KR20130115296A - 태양 전지용 게르마늄 농축형 실리콘 - Google Patents

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Abstract

다양한 등급의 실리콘 공급원료를 사용하여 실리콘 잉곳 및 실리콘 결정을 형성하는 기술이 기재된다. 공통적 특징은, 소정량의 게르마늄을 용융체에 첨가하고, 각각의 결정질 실리콘 물질의 실리콘 격자 내에 게르마늄을 내포시켜 결정화를 실행하는 것이다. 이렇게 내포된 게르마늄은 물질 강도의 증가와 전기적 성질의 향상을 포함하는, 각 실리콘 물질 특성의 향상을 가져온다. 이것은 그러한 물질을 태양 전지 제조 공정에 적용할 때, 그리고 그러한 태양 전지로부터 모듈을 제조할 때 긍정적 효과를 제공한다.

Description

태양 전지용 게르마늄 농축형 실리콘{GERMANIUM ENRICHED SILICON FOR SOLAR CELLS}
본 발명은, 예를 들어 저급 실리콘을 사용하여 실리콘과 같은 반도체 물질의 제조에 사용되는 방법과 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 다양한 등급의 공급원료 물질 및 게르마늄 고농도화(enrichment)를 이용하여, 향상된 기계적, 전기적 특성을 가진 실리콘 결정 또는 잉곳(ingot)을 형성하는 방법과 시스템에 관한 것이다.
우선권 주장
본 출원은 2010년 11월 24일에 출원된 미국 특허출원 제12/954,498호에 근거한 우선권을 주장하며, 상기 특허출원 내용은 전체가 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
관련 출원
미국 특허출원 제12/954,498호는 2008년 6월 16일에 출원된 미국 특허출원 제12/140,104호의 일부 계속 출원이며 그에 근거한 우선권을 주장한다. 미국 특허출원 제12/954,498은 또한 2009년 6월 16일에 출원되고 2010년 1월 14일에 국제출원공개 WO2010/005736호로서 공개되어 있는 국제 특허출원 PCT/US2009/047539호에 근거한 우선권을 주장하며, 상기 국제 특허출원 PCT/US2009/047539호는 미국 특허출원 제12/140,104호에 근거한 우선권을 주장한다.
광기전(PV) 산업은 급속히 성장하고 있으며, 집적회로(IC) 어플리케이션과 같은 보다 전통적인 용도 이상으로 소비되고 있는 실리콘의 양이 증가되는 요인이다. 오늘날, 태양 전지 공업의 실리콘 수요는 부분적으로 IC 공업의 실리콘 수요와 경쟁중이다. 현재의 제조 기술에 있어서, IC 공업과 PV 공업은 모두 실리콘 출발 물질 원료로서 정제되고, 정화된 실리콘 공급원료를 필요로 한다.
현재의 태양 전지용으로 대안적인 물질은, 예를 들면 IC 공업용으로 필요한 전자 등급(EG) 실리콘 공급원료와 같은 매우 청정한 미가공(raw) 실리콘을 기재로 하는 단결정 실리콘 웨이퍼로부터, 소위 태양 전지 등급(SOG) 실리콘 공급원료와 같은 청정도가 낮은 미가공 실리콘 또는 업그레이드된 야금학적 등급(UMG) 실리콘 공급원료라 불리는 더 낮은 품질의 물질을 기재로 하는 다결정(mc) 실리콘 웨이퍼까지 폭넓은 범위를 포함한다.
UMG 실리콘과 같은 PV 공업용 저급 공급원료 물질은 전형적으로 mc-실리콘의 잉곳 및 웨이퍼로 가공되는데, 궁극적인 태양 전지 관련 품질은 전형적으로는 그레인 경계(grain boundary), 기타 구조적 결함 및 비교적 높은 농도의 전이 금속과 같은 불순물에 의해 제어된다. 또한, 웨이퍼 벌크 중의 탄소 관련 결함과 산소 관련 결함은, 특히 금속과 결부되었을 때 셀 성질을 저하시킬 수 있다. 결함 범위가 넓은 몇몇 종(species)은 수소에 의해 부동태화되어 전기적 열화 포텐셜(degradation potential)이 감소될 수 있다.
