Кремний – основа для производства солнечных элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кремний - основа для производства солнечных элементов

А.А. Тютрин

Использование кремния в качестве материала для производства солнечных элементов является одним из самых перспективных направлений его применения. Однако объем вводимых мощностей сдерживается из-за нехватки базового материала - «солнечного» кремния. Выполнен обзор современного состояния рынка солнечных элементов. Проведено изучение механизма формирования элементных и оксидных примесных включений в рафинированном (на ЗАО «Кремний») окислительным способом кремнии при его кристаллизации. Результаты исследований получены на основе компьютерного построения тройных диаграмм состояния систем.

Ключевые слова: кремний; солнечный элемент; рафинирование кремния; солнечная энергия.

The most prospective application of silicon is its usage as a raw material in solar cells production. But never the less the volume of introduced facilities is restricted by the shortage of the basic material - the “solar” silicon. The review of the contemporary state of the solar cells market is presented in the article. Resources of solar power in Russia are also reviewed. The raw material for production of photoelectric converters is the metallurgical silicon, that is made of silica melted in electric arc furnaces. Issues of the quality improvement of the silicon produced in the biggest facility in Russia (Closed Corporation “Silicon”) are urgent. The first goal of the researches is the scrutiny of methods of melted silicon quality improvement. Further this silicon is used in solar cells production. The second goal is the necessity of quality improvement on the stage of metallurgical processing. The mechanism of formation of elemental and oxide doped inclusions in refined (in Closed Corporation “Silicon”) by the oxidation way silicon (during its crystallization) researched. The results of researches are derived from the computer plotting of system statuses.

The key words: silicon, solar cell, refined silicon, solar power

Второй по распространенности элемент на Земле после кислорода - это кремний, удивительный элемент, обладающий уникальными свойствами и находящий применение в различных областях промышленности. Для оценки состояния мирового рынка кремния, рассмотрим потребности в нём и ожидаемые объемы производства (рис. 1). На графике видно, что увеличение потребления кремния происходит за счет химической промышленности, значительных изменений объемов кремния для металлургических целей не планируется [6]. кремний окислительный рафинированный

Основные области применения кремния в мире (почти 80%) традиционны: это лигатура при производстве гаммы специальных сталей (электротехнических, жаростойких, конструкционных, коррозионно-стойких и др.) и различных сплавов (силумины, кремнистые бронзы и т.д.). Значительная часть кремния и его сплавов применяется в черной металлургии как весьма эффективный раскислитель сталей. Кремний используют для производства карбида кремния (карбидокремниевые огнеупоры, абразивы на основе карбида кремния); широкого спектра кремнийорганических соединений. Опережающими темпами (около 8% в год) растет применение чистого кремния и его соединений в химической промышленности.

В последние десятилетия США и другие развитые страны осваивают технологии производства целого ряда силиконовых (кремнийорганических) материалов для производства пластмасс, лакокрасочной продукции, смазок и т.п.

Рис. 1. Оценка состояния мирового рынка кремния (тыс. т)

Самая широкая область применения кремния как основы полупроводников - от солнечных батарей до компьютерных процессоров, т.к. этот материал является основой большинства «высоких технологий». Тоннаж мирового производства высокочистого полупроводникового кремния растет уже несколько десятилетий со средними темпами (до 20 % в год), аналогов среди других используемых редких металлов он не имеет. Однако общее количество производимого в мире высокочистого кремния только недавно превысило 20 тыс. т в год. По тоннажу это только 5 % мирового производства технического кремния и около 0,2 % производства ферросплавов на его основе [3].

В настоящее время в общественном сознании растет убежденность в том, что энергетика будущего должна базироваться на крупномасштабном использовании солнечной энергии, причем в самых разных ее проявлениях. Солнце - это огромный, неиссякаемый, абсолютно безопасный источник энергии. Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. В России наибольший теоретический потенциал _ более 2000 млрд т условного топлива (т у.т.) _ имеет солнечная энергия [2].

Крупнейшей компанией по производству солнечных элементов является японская «Sharp» (17 % от мирового производства). За лидером следуют такие компании, как немецкая «Q-Cells», японская «Куосеrа» и китайская «Suntech», на которые приходится соответственно 10; 7 и 6 % мирового производства солнечных элементов (табл. 1) [5].

