KR20140032568A - 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치 및 그 제조방법 - Google Patents

태양전지용 다결정 실리콘 제조장치 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20140032568A
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Abstract

본 발명은 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치는 고체상태의 실리콘원료가 담겨지며, 회전하도록 설치되는 도가니; 상기 도가니의 외측에 설치되는 유도코일; 상기 도가니의 하부를 감싸도록 설치되며, 상기 유도코일에 의해 전자유도가열되어 상기 도가니 내부에 담겨진 실리콘원료 중 도가니의 바닥면 중앙부에 상기 실리콘원료 중 최초 용융상태인 씨드멜트(seed melt)를 생성되도록 하는 써셉터(susceptor);를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 고체상태의 실리콘원료의 용융을 신속하게 할 수 있고, 고체상태의 실리콘원료를 용융시 카본 등에 의한 불순물을 최소화할 수 있는 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치 및 그 제조방법이 제공된다.

Description

태양전지용 다결정 실리콘 제조장치 및 그 제조방법{THE APPRATUS OF SILICON FOR SOLAR CELL AND THE METHOD THEREOF}
본 발명은 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양전지용 다결정 실리콘 제조시 도가니 내의 고체상태의 실리콘 원료를 전자유도가열을 이용하여 씨드멜트를 형성하고, 씨드멜트 형성이후에는 유도코일의 주파수 조절을 통해 씨드멜트 및 유도코일에 의해 실리콘원료의 용융속도를 향상시킬 수 있는 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 다결정 실리콘을 이용한 실리콘 잉곳의 제조방법은 원료인 다결정 실리콘을 석영 또는 흑연으로 이루어진 도가니에 충진시킨 후 진공조건에서 실리콘 원료를 용해하고, 이를 응고하는 공정을 통해 제조된다.
상기 실리콘 잉곳의 원료가 되는 다결정 실리콘은 지멘스법(Siemens process)에 의해 제조된 불규칙한 형상의 천크(chunk) 다결정 실리콘 혹은 유동층 반응법(Fludized-bed reaction process)에 의해 제조된 구형의 입상 다결정 실리콘을 이용한다.
상기 지멘스법은 고순도 실리콘을 얻을 수 있는 것이 특징이고 가장 일반적인 방법으로서 실시되고 있으나 석출이 배치(batch) 방식이기 때문에 시드(seed)가 되는 실리콘 로드의 설치, 실리콘 로드의 통전 가열, 석출, 냉각, 취출, 벨 자의 세정 등 매우 번잡한 순서를 행해야만 한다는 문제점이 있다.
이를 도면을 통해 살펴보면, 도 1에서 도시하는 바와 같이 종래의 실리콘 잉곳 제조장치(100)는 진공을 유지하는 진공챔버(110)와, 상기 진공챔버(110) 내에 배치되어 실리콘원료(M)를 담는 도가니(120)와, 실리콘원료(M)의 용융을 위해 도가니(120)를 가열하는 핫플레이트(130)를 포함하여 구성된다.
즉, 진공상태의 진공챔버(110) 내에서 도가니(120) 하부에 배치되는 핫플레이트(130)들이 약 1,600℃ ~ 2,000℃로 발열하면, 핫플레이트(130)로부터 제공되는 복사열에 의해 도가니(120)가 가열되고, 상기 도가니(120) 내부에 채워져 있는 실리콘원료(M)는 도가니(120)로부터 전도되는 전도열에 의해 약 1300℃ ~ 1500℃의 온도로 가열되는데, 도가니(120) 내부온도가 약 1450℃의 온도에 이르게 되면 도가니(120) 내부에 채워진 실리콘원료(M)가 용융되기 시작한다.
상기와 같이 핫플레이트(130)를 통해 실리콘원료(M)가 용융점까지 가열되어 용융되면, 약 72시간 동안 가열을 유지하면서 도가니 내부의 실리콘원료가 완전하게 용융되게 하고, 용융이 완료되면 핫플레이트(130)의 온도를 낮추거나 핫플레이트(130)로 공급되는 전원을 차단하여 도가니(120)내의 용융된 용융물질이 소정온도까지 냉각되게 한다.