EG 실리콘과 같은 태양 전지 공업용의 고급(higher-grade) 공급원료 물질은 전형적으로 단결정으로 가공되고, 이어서 단결정 구조를 가진 웨이퍼로 가공되는데, 궁극적인 태양 전지 관련 품질은 전술한 mc-실리콘의 경우와 유사한 불순물에 의해 제어된다. 실리콘의 단결정(이하에서, 결정이라 함)을 위한 성장 기술에는 두 가지 기술이 정착되어 있다. 월등히 주로 사용되는 기술은 초크랄스키(CZ) 기술로서, 여기서 CZ 결정은 석영 도가니에 들어있는 실리콘 용융체(melt)로부터 인상된다. 중급 내지 고급 공급원료 실리콘이 CZ 실리콘 용융체를 생성하는 데 사용된다. 더 정교한 다른 기술은 플로팅 존(floating zone; FZ) 기술로서, 여기서 FZ 결정은 고급 공급원료 실리콘으로 된 소위 공급봉(supply rod)을 통해 소형 멜트 존(melt zone)을 "부유"시킴으로써 성장된다. 소정량의 원소를 FZ 결정으로 만드는 한 가지 방법은 멜트 존을 생성하기 전에 공급봉으로의 소위 "필 도핑(pill doping)"이다. 전형적으로는, FZ 결정은 도가니를 필요로 하지 않기 때문에 CZ 결정보다 적은 불순물을 함유한다.
어느 경우에든, 실리콘은 실온에서 취성을 가지기 때문에, 태양 전지로부터 모듈을 제조하는 공정을 포함하여 웨이퍼와 태양 전지를 가공하고 취급하는 데에는 웨이퍼 파손이라는 일반적 문제가 있다. 따라서, 실리콘 웨이퍼 및 관련 태양 전지의 기계적 강도도, PV 공업에서는 전기적 성질 이외에 중요한 품질 인자이다. 이점은 단결정 물질 및 동일하게 다결정 잉곳 물질에 대해서도 마찬가지이다.
웨이퍼 파손은 크랙 형성 및 이어지는 전파(propagation)에 의해 시작된다. 크랙은, 특히 에지 및 코너에서, 예를 들면, 취급에 의해 유발되는 표면 상의 국소적 손상으로부터 비롯될 수 있다. 최근의 태양 전지 제조 기술은 그러한 상황을 피하기 위해 웨이퍼와 태양 전지를 세심하게 취급하고 가공한다. 벌크 실리콘의 고유한 재료 강도도 벌크 격자 결함(bulk lattice defect)의 함수이다. 특히 중요한 것은 국소적 인장 격자 변형을 발생하여 감소된 외력으로 내부 크랙 형성/전파(이상적 격자 구조에 대해)를 일으킬 수 있는 결함이다.
잉곳 수율이 양호하고, 태양 전지 품질에 관해 기계적, 전기적 성질이 향상된 UMG계 다결정 실리콘 물질을 제공하는 간편한 공정에 대한 요구가 존재한다. 그러한 공정은, 예를 들면 CZ 기술 또는 FZ 기술의 적용에 의해, 부분적으로 또는 전적으로 단결정 실리콘 물질의 제조에 사용되는 고급의 비-UMG 공급원료 실리콘으로 용이하게 전환될 수 있어야 한다.
본 발명의 목적은, 궁극적으로 태양 전지의 제조용으로 유용할 수 있는 실리콘의 결정화 기술을 제공하는 것이다. 본 발명은 다양한 태양 전지 어플리케이션에 사용하기 위한 향상된 전기적 및 기계적 물질 특성을 가진 실리콘 잉곳 또는 실리콘 결정을 제조하는 방법 및 시스템을 포함한다.
그 결과 얻어지는 태양 전지는 파손 위험성을 크게 염려하지 않고도 선적되고, 설치되고, 사용될 수 있다. 향상된 기계적 강도를 제공하는 것 이외에도, 관련 잉곳 또는 결정으로부터 얻어지는 실리콘 물질의 향상된 전기적 성질은, 임계 셀 효율에 도달하는 데 필요한 소정의 최소 레벨의 재조합 수명을 가진 잉곳/결정 부위로서 측정했을 때, 더 높은 잉곳/결정 수율로 인도할 수도 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 저급 실리콘 공급원료를 사용하기 위한 실리콘 잉곳 형성 방법 및 그와 관련된 시스템으로서, 저급 실리콘 공급원료 및 소정량의 게르마늄으로부터 용융된 용액을 도가니 장치 내에 형성하는 단계를 포함하는, 잉곳 형성 방법 및 시스템이 제공된다. 상기 방법 및 시스템은 도가니 내에 실리콘 잉곳을 형성하기 위한, 용융된 용액의 정상 응고(directional solidification) 공정을 실행한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 소정량의 게르마늄뿐만 아니라 소정량의 Ga를 다양한 등급의 실리콘 공급원료에 첨가하기 위한 실리콘 잉곳 형성 방법 및 관련 시스템이 제공된다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 고급 실리콘 공급원료 및 소정량의 게르마늄을 사용하기 위한 실리콘 결정 형성 방법 및 관련 시스템이 제공된다. 상기 방법 및 시스템은 실리콘 결정을 형성하기 위한, 용융된 용액의 결정화 공정을 실행한다.
