substrate direct manufacturing technology has a trade-off between the productivity of the silicon substrate and the energy conversion efficiency. Therefore, the silicon substrate manufacturing technology, which can be applied to solar cell substrates and the like, increases both the productivity and quality of the silicon substrate. Required.

본 발명의 목적은 연속 생산 및 물성제어가 용이한 연속주조법(continuous casting)을 응용하여 제조되는 실리콘 기판의 고-액 계면을 기판성장방향과 수직하게 유지함으로써 에너지 변환 효율에 악영향을 미치는 불순물들의 제어를 용이하게 함과 동시에 결정립 크기를 크게 제어할 수 있는 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 장치 및 이를 이용한 태양전지용 실리콘 기판 제조 방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to control impurities that adversely affect energy conversion efficiency by maintaining the solid-liquid interface of a silicon substrate manufactured by applying continuous casting, which facilitates continuous production and property control, perpendicular to the substrate growth direction. The present invention provides a solar cell silicon substrate direct manufacturing apparatus using a continuous casting method that can easily control the grain size and at the same time, and a silicon substrate manufacturing method for the solar cell using the same.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 장치는 실리콘 용융 도가니로서 일측에 수평방향의 토출홈이 형성되어 있으며, 실리콘이 용융되는 용융부; 상기 용융부를 가열하기 위한 가열부; 용융된 실리콘이 상기 용융부의 토출홈을 통과하여 플레이트(plate) 형의 실리콘 기판으로 주조되는 주조 공간부, 상기 플레이트(plate) 형의 실리콘 기판이 냉각되어 고화(solidification)되는 냉각 응고부, 상기 냉각 응고부의 끝단에 위치하여, 냉각 응고 고화된 실리콘 기판을 수평으로 이송시키는 이송부를 포함한다. Solar cell silicon substrate direct manufacturing apparatus using a continuous casting method according to the present invention for achieving the above object is a silicon melting crucible is formed with a discharge groove in the horizontal direction on one side, the melting portion silicon is melted; A heating part for heating the melting part; A casting space part in which molten silicon is passed through a discharge groove of the melting part to be cast into a plate-type silicon substrate, a cooling solidification part in which the plate-type silicon substrate is cooled and solidified, and the cooling Located at the end of the solidification portion, and includes a transfer unit for transporting the cooled solidified silicon substrate horizontally.

본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 직접 제조 장치를 통하면, 태양전지용 실리콘 기판은 용융부에서 용융된 실리콘이 토출홈을 통하여 수평 방향으로 토출되어 주조 공간부에서 플레이트형의 실리콘 기판으로 주조되고, 주조된 플레이트형의 실리콘 기판이 냉각 응고부의 끝단에 접촉되는 더미 플레이트에 의해 연속적으로 고화되어 이송되는 과정으로 제조될 수 있다.Through the silicon substrate direct manufacturing apparatus using the continuous casting method according to the present invention, the silicon substrate for solar cells is cast into a plate-type silicon substrate in the casting space by discharging the silicon melted in the molten portion in the horizontal direction through the discharge groove The cast plate-type silicon substrate may be manufactured by a process of continuously solidifying and transferring the dummy plate in contact with the end of the cooling solidification part.

이때, 상기 더미 플레이트 및 고화된 실리콘 기판의 이송 속도는 실리콘의 고화 속도와 일치하며, 실리콘 고화를 위한 고-액 계면은 기판성장방향과 수직방향으로 형성된다. At this time, the transfer speed of the dummy plate and the solidified silicon substrate coincides with the solidification rate of silicon, and the solid-liquid interface for solidification of silicon is formed in the direction perpendicular to the substrate growth direction.

상기 용융부에는 가압을 통하여 용융 실리콘의 토출을 유도하는 아르곤과 같은 불활성 가스가 공급될 수 있다. 또한, 상기 더미 플레이트 내부를 관통하여 형성되는 복수의 가스 흡입 홀(suction hole)을 통하여 가스를 흡입(suction)함으로써 초기에 상기의 불활성 가스에 의한 가압과 함께 용융 실리콘의 토출이 유도될 수 있다. The molten part may be supplied with an inert gas such as argon that induces ejection of molten silicon through pressurization. In addition, by discharging the gas through a plurality of gas suction holes formed through the inside of the dummy plate, discharge of molten silicon may be induced together with the pressurization by the inert gas.

상기 제시한 제조 장치를 이용한 태양전지용 실리콘 기판 제조 방법은 (a)용융부에 실리콘 원료를 장입하고, 가열부를 이용하여 장입된 실리콘 원료를 용융시키는 단계; (b)상기 용융부 일측의 토출홈을 통하여 용융 실리콘을 수평방향으로 토출하는 단계; (c)주조 공간부 내부의 주조 공간에서 플레이트형 실리콘 기판을 주조하는 단계; (d)냉각 응고부에서 주조된 실리콘 기판을 냉각하고 및 더미 플레이트의 끝단으로부터 연속적으로 고화(solidification)시키는 단계; 및 (e)상기 더미 플레이트 및 고화된 실리콘을 수평방향으로 이송하는 단계를 포함한다. The method of manufacturing a silicon substrate for a solar cell using the above-described manufacturing apparatus includes (a) charging a silicon raw material into a melting part and melting the silicon raw material charged using a heating part; (b) discharging molten silicon in a horizontal direction through discharge grooves on one side of the melter; (c) casting the plate-shaped silicon substrate in the casting space inside the casting space portion; (d) cooling the cast silicon substrate in the cooling solidification and continuously solidifying from the end of the dummy plate; And (e) transferring the dummy plate and the solidified silicon in a horizontal direction.