이어서, 소정온도로 냉각된 뒤에는 도가니(120)의 하부에 배치된 냉각수단(미도시)을 통해 2차냉각을 실시하여 용융물질이 결정화 되도록 한다.
그런데, 고체상태의 실리콘원료는 핫플레이트(130)의 열전도에 따라 가열되어 용융되므로, 완전 용융까지의 시간이 매우 길어 제조원가가 상승하는 문제점이 있었다.
또한, 용융시간이 길어짐에 따라 용융된 실리콘원료의 노출시간이 길어져 카본(C) 등의 불순물이 침투가능한 시간이 길어져 용융된 실리콘원료의 순도가 낮아지는 문제점이 있었다.
본 발명의 과제는 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고체상태의 실리콘원료의 용융을 신속하게 할 수 있는 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 고체상태의 실리콘원료를 용융시 카본 등에 의한 불순물을 최소화할 수 있는 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제는, 본 발명에 따라,태양전지용 다결정 실리콘 제조장치에 있어서, 고체상태의 실리콘원료가 담겨지며, 회전하도록 설치되는 도가니; 상기 도가니의 외측에 설치되는 유도코일; 상기 도가니의 하부를 감싸도록 설치되며, 상기 유도코일에 의해 전자유도가열되어 상기 도가니 내부에 담겨진 실리콘원료 중 도가니의 바닥면 중앙부에 상기 실리콘원료 중 최초 용융상태인 씨드멜트(seed melt)를 생성되도록 하는 써셉터(susceptor);를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 도가니와 상기 유도코일의 사이에 설치되는 단열재를 더 포함한다.
또한, 상기 유도코일은, 상기 씨드멜트 생성 이후에 상기 씨드멜트 또는 상기 써셉터 중 적어도 어느 하나를 통해 상기 도가니 내부의 실리콘원료에 열을 가하도록 주파수가 조절되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 써셉터는 그라파이트, 텅스텐 또는 몰리브덴 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 써셉터는 상기 도가니의 바닥면과 맞닿는 바닥부와, 상기 바닥부로부터 상향으로 연장형성되어 상기 도가니의 외측면과 맞닿는 측면부를 포함하며, 상기 측면부는 상기 측면부에 의해 감싸지는 부분이 상기 도가니의 외측면 전체에 대해 30% 내지 50%인 것이 바람직하다.
또한, 상기 유도코일의 주파수 범위는 1kHz 내지 60kHz이며, 상기 써셉터가 가열되는 상기 유도코일의 주파수 범위는 8kHz 내지 20kHz이다.
한편, 상기 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치를 이용한 제조방법은, 도가니 내부에 실리콘원료를 담는 준비단계; 유도코일을 통해 상기 도가니 하부 외측을 감싸는 써셉터를 가열되도록 하여, 가열된 상기 써셉터에 의해 상기 도가니의 바닥면 중앙부에 씨드멜트를 생성시키는 씨드멜트 생성단계; 및, 상기 씨드멜트 생성 이후에, 상기 써셉터 또는 용융상태의 상기 씨드멜트 중 적어도 어느 하나에 의해 상기 고체상태의 실리콘원료가 모두 용융되도록 가열하는 용융단계;를 포함한다.
이때, 상기 용융단계에서는 상기 써셉터 또는 용융상태의 상기 씨드멜트 중 적어도 어느 하나를 가열하도록 상기 유도코일의 주파수를 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 고체상태의 실리콘원료의 용융을 신속하게 할 수 있는 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치 및 그 제조방법이 제공된다.
또한, 고체상태의 실리콘원료를 용융시 카본 등에 의한 불순물을 최소화할 수 있는 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치 및 그 제조방법이 제공된다.