하나의 경우에 있어서, 결정화 공정은 CZ 기술을 이용하여 달성되는데, 여기서 용융 및 이어지는 CZ 결정 인상 공정 전에 소정량의 게르마늄이 고급 실리콘 공급원료에 첨가된다.
또 다른 경우에 있어서, 결정화 공정은 FZ 기술을 이용하여 달성되는데, 여기서 FZ 결정 성장을 위해 플로팅 멜트 존을 적용하기 전에 소정량의 게르마늄이 고급 실리콘 공급봉에 부착된다.
소정량의 게르마늄은 순수한 형태로 첨가될 수 있다. 그것은 또한 순수한 실리콘-게르마늄 합금과 같은 화합물의 일부일 수 있다.
본 발명의 이러한 이점과 기타 이점뿐 아니라 추가적 신규의 특징은 본 명세서에 기재된 설명으로부터 명백할 것이다. 본 요약은 특허청구 주제의 포괄적 설명을 제시하려는 것이 아니고, 몇 가지 주제의 기능성에 대한 간략한 개요를 제공하려는 것이다. 본 명세서에서 제공되는 다른 시스템, 방법, 특징 및 이점들은 이하의 도면 및 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백할 것이다. 그러한 추가적 시스템, 방법, 특징 및 이점들은 모두 본 명세서에 포함되는 것이며, 첨부되는 특허청구범위에 포함되어야 할 것이다.
본 발명에 의하면, 다양한 태양 전지 어플리케이션에 사용할 수 있는 향상된 전기적 및 기계적 물질 특성을 가진 실리콘 잉곳 또는 실리콘 결정의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 특징, 본질 및 이점은 도면을 참조하여, 이하에 제시되는 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이며, 도면에서 참조 번호는 도면 전체에 걸쳐 대응하여 일관성 있게 표시된다.
도 1은 실리콘 잉곳의 형성 단계로 시작되는, 태양 전지를 형성하는 종래 기술의 일반적 공정의 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 향상된 특성을 가진 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 공정 흐름을 개념적으로 나타낸다.
도 3은 정상 응고 잉곳 형성 공정을 위한 저급의 미가공 실리콘 공급원료를 사용하는, 본 발명의 일 구현예에 대한 공정 흐름도이다.
도 4는 CZ 결정 인상 공정을 위한 고급 미가공 실리콘 공급원료를 사용하는, 본 발명의 일 구현예에 대한 공정 흐름도이다.
도 5는 FZ 결정 성장 공정을 위한 고급 미가공 실리콘 공급원료로 된 공급봉을 사용하는, 본 발명의 일 구현예에 대한 공정 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 향상된 특성을 가진 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 또 다른 공정 흐름을 개념적으로 나타낸다.
도 7은 기준 잉곳과 본 발명의 구현예를 이용하여 엔지니어링된 잉곳으로부터 테스트된 복수 개의 상이한 웨이퍼에 대한 파손 테스트 결과의 그래프이다.
도 8은 기준 잉곳과 본 발명의 구현예를 이용하여 엔지니어링된 잉곳으로부터 테스트된 복수 개의 상이한 웨이퍼에 대한 항복 전압(breakdown voltage) 테스트 결과의 그래프이다.