상기 (a)단계에서 용융부에는 가압을 통하여 용융 실리콘의 토출을 유도하는 불활성 가스가 대략 700~900sccm의 유량으로 공급될 수 있으며, 이와 함께 초기 주조 공간부에 배치되는 더미 플레이트 내부를 관통하여 형성되는 복수의 가스 흡입 홀(gas suction hole)을 통한 가스 흡입이 더 이루어질 수 있다. In step (a), the inert gas, which induces the discharge of molten silicon through pressurization, may be supplied at a flow rate of approximately 700 to 900 sccm, and is formed through the inside of the dummy plate disposed in the initial casting space. Gas suction through a plurality of gas suction holes may be further made.

그리고 상기 (d)단계의 실리콘의 고화 속도는 상기 (e)단계의 고화된 실리콘의 이송 속도와 일치한다.And the solidification rate of the silicon of step (d) coincides with the transfer rate of the solidified silicon of step (e).

본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 장치는 생산성 및 물성제어가 용이한 연속주조법을 이용하여 태양전지용 실리콘 기판 제조의 생산성을 높일 수 있으며, 제조되는 실리콘 기판의 결정 성장 방향이 도 4에 도시한 바와 같이 기판의 성장 방향과 수평하게 유지되어 최종 형성된 실리콘 기판의 결정립 크기가 큰 장점이 있다. The silicon substrate direct manufacturing apparatus for a solar cell using the continuous casting method according to the present invention can increase the productivity of the silicon substrate for solar cell manufacturing by using the continuous casting method that is easy to control productivity and physical properties, and the crystal growth direction of the silicon substrate to be manufactured is also improved. As shown in FIG. 4, the grain size of the finally formed silicon substrate is maintained to be parallel to the growth direction of the substrate.

또한, 기판성장방향과 수직방향으로 형성되는 고-액 계면을 유지함으로써 에너지 변환 효율에 악영향을 미치는 불순물들을 지속적으로 용융 실리콘 쪽으로 이동시킬 수 있다. 이동된 불순물은 용융 실리콘으로 지속적으로 빠져나와 결과적으로 제조된 실리콘 기판의 고순도를 유지할 수 있다. In addition, by maintaining the solid-liquid interface formed perpendicular to the substrate growth direction, impurities that adversely affect the energy conversion efficiency can be continuously moved toward the molten silicon. The migrated impurities can continue to escape into the molten silicon to maintain the high purity of the resulting silicon substrate.

따라서, 본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 장치를 이용하여 제조된 실리콘 기판은 태양전지용 기판에 적용할 경우, 저비용의 기판으로 높은 에너지 변환효율을 얻을 수 있다. Therefore, the silicon substrate manufactured using the silicon substrate direct manufacturing apparatus for solar cells using the continuous casting method according to the present invention can obtain a high energy conversion efficiency to a low cost substrate when applied to the solar cell substrate.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 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 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the examples described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the examples disclosed below, but may be implemented in various forms, and only the examples are intended to complete the disclosure of the present invention and those skilled in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the scope of the invention, and the invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 장치 및 이를 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a solar cell silicon substrate direct manufacturing apparatus using a continuous casting method according to the present invention and a solar cell silicon substrate direct manufacturing method using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

용융된 실리콘으로부터 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조시, 그 생산성은 실리콘의 고화(solidification) 속도에 의해 결정되고, 에너지 변환 효율은 실리콘 기판의 미세구조에 따라 결정되는데, 고화 속도가 빠를수록 생산성이 높으며, 결정립의 크기가 클수록 에너지 변환 효율을 높일 수 있는 고품질화가 된다. In the manufacture of silicon substrates for solar cells directly from molten silicon, the productivity is determined by the solidification rate of silicon, and the energy conversion efficiency is determined by the microstructure of the silicon substrate. The faster the solidification rate, the higher the productivity. The larger the grain size, the higher the quality of the energy conversion efficiency can be.

도 4는 본 발명이 적용되는 연속주조법을 이용한 응고 방식과 미세구조를 나타낸 것이다. Figure 4 shows the solidification method and the microstructure using the continuous casting method to which the present invention is applied.

도 4를 참조하면, 실리콘 기판 제조시 실리콘 결정 성장 방향이 제조되는 실리콘 기판의 성장 방향과 수평하게 유지된다. 따라서, 도 4의 오른쪽 그림에 도시된 바와 같이, 최종 실리콘 기판의 결정립의 크기가 클 뿐만 아니라, 실리콘 고화 과정에서 생성되는 수직 고액 계면에 의해 융융 실리콘에 포함되어 있는 불순물이 용융 실리콘(Si liquid) 쪽으로 이동하여 고품질의 실리콘 기판을 제조할 수 있다. Referring to FIG. 4, when the silicon substrate is manufactured, the silicon crystal growth direction is kept horizontal with the growth direction of the silicon substrate to be manufactured. Accordingly, as shown in the right figure of FIG. 4, not only the grain size of the final silicon substrate is large, but also impurities contained in the molten silicon are dissolved in the molten silicon due to the vertical solid-liquid interface generated during the silicon solidification process. Can be made to produce high quality silicon substrates.