도 1은 종래 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치의 개략도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치의 개략도,
도 3은 도 2의 써셉터의 확대도,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지용 다결정 실리콘 제조방법의 순서도,
도 5와 도 6은 도 4의 제조방법에 따른 제조공정도이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치의 개략도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치는 진공 상태를 유지하도록 마련된 진공챔버(1)의 내부에 배치되는 도가니(10), 단열재(20), 유도코일(30), 써셉터(40) 및 지지대(50)를 포함하여 구성된다.
상기 도가니(10)는 흑연 등의 재질로서 고체 상태의 실리콘원료를 담을 수 있도록 마련되며, 공지의 회전수단에 의해 회전되도록 설치된다.
여기서, 고체상태의 실리콘원료는 천크(chunk) 다결정 실리콘이나, 입상 다결정 실리콘 중 어느 것을 사용할 수도 있으나, 입상 다결정 실리콘을 사용하는 경우에는 상대적으로 수율이 낮아지고, 생성물인 다결정 실리콘 잉곳에 공극(void)이 발생될 소지가 높아 일반적으로는 천크 다결정 실리콘이 주로 사용된다.
상기 단열재(20)는 주로 흑연 또는 펠트 등을 포함하는 재질로서, 도가니(10)의 외측을 감싸도록 설치되어 도가니(10)의 열손실 및 용융상태의 실리콘원료가 넘치는(melt spill) 사고가 발생하는 경우 후술할 유도코일(30)을 보호한다.
상기 유도코일(30)은 단열재(20)의 외측에 설치되며, 전자유도작용을 이용하여 후술할 써셉터(40) 또는 씨드멜트를 직접 가열할 수 있다.
여기서, 전자유도작용이란 코일에 고주파 전류를 흘려 고주파 자기장이 발생하게 함으로써, 이 고주파 자장 내에 있는 가열물에 유도전류가 흐르도록 하고, 이 유도전류는 물체내에서 전류가 소용돌이치며 흐르는 와전류에 의해 생기는 손실과, 히스테리시스 손실에 의한 주울열이 발생하게 하여 매우 단시간에 가열물이 발열되도록 하는 것이다.
즉, 본 발명에서는 유도코일(30)에 소정의 전원이 인가되면, 유도코일(30)에 의한 자기장에 의해 써셉터(40)가 가열되는 원리이다.
이때, 주파수가 높은 고주파 전류를 사용하기 때문에 전류의 표피작용 및 근접효과에 의해서 써셉터(40)의 표면층에 자속 및 와전류가 집중하며 이때 발생하는 열손실이 써셉터(40)를 가열하게 된다.
여기서, 유도코일(30)의 주파수는 변경가능하도록 설정되며, 본 실시예에서의 주파수 범위는 1kHz 내지 60kHz이고, 특히 후술할 써셉터(40)가 가열되도록 하는 주파수 범위는 8kHz 내지 20kHz로 설정된다.
도 3은 도 2의 써셉터의 확대도이다. 도 3을 참조하면, 상기 써셉터(40)(susceptor)는 도가니(10)의 하부를 감싸도록 설치되며, 그라파이트, 텅스텐 또는 몰리브덴 중 어느 하나로 이루어져 전자기에너지를 열로 변환한다.
즉, 써셉터(40)는 유도코일(30)로부터 발생한 전자기에너지를 90%이상 흡수하여 대략 약 1,600℃ ~ 2,000℃로 전자유도가열된다. 이를 통해, 도가니(10) 내부에 담겨진 실리콘원료 중 도가니(10)의 바닥면 중앙부에 씨드멜트(seed melt)가 생성된다.
여기서, 씨드멜트는 고체상태의 실리콘원료가 최초로 용융되는 상태로서, 유도코일(30)의 자기장에 의해 가열될 수 있다.
한편, 써셉터(40)는 도가니(10)의 바닥면과 맞닿는 바닥부(41)와, 바닥부(41)로부터 상향으로 연장형성되어 상기 도가니(10)의 외측면과 맞닿는 측면부(42)로 구성된다.