본 발명의 방법 및 시스템은 저순도 또는 고순도 실리콘 공급원료를 사용하여 실리콘 잉곳 또는 결정을 제조하는 반도체 잉곳 형성 방법을 제공한다. 본 발명에 개시된 주제를 이용하게 되면, 업그레이드된 야금학적 등급의 실리콘(UMG)과 같은 저급 반도체 물질로부터 형성된 잉곳의 성질이 향상된다. 그러한 향상은, 예를 들면, 태양열 발전에 적용하기 위한 태양 전지의 제조에 있어서, UMG 실리콘의 사용을 가능하게 한다. 본 발명의 방법 및 시스템은 또한, UMG 또는 다른 비-전자 등급 공급원료 물질을 사용하는 실리콘계 태양 전지의 형성에 특히 유리하다. 따라서, 본 발명은 이제까지 가능했던 것보다 많은 양으로, 더 많은 수의 제조 설비에서 태양 전지를 제조할 수 있게 할 것이다.
본 발명에 대한 설명을 위해, 도 1은 단계(12)에서 시작되는 공지의 공정(10)을 나타낸다. 공지의 공정 흐름도(10)는 단계(14)에서 MG 실리콘으로부터 고급 실리콘을 추출한다. 고급 실리콘 추출 단계(14)는 고비용 처리 시퀀스로서, EG 실리콘 또는 SOG 공급원료 품질로 불리는 약간 이완된 실리콘 품질을 초래한다. 그러한 실리콘은 단계(16)에서 잉곳을 제조하는 데 사용되는 타입의 실리콘 공급원료 물질이다. 공지의 공정 흐름(10)은, 일반적으로 단계(18)에서 실리콘 웨이퍼를 유도하는 와이어-소(wire-saw)를 사용하여 실리콘 잉곳을 슬라이싱하는 단계를 포함한다. 얻어지는 실리콘 웨이퍼는 이어서, 그 웨이퍼를 사용한 태양 전지 형성 공정(20)에 유입된다.
도 2는 일반적으로, 본 발명의 방법이 전반적 태양 전지 제조 공정 흐름도(30)에 통합될 수 있는지에 대한 새로운 측면을 나타낸다. 본 발명으로부터 발생되는 향상된 실리콘 잉곳 특성은, 더 큰 기계적 강도, 및 얻어지는 웨이퍼, 및 다양한 등급의 공급원료 물질 및 본 발명에서 개시되는 개르마늄 농축 단계를 이용하여 그에 따라 얻어지는 태양 전지의 재조합 수명과 같은 더 양호한 전기적 특성을 포함할 수 있다.
제조 흐름도(30)는, 어느 정도 정제되어UMG 실리콘으로 될 수 있는, 단계(32)에서 MG 실리콘을 사용하는 단계를 포함한다. 얻어지는 실리콘 품질은 여전히 저급 실리콘(34)에 해당한다. 따라서, 실리콘 품질(34)은 실리콘 품질(14)에 비해 훨씬 낮은 비용에 관계된다. 또한, 저급 실리콘 잉곳(34)은 실리콘 품질(14)에 비해 더 높은 함량의 금속 및 비금속 불순물을 포함한다. 본 발명은 얻어지는 잉곳 물질의 기계적 강도 및 전기적 성질을 향상시키기 위한 게르마늄(36)의 소정의 품질 및 소정량의 첨가 또는 증강을 포함한다. 실리콘과 게르마늄의 조합물은 가열되어 잉곳 형성 단계(38)의 초기 측면과 같은 실리콘 용융체가 형성된다.
단계(38)에서, 실리콘 형성 단계는, 예를 들면, 정상 응고 공정, CZ 결정 형성 공정, 또는 FZ 결정 형성 공정을 이용하여 이루어질 수 있다. 실제로 적용되는 게르마늄 농축에 의거한 결정화 조건의 조정에 의해 기계적 성질과 전기적 성질이 더욱 증강된다. 단계(40)는 실리콘 웨이퍼의 형성을 나타낸다. 최종적으로, 단계(42)에서 태양 전지 형성 공정이 이루어진다.
도 3은 저급 미가공 실리콘 공급원료를 사용하는 본 발명의 일 구현예에 대한 공정 흐름도(50)를 제공한다. 공정 흐름도(50)에 있어서, 제1 단계(52)는 저급 미가공 실리콘(예; UMG 실리콘)을 도가니 내에 설치하는 단계를 포함한다. 실리콘 용융체 형성을 위한 가열 공정이 시작되기 전에, 본 발명은 단계(54)에서, 소정량의 순수한 게르마늄(예를 들면, 99.99% 또는 99.999%의 순도를 가진 게르마늄)을 저급 실리콘 공급원료에 첨가하는 것을 생각할 수 있다.