Таблица 1

Выпуск солнечных элементов крупнейшими производителями (МВт)

С 2006 г. после выхода на рынок новых производителей в Германии, Норвегии, Швейцарии, Нидерландах, КНР, Республике Корея и на Тайване в источниках поставок солнечных элементов наблюдается диверсификация. Так, в Китае компании «CEEG Nanjing PV-Tech» и «Baoding Yingli New Energy Resources» вводят в эксплуатацию предприятия годовой мощностью соответственно 60 и 35 МВт [5].

Одной из наиболее перспективных технологий солнечной энергетики является создание фотоэлектрических станций с солнечными элементами на основе кремния, которые преобразуют в электрическую энергию прямую и рассеянную составляющие солнечной радиации с КПД 12-15 %. Лабораторные образцы имеют КПД 23 %. Мировое производство солнечных элементов превышает 50 МВт в год и увеличивается ежегодно на 30 % [2]. Лидирующие позиции по мощностям занимают Германия, Испания и Япония (табл. 2) [1].

Солнечные электростанции могут быть использованы как для решения локальных энергетических задач, так и глобальных проблем энергетики. При КПД солнечной электростанции (СЭС) 12 % все современное потребление электроэнергии в России может быть получено от СЭС активной площадью около 4000 км², что составляет 0,024 % территории [2].

Таблица 2

Позиции по мощностям фотоэлектрических станций*

* Данные 2009 года.

Солнечная энергия может стать энергетической основой и первичным источником энергии будущего устойчивого развития экономики для некоторых районов России (табл. 3) [7].

Таблица 3

Ресурсы солнечной энергии России по федеральным округам РФ

Примечание. I - всего; II - производство тепла; III - производство электроэнергии.

Учитывая, что 1 кг кремния в солнечном элементе за 30 лет вырабатывает 300 МВт·ч электроэнергии, легко подсчитать нефтяной эквивалент кремния. Прямой пересчет электроэнергии 300 МВт·ч с учетом теплоты сгорания нефти 43,7 МДж/кг дает 25 т нефти на 1 кг кремния. Если принять КПД ТЭС, работающей на мазуте, 33 %, то 1 кг кремния по вырабатываемой электроэнергии эквивалентен примерно 75 т нефти [2].

Поскольку удельная стоимость СЭС не зависит от ее размеров и мощности, в ряде случаев целесообразно модульное размещение СЭС на крыше сельского дома, коттеджа, фермы (рис. 2). Собственник СЭС будет продавать электроэнергию энергосистеме в дневное время и покупать ее у энергетической компании по другому счетчику в ночные часы. При модульном размещении СЭС 1 млн кВт способна обеспечить электроэнергией 500000 сельских домов и коттеджей [2].

Рис. 2. Солнечные батареи на крыше здания Академии наук России

Главным производителем металлургического кремния в России является ЗАО «Кремний» (г. Шелехов, Иркутская обл.), образованный 3 августа 1998 г. путём выделения из филиала «Иркутский алюминиевый завод Сибирско-Уральской алюминиевой компании» ОАО «СУАЛ» (ныне ОАО «РУСАЛ»).

Структура ЗАО «Кремний» _ это законченный металлургический цикл производства кремния. Годовой объём выпуска составляет около 40 тыс. т. Предприятие имеет собственную сырьевую базу - Черемшанский кварцитовый рудник. По объёму производства продукции ЗАО «Кремний» занимает первое место в России, уделяя большое внимание получению чистого рафинированного кремния для химической промышленности [5]. С 1997 г. весь выпущенный из печей кремний отвечает самым высоким требованиям российских и зарубежных потребителей и соответствует мировым стандартам. ЗАО «Кремний» активно сотрудничает с крупнейшими российскими алюминиевыми заводами, применяющими кремний для производства первичных алюминиевых сплавов. Ещё около 50 фирм, выпускающих сплавы на основе вторичного алюминия и кремния, являются заказчиками ЗАО «Кремний. Потребителями кремния являются предприятия химической, металлургической промышленности и производители силикона, накоплен опыт работы с такими западными фирмами, как GE Silicones, Dow Corning, Bayer, Wacker, ShinEtsu, GE Toshiba.