여기서, 측면부(42)의 높이는 도가니(10)의 외측면 전체에 대해 30% ~ 50%를 감싸도록 형성된다.
이를 통해, 회전하는 도가니(10)가 써셉터(40)의 측면부(42)에 의해 지지되어 안정적으로 회전할 수 있다.
한편, 도가니(10)에서 써셉터(40)에 의해 감싸지지 않는 부분에서는, 유도코일(30)에 의한 전자기에너지가 그대로 통과하게 되므로 유도코일(30)의 전자기에너지에 의해 용융상태의 씨드멜트 및 실리콘원료를 가열할 수 있다.
실질적으로, 실리콘과 같은 반도체의 경우에는 전자기 유도에 의한 직접 용융 방식이 적용될 수 없다. 그 이유는 실리콘의 경우 1400℃ 이상의 매우 높은 용융점을 가지고 있으며, 금속과 달리 700℃ 이하의 온도에서는 전기전도도가 낮아 전자기 유도에 의한 직접 유도가 되지 않기 때문이다.
따라서, 고체상태에서는 전자유도에 의한 가열은 이뤄지지 않고, 용융상태에서는 전자유도에 의한 가열이 가능하다.
즉, 써셉터(40)에 의해 감싸지지 않는 부분을 통해 씨드멜트 및 서서히 상승하는 용융상태의 실리콘원료가 직접 가열됨으로써 단순히 도가니(10)를 가열하는 종래 방식에 비해 실리콘원료의 용융속도를 현저하게 향상될 수 있다.
상기 지지대(50)는 도가니(10)를 받쳐주는 받침대의 역할을 하면서, 내부에는 소정의 냉각수단(미도시)이 구비되며, 냉각수단은 용융상태의 실리콘원료를 냉각시켜 다결정 실리콘 잉곳을 형성하도록 설치된다.
다음으로, 상술한 바와 같은 구성을 가지는 태양전지용 다결정 실리콘 제조방법에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지용 다결정 실리콘 제조방법의 순서도이다. 도 4를 참조하면, 먼저 도가니(10) 내부에 고체상태의 실리콘원료(M)를 투입하여 담는다.
도가니(10)에 담겨지는 고체상태의 다결정 실리콘원료(M)의 양은 생성물인 다결정 실리콘 잉곳의 수율과 품질을 고려하여 최적화시키는 것이 바람직하다.
도가니(10) 내에 고체상태의 다결정 실리콘을 과다하게 담는 경우에는 담겨진 고체상태의 실리콘원료(M)가 유동하면서 도가니(10)의 벽면의 입자가 긁혀나와 불순물이 되거나, 브릿지 등의 불량을 형성시킬 가능성을 증가시킨다.
또한, 너무 적게 담는 경우에는 전력소모가 크고 공정 속도가 느려져 비경제적이라는 단점이 있다.
고체상태의 실리콘원료(M)를 도가니(10)에 담는 과정이 마무리되면, 진공챔버 내에 별도로 설치된 기체 도입구를 통해 아르곤(Ar)이나 질소(N2) 가스를 도입시킨다.
그리고, 진공 상태를 유지하며 유도코일(30)에 전원을 인가하고, 유도코일(30)의 주파수를 써셉터(40)가 가열되는 8kHz ~ 20kHz로 조절하여, 도 5에서와 같이, 가열된 써셉터(40)에 의해 도가니(10)의 바닥면 중앙부에 씨드멜트(SM)가 생성되도록 한다.
이어, 씨드멜트(SM) 생성 이후에 씨드멜트(SM)와 써셉터(40)를 통해 동시에 도가니(10) 내부의 고체상태의 실리콘원료(M)가 용융되도록 유도코일(30)의 주파수를 조절한다.