향상된 실리콘 중에 첨가된 게르마늄의 총 범위는 5∼200ppmw 범위일 수 있다. 또 다른 구현예에서는 게르마늄 범위는 5∼50ppmw일 수 있다. 또 다른 구현예에서 게르마늄 범위는 20∼40ppmw일 수 있다. 또 다른 구현예에서는 게르마늄 범위는 30∼40ppmw일 수 있다. 또 다른 구현예에서는 게르마늄 범위는 50∼100ppmw일 수 있다. 또 다른 구현예에서는 게르마늄 범위는 50∼200ppmw일 수 있다. 또 다른 구현예에서 게르마늄 범위는 100∼150ppmw일 수 있다. 또 다른 구현예에서는 게르마늄 범위는 120∼180ppmw일 수 있다.
고체의 저급 실리콘과 순수한 게르마늄의 조합이 도가니에 존재하면, 단계(56)는 고체 혼합물을 가열하여 저급 실리콘 및 첨가된 게르마늄의 용융체를 생성하는 단계를 포함한다. 용융된 저급 실리콘과 게르마늄은, 예를 들면, 정상 응고의 실행에 의해 단계(60)에서 결정화될 수 있다.
도 4는, 고급 미가공 실리콘 공급원료를 사용하는 본 발명의 추가적 구현예에 대한 공정 흐름도(70)를 제공한다. 공정 흐름도(70)에 있어서, 제1 단계(72)는, 고급 미가공 실리콘(예: EG 실리콘)을 도가니에 넣는 단계를 포함한다. 실리콘 용융체 형성을 위한 가열 공정이 시작되기 전에, 본 발명은 단계(74)에서 소정량의 순수한 게르마늄(예; 99.999% 이상의 순도를 가진 게르마늄)을 고급 실리콘 공급원료에 첨가하는 공정을 생각할 수 있다.
고체 저급 실리콘과 순수한 게르마늄의 혼합물이 도가니에 설치되면, 단계(76)에서 고체 혼합물이 가열되어 단계(78)에서 고급 실리콘과 첨가된 게르마늄의 용융체를 생성한다. 용융된 고급 실리콘과 게르마늄의 일부는 후속적으로 단계(80)에서 CZ 공정 전체에 걸쳐 얻고자 하는 결정의 성질을 얻고 유지하도록 확립된 공정을 이용하여 CZ 결정을 인상함으로써 실리콘 결정으로 성형된다.
도 5는 고급 미가공 실리콘, 구체적으로는 EG 실리콘 공급원료로 된 공급봉으로부터 출발하는 본 발명의 추가적 구현예에 대한 공정 흐름도(90)를 제공한다. 공정 흐름(90)에 있어서, 제1 단계(92)는 고급 미가공 실리콘(예; EG 실리콘) 공급봉으로 시작하는 단계를 포함한다. 공급봉을 사용함으로써 FZ 결정화 공정을 위한 플로팅 존 즉 FZ 영역을 이용할 수 있다. FZ 영역의 형성과 결부되어, 본 발명은 단계(94)에서, 고급 미가공 실리콘 공급원료로 된 공급봉에 소정량의 순수한 게르마늄(예; 99.999% 이상의 순도를 가진 게르마늄)을 첨가하도록 한다.
고체의 고급 실리콘과 순수한 게르마늄의 혼합물이 FZ에 존재하게 되면, 단계(96)는 고급 실리콘과 첨가된 게르마늄의 플로팅 멜트 존을 사용하고 단계(98)에서 후속적으로 실리콘 결정을 형성하고 단계(100)에서 공급봉과 게르마늄 혼합물로부터 FZ 결정을 성장시킨다. 이 시점에서, FZ 공정 전체에 걸쳐 얻고자 하는 결정의 성질을 얻고 유지하도록 확립된 공정이 적용될 수 있다.