또한, 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조의 경우, 주조부와의 접촉을 통한 급냉으로 고화 속도를 빠르게 할 수 있으며, 또한 더미 플레이트의 이송 속도를 제어함으로서 실리콘 기판의 생산성을 높일 수 있다.In addition, in the case of direct manufacturing of a silicon substrate for a solar cell using the continuous casting method, the solidification speed can be increased by quenching through contact with the casting part, and the productivity of the silicon substrate can be improved by controlling the transfer speed of the dummy plate.

따라서, 본 발명에 적용되는 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 기술은 종래의 수직 성장기술 및 수평 성장기술에서 상충하였던 생산성 및 품질을 모두 높일 수 있으며, 이에 따라, 가격 경쟁력이 요구되면서도 높은 에너지 변환효율을 필요로 하는 태양전지용 기판에 적용 가능한 장점이 있다. Therefore, the direct manufacturing technology of the silicon substrate for solar cells using the continuous casting method applied to the present invention can increase both the productivity and the quality which were conflicted with the conventional vertical growth technology and the horizontal growth technology, and thus, the price competitiveness is required and high energy. There is an advantage that can be applied to a substrate for a solar cell that requires conversion efficiency.

실리콘 기판 직접 제조 장치Silicon Substrate Direct Manufacturing Equipment

도 5는 본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 장치를 개략적으로 도시한 것이다.Figure 5 schematically shows a silicon substrate direct manufacturing apparatus for a solar cell using a continuous casting method according to the present invention.

도 5는 도시된 실리콘 제조 장치(300)는 용융 실리콘이 형성되는 용융부(310), 용융부를 가열하기 위한 가열부(312), 용융 실리콘이 고화(solidification)되는 주조부(320) 및 고화된 실리콘 기판이 이송되는 이송부(330)를 포함한다.FIG. 5 illustrates a silicon manufacturing apparatus 300 including a melting part 310 in which molten silicon is formed, a heating part 312 for heating the melting part, a casting part 320 in which molten silicon is solidified, and solidified. And a transfer part 330 to which the silicon substrate is transferred.

용융부(310)는 실리콘 용융 도가니로서, 용융부(310)에는 실리콘 원료가 장입되며, 측면 등에 배치되는 히터나 유도코일, 플라즈마, 이빔(e-beam) 장치 등과 같은 가열부(312)를 통하여 가열되어, 내부에 장입되는 실리콘 원료를 용융시킨다. 이 때, 실리콘의 용융방식에는 제한이 없으나, 유도코일을 이용한 유도용융방식을 이용하는 것이 바람직하다.The melting part 310 is a silicon melting crucible, and a silicon raw material is charged into the melting part 310, and is heated through a heating part 312 such as a heater, an induction coil, a plasma, an e-beam device, or the like disposed on the side surface. It heats and melts the silicon raw material charged in the inside. At this time, the melting method of silicon is not limited, but it is preferable to use an induction melting method using an induction coil.

용융부(310)의 일측에는 수평방향의 토출홈(314)이 형성되어 있으며, 상기 토출홈(314)을 통하여 용융부(310) 내부에서 용융된 실리콘이 주조부(320)의 실리 콘 주조 공간부(325)에 마련된 실리콘 주조 공간(321)로 토출된다. Discharge grooves 314 in a horizontal direction are formed at one side of the melting part 310, and silicon melted in the casting part 320 by silicon melted in the melting part 310 through the discharge grooves 314. Discharged into the silicon casting space 321 provided in the portion 325.

상기 토출홈(314)은 100~500㎛의 두께로 이루어질 수 있다. 토출홈의 두께는 제조되는 실리콘 기판의 두께를 결정하며, 연속주조시 생산성을 결정하게 된다. 토출홈이 100㎛ 미만일 경우, 수직방향의 고-액 계면 제어가 어렵고, 응고된 기판의 기계적 강도가 저하되어 연속 생산시 실리콘 기판이 파손될 염려가 있어 공정제어가 어려워지는 문제점이 있다. 점도를 낮추어 용융 실리콘의 유동성을 높이기 위하여, 토출홈(314)을 통하여 토출되는 용융 실리콘의 온도는 실리콘 용융온도(1414℃)보다 약간 높은 1450~1500℃에서 조절되는 것이 바람직하다. The discharge groove 314 may be made of a thickness of 100 ~ 500㎛. The thickness of the discharge groove determines the thickness of the silicon substrate to be manufactured, and determines the productivity during continuous casting. If the discharge groove is less than 100㎛, it is difficult to control the solid-liquid interface in the vertical direction, the mechanical strength of the solidified substrate is lowered, there is a fear that the silicon substrate may be damaged during continuous production, the process control is difficult. In order to increase the fluidity of the molten silicon by lowering the viscosity, the temperature of the molten silicon discharged through the discharge groove 314 is preferably controlled at 1450 to 1500 ° C slightly higher than the silicon melting temperature (1414 ° C).

한편, 토출홈(314)의 두께가 500㎛를 초과할 경우, 고-액 계면 제어가 상대적으로 용이하나 응고시간이 길어져 생산속도가 낮아진다는 단점이 있다. 따라서 상기 토출홈은 100~500㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하고, 고-액 계면의 용이한 제어와 높은 생산성을 얻기 위해 200~300㎛의 두께가 보다 바람직하다. On the other hand, when the thickness of the discharge groove 314 exceeds 500㎛, it is relatively easy to control the solid-liquid interface, but there is a disadvantage that the solidification time is long, the production speed is lowered. Therefore, the discharge groove is preferably formed to a thickness of 100 ~ 500㎛, more preferably 200 ~ 300㎛ thickness in order to obtain easy control and high productivity of the solid-liquid interface.