В лабораториях завода используются методы рентгенофлуоресцентного анализа, оптического эмиссионного анализа и атомно-абсорционной спетрофотометрии. Выплавку кремния углеродистым восстановителем производят в трехэлектродных рудотермических печах РТП с вращающейся ванной мощностью 16,5 МВ·А [6]. Однако получаемый в электродуговых печах кремний не отвечает требованиям потребителей по содержанию примесных элементов, поэтому его рафинируют от ряда примесей [5, 6]. Комплексная операция рафинирования при карботермическом получении кремния должна снижать содержание Al, Са, Ti и других примесей, а также полностью удалять мелкие и крупные включения шлака. Источники загрязнения кремния примесями: наличие их в шихте (кварците и углеродистых материалах); восстановление до металла и растворение в расплаве кремния (при этом часть оксидов не успевает восстановиться, растворяется в жидком кварците и образует шлаковую фазу, которая запутывается в кремнии при его выпуске из горна) [5].

Основной промышленный способ рафинирования технического кремния - это окисление металлов-примесей (кислородом, воздухом, кремнеземистыми флюсами) барботированием кремниевого расплава (проводят рафинирование в основном от алюминия и кальция).

Марки и химический состав рафинированного кремния должны соответствовать требованиям, указанным в табл. 4 [5].

Таблица 4

Марки рафинированного кремния

Кремний с такой чистотой находит применение в химической промышленности. Для использования в солнечной энергетике требуется кремний «солнечного» качества, для получения которого рассматривается несколько различных подходов, основанных на:

§ переводе металлургического кремния в форму трихлорсиланов и моносиланов с последующей очисткой и восстановлением;

§ доочистке металлургического кремния до необходимой чистоты;

§ получении кремния из особо чистого кварца путем его восстановления с последующей доочисткой.

Хлорсилановая технология производства солнечного кремния, разработанная около 35 лет назад, до настоящего времени практически не изменилась, сохранив все отрицательные черты химических технологий 1950-х годов: высокая энергоемкость, низкий выход кремния, экологическая опасность.

Повышение качества кремния, используемого в дальнейшем для производства солнечных элементов, необходимо добиваться еще на стадии металлургического передела. Для этого необходимо исследовать процессы кристаллизации кремниевого расплава после его окислительного рафинирования, применяемого на металлургическом предприятии.

В последние годы в кремнии металлургического сорта уделяется значительное внимание таким примесям, как B, P, Cu, Ni, Cr и т.п., которые ранее не интересовали потребителей. При этом далеко не все свойства примесных элементов в кремнии изучены достаточно полно. В случае отсутствия надежно определенных термодинамических параметров, позволяющих вычислять концентрационную и температурную зависимость энергии Гиббса, неизбежно приходится использовать упрощенные модели для описания областей устойчивости фаз и диаграмм состояния.

Целью проведенных нами исследований было изучение механизма формирования элементных и оксидных примесных включений в кремнии при его кристаллизации после окислительного рафинирования. Работа проведена на основе компьютерного построения диаграмм состояния, являющихся основой любой технологии.

Рис. 3. Диаграмма состояния трехкомпонентной системы Si-Ti-Fe

При разливке кремния в изложницы незначительное количество примесных элементов и соединений, оставшихся после окислительного рафинирования, формируют при кристаллизации различные фазовые включения. Анализ поведения компонентов, участвующих в различных физико-химических превращениях, и взаимодействие элементов друг с другом при кристаллизации расплавов можно провести при изучении диаграмм состояния (рис. 3).

Таким образом, вопросы повышения качества кремния металлургических марок являются актуальными для дальнейшего развития солнечной энергетики.

Работа выполнена при поддержке проекта № 2.1.2/842 в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 гг.)»

Библиографический список

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Энергия_солнца#cite_ref-5

2. http://www.energycenter.ru/article/350/1

3. http://www.metaltorg.ru/analytics/color/?id=196

4. Алфёров Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников. 2004. Т 38. Вып. 8.

5. Немчинова Н.В., Клёц В.Э. Кремний: свойства, получение, применение: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. 272 с.

6. Попов С.И. Металлургия кремния в трехфазных руднотермических печах. Иркутск, 2004. 237 с.

7. Состояние и перспективы развития сферы возобновляемых источников энергии в России / БИКИ № 81 (9327), 19 июля 2008 г. С. 13-15.

Размещено на Allbest.ru