도 6은, 일반적으로, 전반적 태양 전지 제조 흐름도(130)로 통합될 수 있는 또 다른 공정의 새로운 측면을 나타낸다. 제조 흐름(130)은 단계(132)에서 어느 정도 정제되어 UMG 실리콘이 될 수 있는 MG 실리콘을 사용하는 공정을 포함한다. 얻어지는 실리콘 품질은 여전히 저급 실리콘(134)에 머문다. 따라서, 실리콘 품질(134)은 도 1에 기재된 바와 같은 변형되지 않은 실리콘에 비해 훨씬 낮은 비용과 관계된다. 또한, 저급 실리콘 잉곳(134)은 변형되지 않은 실리콘에 비해 더 많은 함량의 금속 불순물과 비금속 불순물을 포함한다. 본 발명은, 얻어지는 잉곳의 기계적, 전기적 성질을 포함하는 성질을 더욱 향상시키기 위해 소정 품질과 양의 갈륨을 첨가하거나 증강함과 아울러 게르마늄을 첨가하는 단계를 추가로 포함한다(단계(136)). 일 실시예에서, 갈륨은 0∼10ppmw 범위의 농도로 첨가된다. 잉곳 형성 단계(138)의 초기 단계로서, 실리콘과 게르마늄 및 갈륨의 혼합물은 가열되어 실리콘 용융체를 형성한다.
도 7은 잉곳 B로부터의 게르마늄 도핑된 물질의 예와 잉곳 A로부터의 도핑되지 않은 기준 물질에 대한 웨이퍼의 기계적 강도를 비교하는 실험의 특징적 결과(110)를 나타낸다. 상기 두 잉곳 모두에 있어서, 동일한 타입의 UMG 공급원료 실리콘이 선택되었고, 동일한 캐스팅 조건을 적용하여 실질적으로 동일한 기구를 사용하여 캐스팅이 차례로 수행되었다. 이어서, 각각의 잉곳으로부터 저부에 근접한 웨이퍼(116 및 120)의 1 세트와, 상부에 근접한 웨이퍼(118 및 122)의 1 세트를 선택하여, 표준 4-라인 벤딩 테스트에서 최대 웨이퍼 변형 Imax에 대한 최대 외력 Fmax의 비로서 측정된, 웨이퍼의 기계적 강도를 판정했다. 다양한 웨이퍼 군에 대해 정상화 웨이퍼 강도(강도를 웨이퍼 두께로 나눈 값)(112)이 제시되어 있는데, 시퀀스 번호 114는 각각의 잉곳 내의 원 위치를 나타낸다(번호는 저부로부터 상부로 증가됨). 그래프로부터, 게르마늄 도핑된 잉곳 B로 만들어진 웨이퍼는 기준 잉곳 A로 만들어진 웨이퍼보다 높은 강도를 나타내는 것을 알 수 있다. 그래프에 나타난 결과는, 실리콘 잉곳의 형성시 게르마늄의 첨가는, 동일하게 형성된 다른 실리콘 잉곳으로 만들어진 실리콘 잉곳보다 강도가 더 커지는 특성을 부여한다는 결론을 뒷받침한다.
이러한 결과는 하기 표에 의해 더 입증되는데, 하기 표는 게르마늄 도핑된 실리콘 잉곳으로부터의 물질에 의해 더욱 개선된 예를 나타낸다.

잉곳 수율, 캐리어 수명, 및 효율의 증가율
잉곳 수율
의 증가율		 재조합 수명
의 증가율		 효율
의 증가율

44.7%
20.7%
1.2%
상기 표는 다결정 실리콘 잉곳의 형성에 사용된 중간급 공급원료에 대한 데이터를 나타낸다. 상기 데이터는 전술한 향상된 기계적 특성에 더하여 전기적 물질 특성의 향상을 나타낸다. 표에서, 그러한 전기적 특성의 측정된 향상율은 변형되지 않은 실리콘과 비교하여, 상기 구현예에 기재된 바와 같이 증강된 실리콘에서의 증가 퍼센트로서 주어지고, 이는 본 발명과 일치한다. 물질의 특성이 향상됨으로써, 그러한 잉곳으로부터 얻을 수 있는 실리콘 웨이퍼 및 관련된 태양 전지의 갯수가 대응하여 증가된다. 또한, 향상된 전기적 특성은 얻어지는 태양 전지에 대한 평균 수율의 증가로 이어진다.