용융부(310)에는 아르곤(Ar) 가스와 같은 불활성 가스가 공급될 수 있다. 공급되는 불활성 가스는 용융부(310) 내부를 가압하여, 토출홈(314)을 통한 용융 실리콘의 토출을 유도하는 역할을 한다. 토출홈(314)을 통하여 토출되는 용융 실리콘의 온도가 낮을수록 유동성이 낮아지게 되므로 불활성 가스에 의한 가압은 더 크게 이루어지고, 반대로, 용융실리콘의 온도가 높을수록 유동성이 높아지게 되므로 불활성 가스에 의한 가압은 상대적으로 작게 이루어질 수 있다. An inert gas such as argon (Ar) gas may be supplied to the melting part 310. The supplied inert gas pressurizes the inside of the melting part 310 to induce discharge of molten silicon through the discharge groove 314. The lower the temperature of the molten silicon discharged through the discharge groove 314, the lower the fluidity, so the pressurization by the inert gas is made larger, on the contrary, the higher the temperature of the molten silicon, the higher the fluidity becomes, so pressurized by the inert gas Can be made relatively small.

이때, 공급되는 불활성 가스의 유량이 증가할수록 불활성 가스에 의한 압력이 증가된다. 이때, 불활성 가스에 의한 압력이 증가할수록 토출 유도 효과를 높일 수 있으나, 불활성 가스로 인한 압력이 너무 높은 경우, 실리콘 용탕 내부로 기공을 형성하여 최종적으로 제조된 기판의 밀도를 저하시킬 수 있다. 따라서, 불활성 가스는 700~900sccm의 유량범위에서 조절되는 것이 바람직하다. 불활성 가스의 공급 유량이 700sccm 미만일 경우, 가압 효과가 작아 용융 실리콘의 토출이 이루어지기 어려우며, 불활성 가스의 공급 유량이 900sccm을 초과할 경우, 상술한 바와 같이 실리콘 용탕 내부로 기공을 형성하여 제조된 실리콘 기판의 밀도를 저하시킬 수 있다. At this time, the pressure by the inert gas increases as the flow rate of the supplied inert gas increases. In this case, as the pressure by the inert gas increases, the discharge induction effect may be increased. However, when the pressure due to the inert gas is too high, pores may be formed into the silicon melt to reduce the density of the finally manufactured substrate. Therefore, the inert gas is preferably controlled in the flow range of 700 ~ 900sccm. When the supply flow rate of the inert gas is less than 700sccm, it is difficult to discharge the molten silicon due to the small pressurization effect, and when the supply flow rate of the inert gas exceeds 900sccm, the silicon produced by forming pores in the silicon melt as described above The density of a board | substrate can be reduced.

불활성 가스에 의한 가압은 상기와 같은 이유로 압력범위에 제한이 있으므로, 불활성 가스에 의한 가압만으로는 용융 실리콘의 토출 유도가 완전히 이루어지지 않을 수 있다. 이러한 문제는 주조부(320)에 배치되는 더미 플레이트(322) 내부를 관통하여 복수의 가스 흡입 홀(gas suction hole, 도 6의 610)을 형성함으로써 해결될 수 있다. 이 경우 더미 플레이트(322)는 초기에 토출홈(314)에 연결되며, 불활성 가스에 의한 가압과 더미 플레이트 내부의 복수의 가스 흡입 홀(610)을 통한 주조부(320) 방향으로의 가스흡입이 동시에 이루어져 용융 실리콘의 토출 유도 효과를 높일 수 있다. Since the pressurization by the inert gas has a limitation in the pressure range for the same reason as above, only pressurization by the inert gas may not completely induce discharge of molten silicon. This problem may be solved by forming a plurality of gas suction holes 610 of FIG. 6 by penetrating the inside of the dummy plate 322 disposed in the casting part 320. In this case, the dummy plate 322 is initially connected to the discharge groove 314, and the pressurization by the inert gas and the gas suction toward the casting part 320 through the plurality of gas suction holes 610 inside the dummy plate are prevented. At the same time, the effect of inducing discharge of molten silicon can be enhanced.

불활성 가스는 도 3에 도시된 바와 같이, 실리콘 원료와 동일 공간을 통하여 함께 용융부(310)로 공급될 수 있다. 또한 불활성 가스는, 도면에는 도시되지 않았으나 실리콘 원료가 공급되는 부분과 분리된 다른 공간을 통하여 용융부(310) 내부로 분리 공급될 수 있다. As shown in FIG. 3, the inert gas may be supplied to the melting unit 310 through the same space as the silicon raw material. In addition, the inert gas may be separately supplied to the inside of the melting part 310 through another space separated from the portion to which the silicon raw material is supplied although not shown in the drawing.

주조부Casting

주조부(320)는 용융부(310)의 측면에 배치되며, 도 6에 도시된 바와 같이, 내부에 용융부(310)에 형성된 토출홈(314)과 수평으로 연결되는 플레이트(plate) 형의 실리콘 기판 주조 공간(321)이 형성되어 있다. 실리콘 기판 주조 공간(321)은 제조되는 실리콘 기판의 크기를 결정하는 부분으로, 상기 실리콘 기판 주조 공간(321)에서 용융 실리콘이 냉각되어 고화(solidification)된다. The casting part 320 is disposed at a side surface of the melting part 310, and as shown in FIG. 6, a plate-type plate horizontally connected to the discharge groove 314 formed in the melting part 310 therein. The silicon substrate casting space 321 is formed. The silicon substrate casting space 321 determines a size of a silicon substrate to be manufactured, and molten silicon is cooled and solidified in the silicon substrate casting space 321.