이때, 주파수 조절은 써셉터(40)를 가열하는 주파수인 8kHz ~ 20kHz의 범위 내에서 다른 주파수로 조절하거나, 도 6에서와 같이, 용융된 실리콘원료(L)의 수위가 상승함에 따라 써셉터(40)를 가열하는 주파수보다 큰 주파수로 조절하여 유도코일(30)이 직접 용융된 실리콘원료(L)를 가열되도록 하여 고체상태의 실리콘원료(M)를 완전히 용융시킨다.
즉, 최초 고체상태의 실리콘원료(M)는 유도코일(30)에 의해 가열된 써셉터(40)에 의해 용융되어 씨드멜트(SM)를 생성되도록 하고, 이후에는 주파수 조절에 따라 씨드멜트(SM)와 써셉터(40)가 동시에 가열하게 하며, 용융된 실리콘원료(L)의 수위가 상승함에 따라 유도코일(30)의 주파수를 조절하여 용융된 실리콘원료(L)가 유도코일(30)에 의한 직접 가열이 되도록 함으로써 종래보다 현저하게 용융속도를 향상시킬 수 있다.
용융완료까지의 용융시간이 현저하게 단축되어, 챔버 내의 카본 등의 불순물이 유입이 감소하여 고순도의 다결정 실리콘 잉곳을 생산할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
10 : 도가니 20 : 단열재 30 : 유도코일
40 : 써셉터 50 : 지지대

Claims (9)

  1. 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치에 있어서,
    고체상태의 실리콘원료가 담겨지며, 회전하도록 설치되는 도가니;
    상기 도가니의 외측에 설치되는 유도코일;
    상기 도가니의 하부를 감싸도록 설치되며, 상기 유도코일에 의해 전자유도가열되어 상기 도가니 내부에 담겨진 실리콘원료 중 도가니의 바닥면 중앙부에 상기 실리콘원료 중 최초 용융상태인 씨드멜트(seed melt)를 생성되도록 하는 써셉터(susceptor);를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 도가니와 상기 유도코일의 사이에 설치되는 단열재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유도코일은, 상기 씨드멜트 생성 이후에 상기 씨드멜트 또는 상기 써셉터 중 적어도 어느 하나를 통해 상기 도가니 내부의 실리콘원료에 열을 가하도록 주파수가 조절되는 것을 특징으로 하는 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 써셉터는 그라파이트, 텅스텐 또는 몰리브덴 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 써셉터는 상기 도가니의 바닥면과 맞닿는 바닥부와, 상기 바닥부로부터 상향으로 연장형성되어 상기 도가니의 외측면과 맞닿는 측면부를 포함하며,
    상기 측면부는 상기 측면부에 의해 감싸지는 부분이 상기 도가니의 외측면 전체에 대해 30% 내지 50%인 것을 특징으로 하는 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 유도코일의 주파수 범위는 1kHz 내지 60kHz인 것을 특징으로 하는 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 써셉터가 가열되는 상기 유도코일의 주파수 범위는 8kHz 내지 20kHz인 것을 특징으로 하는 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치.
  8. 태양전지용 다결정 실리콘 제조방법에 있어서,
    도가니 내부에 실리콘원료를 담는 준비단계;
    유도코일을 통해 상기 도가니 하부 외측을 감싸는 써셉터를 가열되도록 하여, 가열된 상기 써셉터에 의해 상기 도가니의 바닥면 중앙부에 씨드멜트를 생성시키는 씨드멜트 생성단계; 및,
    상기 씨드멜트 생성 이후에, 상기 써셉터 또는 용융상태의 상기 씨드멜트 중 적어도 어느 하나에 의해 상기 고체상태의 실리콘원료가 모두 용융되도록 가열하는 용융단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 다결정 실리콘 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 용융단계에서는 상기 써셉터 또는 용융상태의 상기 씨드멜트 중 적어도 어느 하나를 가열하도록 상기 유도코일의 주파수를 조절하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 다결정 실리콘 제조방법.
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