다시 말하면, 본 발명의 교시에 따라 형성된 실리콘 잉곳의 향상된 물질 특성은 태양 전지의 제조 및 그러한 태양 전지를 사용하는 시스템과 관련된 최종 비용의 대응하는 감소를 증진시키는 캐스케이드 효과를 가진다. 즉, 게르마늄 도핑된 실리콘 물질은 비도핑 실리콘 물질에 비해 향상된 물질 강도와 가요성을 나타내기 때문에, 잉곳으로부터 웨이퍼를 슬라이싱하는 기계적 공정이 웨이퍼 파손을 적게 일으킬 가능성이 더 높다. 그에 따라, 웨이퍼가 슬라이싱되면, 그러한 실리콘 웨이퍼가 태양 전지로 더 형성되기 때문에, 실리콘 웨이퍼의 물질 강도와 가요성이 내구성의 증가를 제공한다. 또한, 그와 같이 얻어지는 태양 전지는, 태양 전지 제조 현장으로부터 태양 전지 어레이로서 조립되는 지점까지 설치 또는 선적시 및 그러한 태양 전지 어레이의 현장에서의 최종 설치시, 파괴되거나 크랙을 일으키거나 파열 응력(fracture stress)을 나타낼 가능성이 적다. 마지막으로, 그러한 태양 전지의 증가된 내구성과 가요성은, 야외에서의 풍화, 열적, 환경적 변화가 손상을 일으킬 수 있다는 점에서, 태양 전지 어레이의 가동 수명을 더욱 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따라 구현되는 실리콘 웨이퍼의 수율, 태양 전지의 수율, 및 태양 전지 어레이의 수율이 증가되고 태양 전지 어레이의 기계적 내구성이 증가됨으로써, 태양 전지 공업에서 매우 높은 경제성이 창출될 수 있다. 그러한 경제성은 태양 전지로부터의 전기 생산에 있어서 비용 감소로 이어진다.
상기 표가 나타내는 바와 같이, 게르마늄 도핑 예는 실리콘 물질 각각의 캐리어 수명뿐만 아니라 전체적 태양 전지 효율의 증가를 가져올 수 있다. 이것은 상기 표에서, 예를 들면, 재조합 수명에 나타난 20.7%의 증가 및 측정된 효율의 1.2% 증가율에서 알 수 있다.
도 8은, 본 명세서에 기재된 바와 같이, 게르마늄을 첨가한 결과로서 실리콘 물질의 전기적 성질의 추가적 향상을 나타낸다. 도면의 그래프는 웨이퍼 식별 번호 대비 항복 전압을 나타내는데, 낮은 값의 웨이퍼 식별 번호는 잉곳의 저부에 근접한 위치를 나타내고, 높은 값의 웨이퍼 식별 번호는 잉곳의 상부에 근접한 위치를 나타낸다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 기준 잉곳 데이터(150)는 본 발명의 구현예에 따라 가공된 잉곳(152)보다 일관되게 낮은 항복 전압을 나타낸다.
하나의 실시예에 있어서, 실리콘에 첨가하기 위한 게르마늄의 효과적인 양을 선택하는 것은 수 많은 잠재적으로 경쟁적인 인자에 의존한다. 예를 들면, 더 많은 게르마늄을 첨가함으로써 강도 및 가요성과 같은 기계적 성질은 증강될 수 있지만, 특정 농도를 초과하여 첨가하는 것은 실리콘 카바이드의 형성과 같은 불필요한 결과를 초래할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 5∼50ppmw 범위의 게르마늄 농도는 불필요한 효과를 최소로 유지하면서 기계적 강도의 증강 및 낮은 변위(dislocation) 밀도와 아울러, 낮은 광-유도(light-induced) 분해 및 높은 재조합 수명과 같은 증강된 전기적 성질을 제공한다. 하나의 실시예에 있어서, 게르마늄의 효과적인 양은 0∼20ppmw 범위의 게르마늄의 농도를 포함한다. 다른 하나의 실시예에 있어서, 게르마늄의 효과적인 양은 30∼60ppmw 범위의 게르마늄의 농도를 포함한다.
본 발명의 실리콘 물질 개선은, 결정질 실리콘의 격자 구조에 게르마늄 원자를 실질적으로 내포시키는 공정과 관련된 압축성 격자 스트레인(lattice strain)의 증가로부터 유도될 수 있다. 그러한 게르마늄의 실질적 내포는 실리콘 웨이퍼 또는 태양 전지에서의 특정한 벌크 결함과 관련된 국소적 인장 응력을 상쇄시킬 수 있고, 고유의 물질 강도의 제어성을 향상시킬 수 있다.
실험적 결과에 따르면, 게르마늄을 충분한 양으로 포함하는 실리콘 물질은 증가된 물질 강도를 나타낸다. 최상의 실제 범위는 생성된 물질 품질에 의존한다. 약간 높은 게르마늄 농도는, 다결정 실리콘에 비해 단결정 실리콘에 대해 더 양호하게 작용하는 것으로 나타난다.