주조부(320)는 용융 실리콘을 플레이트형의 실리콘 기판으로 주조하기 위한 주조 공간(321)이 마련되어 있는 주조 공간부(325)와 주조된 실리콘 기판을 냉각하여 고화시키기 위한 냉각 응고부(326)로 구분될 수 있으며, 냉각 응고부(326)는 다시 실리콘 기판을 냉각하여 응고하기 위한 응고부와 응고된 실리콘 기판에 남아있는 응력을 해소하기 위한 응력해소부로 구분될 수 있다. The casting part 320 includes a casting space part 325 having a casting space 321 for casting molten silicon into a plate-shaped silicon substrate and a cooling solidification part 326 for cooling and solidifying the cast silicon substrate. The cooling solidification unit 326 may be divided into a solidification unit for cooling and solidifying the silicon substrate and a stress release unit for releasing the stress remaining on the solidified silicon substrate.

냉각 응고부(326)에서 응고부는 용융 실리콘으로부터 열을 빼앗아 응고시키는 역할을 한다. 이때, 용융 실리콘의 상부 및 하부에서의 열이동량을 균일하게 하여 고-액 계면을 수직으로 형성하는 것이 바람직하다. In the cooling solidification unit 326, the solidification unit takes heat from the molten silicon and serves to solidify it. At this time, it is preferable to form a solid-liquid interface vertically by making the amount of heat transfer at the top and the bottom of the molten silicon uniform.

냉각 응고부(326) 내부 공간의 두께는 상부측으로 주조 공간부(325) 내부 주조 공간(321)의 두께보다 두껍게 형성되는 것이 바람직하다. 이는 실리콘 기판이 고화된 후 고화된 실리콘 기판 내에 남아있는 열응력을 해소하기 위한 최소한의 공간을 확보하기 위함이다. 또한, 냉각 응고부(326)에서 응력해소부는 응고부와 별도로 온도제어가 이루어지고, 기판성장방향으로 온도 구배(gradient)를 갖도록 설계되는 것이 바람직하다. 이는, 기판에 남아있는 열응력을 상부방향으로 효과적으로 빠져나갈 수 있도록 하기 위함이다. It is preferable that the thickness of the internal space of the cooling solidification part 326 is formed to be thicker than the thickness of the internal casting space 321 of the casting space part 325. This is to ensure a minimum space for releasing the thermal stress remaining in the solidified silicon substrate after the silicon substrate is solidified. In addition, in the cooling solidification unit 326, the stress releasing unit is designed to have temperature control separately from the solidification unit and to have a temperature gradient in the substrate growth direction. This is to effectively escape the thermal stress remaining in the substrate in the upward direction.

이때, 실리콘 기판 주조 공간(321)에는 더미 플레이트(dummy plate, 322)가 배치된다. 더미 플레이트(322)의 끝단은 용융 실리콘을 고화하기 위한 고-액 계면의 시작점을 제공하여, 더미 플레이트(322)의 끝단으로부터 고-액 계면이 형성되면서 용융 실리콘이 고화가 연속적으로 이루어진다. In this case, a dummy plate 322 is disposed in the silicon substrate casting space 321. The end of the dummy plate 322 provides the starting point of the solid-liquid interface for solidifying the molten silicon, so that the molten silicon is continuously solidified while the solid-liquid interface is formed from the end of the dummy plate 322.

고-액 계면에서 불순물은 용융 실리콘 쪽으로 수평방향으로 이동하게 된다. 종래에는 불순물이 수직방향으로 이동하여 제조된 실리콘 기판 표면에 불순물이 포함되어 기판의 품질 저하가 발생하여, 태양전지 기판으로 이용할 경우 낮은 에너지 변환효율의 원인이 되었으나, 본 발명에서는 종래와 달리 불순물이 수평방향으로 이동함으로써 제조된 실리콘 기판 표면에 불순물이 포함되지 않게 되어 고품질의 실리콘 기판을 통한 에너지 변환 효율 향상에 기여할 수 있게 된다. At the solid-liquid interface, impurities migrate horizontally towards the molten silicon. Conventionally, impurities are included in the surface of a silicon substrate manufactured by moving impurities in a vertical direction, thereby degrading the quality of the substrate, which causes low energy conversion efficiency when used as a solar cell substrate. By moving in the horizontal direction, the surface of the manufactured silicon substrate is free of impurities, thereby contributing to the improvement of energy conversion efficiency through the high quality silicon substrate.

이송부Conveying part

도 7은 도 5에서 "A"로 표시된 부분을 나타내는 것으로서, 도 7을 참조하면 고화(고상화)가 진행되는 방향과 고화된 실리콘의 이송 방향은 서로 반대방향이 된다. FIG. 7 illustrates a portion indicated by “A” in FIG. 5. Referring to FIG. 7, a direction in which solidification (solidification) proceeds and a transfer direction of solidified silicon become opposite directions.

도 8은 더미 플레이트 및 고화된 실리콘이 이송되는 과정을 개략적으로 도시한 것이다. 8 schematically illustrates a process of transferring the dummy plate and the solidified silicon.

이송부(330)는 주조부(320), 구체적으로는 냉각 응고부(326)의 끝단에 위치하며, 주조부(320)에서 고화된 실리콘을 수평으로 이송시킨다. 이를 위해, 이송 부(330)는 도 5 및 도 8에 도시된 바와 같이, 서로 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 롤러(331,332)로 이루어질 수 있다. The transfer part 330 is positioned at the end of the casting part 320, specifically, the cooling solidification part 326, and horizontally transfers the solidified silicon from the casting part 320. To this end, the transfer unit 330 may be formed of a pair of rollers 331 and 332 rotating in opposite directions as shown in FIGS. 5 and 8.

이때, 이송부(330)에 마련되는 롤러들(331,332)의 구동을 통하여 고화된 실리콘이 이송되는 속도는 상기 실리콘의 고화 속도와 일치하도록 제어된다. 이를 통하여, 고화가 이루어지는 위치, 즉 고-액 계면이 형성되는 위치는 더미 플레이트(322)의 끝단의 위치로, 연속주조가 이루어지는 동안 일정하게 된다. At this time, the speed at which the solidified silicon is transferred through the driving of the rollers 331 and 332 provided in the transfer part 330 is controlled to match the solidification speed of the silicon. Through this, the position where the solidification takes place, that is, the position where the solid-liquid interface is formed is a position at the end of the dummy plate 322, which is constant during the continuous casting.

실리콘 기판 제조 방법Silicon substrate manufacturing method

상술한 실리콘 기판 직접 제조 장치(300)를 이용하여 실리콘 기판을 제조하는 과정을 요약하면 다음과 같다. A process of manufacturing a silicon substrate using the silicon substrate direct manufacturing apparatus 300 described above is as follows.

우선, 용융부(310)에 실리콘 원료를 장입하고, 히터(312) 또는 유도 코일, 플라즈마, 이빔 등을 통하여 용융부(310) 내부의 온도를 높여 실리콘 원료를 용융시킨 후, 용융부(310) 일측에 형성된 토출홈(314)을 통하여 용융 실리콘을 수평방향으로 주조부(320)의 주조 공간부(325)에 마련된 실리콘 주조 공간(321)으로 토출한다. First, the silicon raw material is charged into the melting part 310, the temperature of the inside of the melting part 310 is raised through a heater 312 or an induction coil, plasma, or e-beam to melt the silicon raw material, and then the melting part 310 is formed. The molten silicon is discharged to the silicon casting space 321 provided in the casting space 325 of the casting part 320 in the horizontal direction through the discharge groove 314 formed on one side.

용융 실리콘은 점도를 낮추어 용융 실리콘의 유동성을 높이기 위하여, 1450~1500℃의 온도에서 토출되는 것이 바람직하다. Molten silicon is preferably discharged at a temperature of 1450 ~ 1500 ℃ in order to lower the viscosity to increase the fluidity of the molten silicon.

이때, 용융 실리콘의 토출 유도는 용융부(310)에 아르곤 가스와 같은 불활성 가스의 공급을 통한 가압으로 이루어질 수 있다. 불활성 가스로 인한 압력이 너무 높은 경우, 실리콘 용탕 내부로 기공을 형성하여 최종적으로 제조된 기판의 밀도를 저하시킬 수 있으므로, 불활성 가스는 대략 700~900sccm의 유량으로 공급되는 것이 바람직하다. In this case, the discharge induction of the molten silicon may be made by pressurizing the molten part 310 by supplying an inert gas such as an argon gas. If the pressure due to the inert gas is too high, it is preferable to supply the inert gas at a flow rate of approximately 700 to 900 sccm because pores may be formed in the molten silicon to reduce the density of the finally produced substrate.

또한, 용융 실리콘의 토출 효과를 높이기 위하여, 상기 불활성 가스의 가압과 함께 더미 플레이트(322)에 형성된 복수의 가스 흡입 홀(도 6의 610)을 통한 가스 흡입을 이용할 수 있다. In addition, in order to increase the discharging effect of the molten silicon, gas suction through the plurality of gas suction holes (610 of FIG. 6) formed in the dummy plate 322 together with pressurization of the inert gas may be used.

다음으로, 주조부(320)에서 용융 실리콘이 플레이트형 실리콘 기판으로 주조된 후 냉각 응고되는데, 주조부(320)에 배치되는 더미 플레이트(322)의 끝단에서부터 연속적으로 실리콘의 고화가 진행된다. 이 때, 주조부(320)의 냉각 응고부를 통해 실리콘의 고-액 계면을 수직으로 유지하면서 응고가 진행되고, 응고된 실리콘 기판의 열응력이 해소된다.Next, the molten silicon is cast into the plate-type silicon substrate in the casting part 320 and then cooled and solidified. The solidification of the silicon proceeds continuously from the end of the dummy plate 322 disposed in the casting part 320. At this time, solidification proceeds while maintaining the solid-liquid interface of silicon vertically through the cooling solidification part of the casting part 320, and thermal stress of the solidified silicon substrate is released.

다음으로, 이송부(330)를 통하여 더미 플레이트(322) 및 고화된 실리콘이 수평방향으로 이송된다. 이때, 용융 실리콘의 고화 속도는 더미 플레이트(322) 및 고화된 실리콘의 이송 속도와 동일한 속도로 이루어져 실리콘 기판의 연속주조가 이루어지게 된다. Next, the dummy plate 322 and the solidified silicon are transferred in the horizontal direction through the transfer unit 330. At this time, the solidification rate of the molten silicon is made at the same speed as the transfer rate of the dummy plate 322 and the solidified silicon is a continuous casting of the silicon substrate.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 제조 방법은 생산성 및 품질을 향상시킬 수 있어, 태양전지용 기판에 적용이 가능하다. As described above, the silicon substrate manufacturing method using the continuous casting method according to the present invention can improve the productivity and quality, can be applied to a solar cell substrate.