종합하면, 본 발명의 주제는 실리콘 잉곳 또는 결정을 형성하는 방법 및 시스템으로서, 실리콘 공급원료와 소정량의 게르마늄으로부터의 용융된 용액을 도가니 장치 내에 형성하고, 이어서 도가니 내에 잉곳을 형성하도록 정상 응고시키거나, 용융체로부터 CZ 결정을 인상하거나, FZ 결정을 성장시키는 단계를 포함하는, 방법 및 시스템을 제공한다.
본 발명의 교시를 내포하는 다양한 구현예가 본 명세서에 구체적으로 제시되고 기재되었지만, 당업자라면 이러한 교시를 내포하는 여러 가지 다른 구현예를 용이하게 구상할 수 있을 것이다. 따라서, 바람직한 구현예에 대한 상기 설명은, 당업자라면 누구나 특허청구된 주제를 만들거나 이용할 수 있도록 하기 위해 제시되는 것이다. 이러한 구현예에 대한 다양한 변형은 당업자에게 명백할 것이고, 본 명세서에 정의된 일반적 원리는 혁신적인 능력을 이용하지 않더라도 다른 구현예에 적용될 수 있다. 그러므로, 특허청구된 주제는 본 명세서에 제시된 구현예에 한정되는 것이 아니고, 본 명세서에 개시된 원리와 신규 특징에 부합되는 가장 넓은 범위에 따라야 한다.

Claims (12)

  1. 향상된 기계적 특성과 전기적 특성을 가진 실리콘 결정을 형성하는 방법으로서,
    소정량의 실리콘 공급원료 물질을 사용하여 실리콘 결정화 공정을 개시하는 단계;
    소정량의 게르마늄을 상기 실리콘 공급원료 물질에 첨가하는 단계로서, 상기 게르마늄의 양은 5∼50ppmw 범위인, 단계;
    상기 실리콘 공급원료 물질과 상기 소정량의 게르마늄으로부터 용융체를 생성하는 단계; 및
    상기 용융체의 결정화를 실행하는 단계
    를 포함하는, 실리콘 결정의 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    소정량의 실리콘 공급원료 물질을 사용하여 정상 응고(directional solidification) 실리콘 결정화 공정을 개시하는 단계를 추가로 포함하는, 실리콘 결정의 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    소정량의 UMG 실리콘 공급원료 물질을 사용하여 정상 응고 실리콘 결정화 공정을 개시하는 단계를 추가로 포함하는, 실리콘 결정의 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    EG 실리콘 공급원료 물질을 사용하여 CZ 실리콘 결정 인상(pulling) 공정을 개시하는 단계를 추가로 포함하는, 실리콘 결정의 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    SOG 실리콘 공급원료 물질을 사용하여 CZ 실리콘 결정 인상 공정을 개시하는 단계를 추가로 포함하는, 실리콘 결정의 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    EG 실리콘 공급봉(supply rod)을 사용하여 FZ 실리콘 결정화 공정을 개시하는 단계를 추가로 포함하는, 실리콘 결정의 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 공급원료 물질에 소정량의 게르마늄을 첨가하는 단계는, 순도 99.999% 이상의 순도 레벨을 가지는 게르마늄을 첨가하는 공정을 포함하는, 실리콘 결정의 형성 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 공급원료 물질에 소정량의 게르마늄을 첨가하는 단계는, 식 SixGe(1-x)(여기서, 0<x<1임)의 실리콘-게르마늄 합금 중의 게르마늄을 첨가하는 공정을 포함하는, 실리콘 결정의 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 공급원료 물질에 소정량의 게르마늄을 첨가하는 단계는, 10∼40ppmw의 농도 범위로 게르마늄을 첨가하는 공정을 포함하는, 실리콘 결정의 형성 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 공급원료 물질에 30∼40ppmw 범위의 게르마늄을 첨가하는 단계를 추가로 포함하는, 실리콘 결정의 형성 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 공급원료 물질에 게르마늄과 갈륨의 혼합물을 첨가하는 단계를 추가로 포함하는, 실리콘 결정의 형성 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 실리콘 공급원료 물질에 게르마늄과 갈륨의 혼합물을 첨가하는 단계가, 0∼10ppmw 범위의 농도로 갈륨을 첨가하는 공정을 포함하는, 실리콘 결정의 형성 방법.
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