이상에서는 본 발명의 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다. In the above description, the example of the present invention has been described, but various changes and modifications can be made by those skilled in the art. Such changes and modifications may belong to the present invention without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention will be determined by the claims described below.

도 1은 종래의 단결정 실리콘 잉곳을 이용한 실리콘 기판의 제조 공정을 나타낸 것이다.Figure 1 shows a manufacturing process of a silicon substrate using a conventional single crystal silicon ingot.

도 2는 종래의 다결정 실리콘 블록을 이용한 실리콘 기판의 제조 공정을 나타낸 것이다.2 shows a manufacturing process of a silicon substrate using a conventional polycrystalline silicon block.

도 3은 종래의 급속응고법의 응고 방식 및 제조된 실리콘 기판의 미세 구조를 나타낸 것이다.Figure 3 shows the conventional solidification method of the rapid solidification method and the microstructure of the manufactured silicon substrate.

도 4는 본 발명이 적용되는 연속주조법을 이용한 응고 방식과 미세구조를 나타낸 것이다. Figure 4 shows the solidification method and the microstructure using the continuous casting method to which the present invention is applied.

도 5는 본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.5 schematically shows a method of manufacturing a silicon substrate using a continuous casting method according to the present invention.

도 6은 도 5의 주조부를 나타낸 것이다.6 illustrates the casting part of FIG. 5.

도 7은 도 5의 "A"부분을 나타낸 것이다. FIG. 7 illustrates a portion “A” of FIG. 5.

도 8은 더미 플레이트 및 고화된 실리콘이 이송되는 과정을 개략적으로 도시한 것이다. 8 schematically illustrates a process of transferring the dummy plate and the solidified silicon.

Claims (17)

실리콘 용융 도가니로서 일측에 수평방향의 토출홈이 형성되어 있으며, 실리콘이 용융되는 용융부;A melt melting crucible having a discharge groove in a horizontal direction formed on one side thereof and melting silicon; 상기 용융부를 가열하기 위한 가열부; A heating part for heating the melting part; 용융된 실리콘이 상기 용융부의 토출홈을 통과하여 플레이트(plate) 형의 실리콘 기판으로 주조되는 주조 공간부; A casting space part in which molten silicon is cast into a plate-type silicon substrate through a discharge groove of the melting part; 상기 플레이트(plate) 형의 실리콘 기판이 냉각되어 고화(solidification)되는 냉각 응고부; 및A cooling coagulation unit in which the plate-type silicon substrate is cooled and solidified; And 상기 냉각 응고부의 끝단에 위치하여, 고화된 실리콘 기판을 수평으로 이송시키는 이송부를 포함하고,Located at the end of the cooling solidification portion, comprising a transfer unit for transporting the solidified silicon substrate horizontally, 상기 냉각 응고부에는 더미 플레이트(dummy plate)가 배치되어, 상기 더미 플레이트의 끝단에서부터 연속적으로 실리콘의 고화가 이루어지는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 직접 제조 장치. A dummy plate is disposed in the cooling solidification part, and the silicon substrate direct manufacturing apparatus using the continuous casting method, characterized in that the silicon is continuously solidified from the end of the dummy plate. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 더미 플레이트 및 고화된 실리콘의 이송 속도는 실리콘의 고화 속도와 일치하는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 직접 제조 장치. And the transfer speed of the dummy plate and the solidified silicon coincides with the solidification speed of the silicon. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 냉각 응고부는 주조된 실리콘 기판이 응고되는 응고부 및 응고된 실리콘 기판의 응력을 해소하는 응력해소부(Stress Release zone)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 직접 제조 장치. The cooling solidification unit is a silicon substrate direct manufacturing apparatus using a continuous casting method characterized in that it comprises a solidified portion to which the cast silicon substrate is solidified and a stress release zone (Stress Release zone) for releasing the stress of the solidified silicon substrate. 제3항에 있어서, The method of claim 3, 상기 응고부 및 응력해소부는 온도제어가 별도로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 직접 제조 장치.The solidification unit and the stress relief unit silicon substrate direct manufacturing apparatus using a continuous casting method characterized in that the temperature control is performed separately. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 냉각 응고부의 내부 공간은 상기 주조 공간부의 내부 공간보다 두껍게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 직접 제조 장치. The silicon substrate direct manufacturing apparatus using the continuous casting method, characterized in that the internal space of the cooling solidification portion is formed thicker than the internal space of the casting space portion. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 용융부에는 가압을 통하여 용융 실리콘의 토출을 유도하는 불활성 가스 가 공급되는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 직접 제조 장치. And a molten part is supplied with an inert gas to induce discharge of molten silicon through pressurization. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 더미 플레이트는 초기에 상기 토출홈에 연결되도록 배치되고, 내부를 관통하여 복수의 가스 흡입 홀(gas suction hole)이 형성되어, 상기 불활성 가스와 함께 용융 실리콘의 토출을 유도하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 직접 제조 장치. The dummy plate is initially disposed to be connected to the discharge groove, and a plurality of gas suction holes are formed through the inside to induce discharge of molten silicon together with the inert gas. Substrate direct manufacturing device. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 토출홈은 100~500㎛의 두께로 이루어진 것을 특징으로 하는 연속 주조법을 이용한 실리콘 기판 직접 제조 장치. The discharge groove is a silicon substrate direct manufacturing apparatus using a continuous casting method, characterized in that made of a thickness of 100 ~ 500㎛. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 가열부는 히터, 유도코일, 플라즈마 및 이빔 장치 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 직접 제조 장치. The heating unit is a silicon substrate direct manufacturing apparatus, characterized in that any one of a heater, induction coil, plasma and two-beam apparatus. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 이송부는 서로 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 롤러로 이루어진 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 직접 제조 장치. The transfer unit is a silicon substrate direct manufacturing apparatus using a continuous casting method, characterized in that consisting of a pair of rollers that rotate in opposite directions. 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 실리콘 기판 직접 제조 장치를 이용하여 제조된 태양전지용 실리콘 기판. The silicon substrate for solar cells manufactured using the silicon substrate direct manufacturing apparatus in any one of Claims 1-10. 제1항에 기재된 실리콘 기판 직접 제조 장치를 이용하여 실리콘 기판을 제조하는 방법에 있어서, In the method of manufacturing a silicon substrate using the silicon substrate direct manufacturing apparatus according to claim 1, (a)용융부에 실리콘 원료를 장입하고, 가열부를 이용하여 장입된 실리콘 원료를 용융시키는 단계;(a) charging a silicon raw material into a melting part, and melting the loaded silicon raw material using a heating part; (b)상기 용융부 일측의 토출홈을 통하여 용융 실리콘을 수평방향으로 토출하는 단계;(b) discharging molten silicon in a horizontal direction through discharge grooves on one side of the melter; (c)주조 공간부 내부의 주조 공간에서 플레이트형 실리콘 기판을 주조하는 단계;(c) casting the plate-shaped silicon substrate in the casting space inside the casting space portion; (d)냉각 응고부에서 주조된 실리콘 기판을 냉각하고 및 더미 플레이트의 끝단으로부터 연속적으로 고화(solidification)시키는 단계; 및(d) cooling the cast silicon substrate in the cooling solidification and continuously solidifying from the end of the dummy plate; And (e)상기 더미 플레이트 및 고화된 실리콘을 수평방향으로 이송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 제조 방법. (e) transferring the dummy plate and the solidified silicon in a horizontal direction, the method of manufacturing a silicon substrate using a continuous casting method. 제12항에 있어서, The method of claim 12, 상기 용융부에는 가압을 통하여 용융 실리콘의 토출을 유도하는 불활성 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 제조 방법. The melted part is a silicon substrate manufacturing method using a continuous casting method characterized in that the inert gas for inducing the discharge of molten silicon through the pressurized supply. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 불활성 가스는 700~900sccm의 유량으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 제조 방법.The inert gas is a silicon substrate manufacturing method using a continuous casting method characterized in that supplied at a flow rate of 700 ~ 900sccm. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 더미 플레이트 내부를 관통하여 형성되는 복수의 가스 흡입 홀(gas suction hole)을 통한 가스 흡입이 더 이루어지는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 제조 방법. And a gas suction through a plurality of gas suction holes formed through the dummy plate. 제12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 (b)단계에서 용융 실리콘은 1450~1500℃의 온도에서 토출되는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조 방법. In the step (b) the molten silicon is silicon substrate manufacturing method characterized in that the discharge at a temperature of 1450 ~ 1500 ℃. 제12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 (d)단계의 실리콘의 고화 속도는 상기 (e)단계의 고화된 실리콘의 이송 속도와 일치하는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 제조 방법. The silicon solidification rate of the step (d) is the silicon substrate manufacturing method using the continuous casting method, characterized in that the transfer rate of the solidified silicon of the step (e).
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101194846B1 (en) * 2010-06-14 2012-10-25 한국에너지기술연구원 Apparatus and method for manufacturing silicon thin plate using continuous casting
KR101281033B1 (en) * 2011-05-19 2013-07-09 한국에너지기술연구원 Manufacturing apparatus of silicon substrate for solar cell using continuous casting with easiness of temperature control and manufacturing method of silicon substrate using the same
KR101396474B1 (en) * 2011-05-12 2014-05-19 한국에너지기술연구원 Dual crucible for silicon melting which can recycle and manufacturing apparatus of silicon slim plate including the same
KR101483693B1 (en) * 2012-04-05 2015-01-19 한국에너지기술연구원 Apparatus for Manufacturing Silicon Substrate
KR101524070B1 (en) * 2013-03-29 2015-05-29 한국에너지기술연구원 Apparatus for Manufacturing Silicon Substrate

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101194846B1 (en) * 2010-06-14 2012-10-25 한국에너지기술연구원 Apparatus and method for manufacturing silicon thin plate using continuous casting
KR101396474B1 (en) * 2011-05-12 2014-05-19 한국에너지기술연구원 Dual crucible for silicon melting which can recycle and manufacturing apparatus of silicon slim plate including the same
KR101281033B1 (en) * 2011-05-19 2013-07-09 한국에너지기술연구원 Manufacturing apparatus of silicon substrate for solar cell using continuous casting with easiness of temperature control and manufacturing method of silicon substrate using the same
US8968471B2 (en) 2011-05-19 2015-03-03 Korea Institute Of Energy Research Apparatus for manufacturing silicon substrate for solar cell using continuous casting and having contacting solidification and stress relieving regions
KR101483693B1 (en) * 2012-04-05 2015-01-19 한국에너지기술연구원 Apparatus for Manufacturing Silicon Substrate
KR101524070B1 (en) * 2013-03-29 2015-05-29 한국에너지기술연구원 Apparatus for Manufacturing Silicon Substrate

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