Кремний как сырье для солнечной энергетики и микроэлектроники

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 669.782; 621.315.592

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Кремний как сырье для солнечной энергетики и микроэлектроники

А.К. Тимофеев¹

Аннотация

кремний металлургический солнечный энергетика

Выполнен обзор современного состояния солнечной энергетики на основе кремния. Базовым материалом для получения фотоэлектрических преобразователей служит металлургический кремний, производимый в руднотермических печах (РТП), с последующей очисткой от примесей и с получением поликремния. С помощью программного комплекса «Селектор» сформирована восьмирезервуарная термодинамическая модель выплавки кремния в РТП, что позволяет изучить высокотемпературный процесс.

Ключевые слова: кремний; солнечная энергетика; физико-химическое моделирование; карботермический процесс; руднотермическая печь.

Annotation

In this article the review of a state solar silicon power is executed. The metallurgical silicon that is made in electric arc furnaces is used for high quality silicon reception. The purpose of investigations is the study of ways for silicon quality improvement. And the method of its achievement is a carbonthermical process of modeling. The description of the basic mechanism of the silica reduction in the furnace, the furnace design and the silicon production technological scheme are presented. The author proposed to study carbonthermical process using the "Selector" program complex, formed the 8 reservoirs model for silicon melt in electric arc furnaces. In this model the technological process of metallurgical silicon production is described adequately.

Keywords: silicon; solar energetics; physical-and-chemical modeling; carbonthermical process; electric arc furnaces

C развитием отраслей солнечной энергетики и микроэлектроники растет спрос на кремниевую продукцию. Солнечная энергия _ излучение (радиация), идущее от Солнца, _ имеет корпускулярную (поток протонов) и электромагнитную природу. В диапазоне спектральной чувствительности кремниевых солнечных элементов (рис. 1) 0,3 - 1,1 мкм суммарная мощность электромагнитной составляющей солнечного излучения на поверхности Земли _ около 1000 Вт/м. Энергию Солнца можно использовать для получения электричества или для отопления. В настоящее время известны следующие энергосистемы, использующие энергию Солнца [1, 2]:

§ солнечные термальные установки (solar thermal installations), предназначенные для нагрева воды и обогрева зданий путем преобразования солнечной энергии в тепловую;

§ солнечные фотоэлектрические системы (photovoltaics systems), служащие для производства электроэнергии путем преобразования солнечной энергии в электрическую.

Поликремний является сырьем для производства моно- и мультикристаллической модификаций кремния - основных полупроводниковых материалов, применяемых в солнечной энергетике, микроэлектронике и силовой электронике.

Мировое производство поликристаллического кремния в настоящее время активно развивается, но объемы производства не могут полностью удовлетворить растущий спрос. В России производство поликремния практически отсутствует, несмотря на сохранившуюся производственную базу,хотя спрос на данную продукцию в нашей стране высокий, ежегодно он увеличивается примерно в 2 раза.

Поли- и монокремний относятся к товарной группе высокочистого (кристаллического, химического) кремния

Поликремний (рис. 2) представляет собой высокочистый кремний с содержанием примесей менее 0,01%, состоящий из большого числа небольших кристаллических зерен, ориентированных друг относительно друга хаотически..

Рис 1. Солнечный элемент на основе кремния

Поликремний является сырьем для производства более совершенного вида кремния - монокремния, а также может использоваться в чистом виде одновременно с монокремнием (например, в производстве солнечных модулей).

Рис. 2. Поликремний

Монокремний отличается от поликристаллической модификации тем, что в нем кристаллическая структура ориентирована в определенной кристаллографической плоскости.

Существуют две основные области применения высокочистого кремния: солнечная энергетика и электронная промышленность. Бурное развитие отрасли солнечной энергетики и последовавший дефицит поликремния привели к массовым инвестициям в открытие новых поликремниевых производств в 2006-2008 гг. Как следствие, в 2009 г. возможности производства превысили спрос на материал. Сегодня мировая отрасль выходит на новый этап развития, который будет определяться жесткой конкуренцией поставщиков поликремния в борьбе за потребителей.

Так как кремний металлургических марок (Si_техн) является основным сырьем для производства поли- и монокремния, необходимо детально изучать процесс его выплавки в руднотермических печах (рис. 3).

Рис. 3. Трехфазная трехэлектродная открытая РТП для выплавки кремния с вращающейся ванной мощностью 25 МВ•А: 1-механизм перепуска электродов; 2 - гидроподъемник; 3 - труботечка; 4 - мантель; 5 - печной трансформатор; 6 - короткая сеть; 7 - газоход; 8 - подвесные щитки; 9 - зонт; 10 - ленточный прожиговый аппарат; 11 - кожух; 12 - футеровка; 13 - плита вращения;14 - механизм вращения

Механизм восстановления кремния углеродом из кремнезема в электродуговой печи может быть представлен следующей схемой [3]:

Получение Si_техн в РТП ведется непрерывным способом по технологической схеме, приведенной на рис. 4.

Рис. 4. Технологическая схема получения кремния в руднотермических печах

Непосредственное изучение и исследование процессов, влияющих на химическую чистоту Si_техн при его выплавке, практически невозможно. Это связано с высокими температурами процесса, образованием ряда промежуточных соединений и отсутствием физической возможности фиксировать в условиях высоких температур составы газообразных и конденсированных фаз.

Для изучения процесса выплавки кремния в РТП широко применяют физико-химическое моделирование.

Ранее с использованием программного комплекса (ПК) «Селектор» при начальных исследованиях руднотермической плавки были разработаны: методика построения диаграмм состояния системы «»; модель процесса восстановления при нагреве шихты до заданной температуры; модель процесса восстановления при охлаждении и конденсации продуктов восстановления; модель восстановления в противотоке движения шихты и газообразных продуктов плавки [4].

Моделирование допускает построение весьма сложных моделей с множественными потоками вещества и открывает принципиально новые, ранее недоступные возможности компьютерного физико-химического моделирования эволюции природных и технологических процессов.

ПК «Селектор» предусматривает решение задач, в которых модель (мегасистема) «расчленяется» на несколько элементарных систем (мультисистем, реакторов или резервуаров), различающихся температурными и фазовыми характеристиками, связанных между собой массовыми и тепловыми потоками. Построенная таким образом модель может служить инструментом исследования технологического процесса, позволяющим варьировать все параметры состояния системы (объем, температуру, давление, химический состав). С помощью ПК «Селектор» была проведена работа по формированию модели получения кремния, достаточно точно соответствующей реальным условиям плавки.

На основе проведенных исследований [5], была сформирована расширенная восьмирезервуарная модель, имитирующая получение кремния в РТП. Ниже приведено описание резервуаров.

1 и 2-й резервуары имитируют колошниковое пространство РТП и имеют температуры, соответственно, 400 и 1100 °С. В эти резервуары поступают газопылевые выбросы, образующиеся в нижних зонах печи.

Шахта печи состоит из двух резервуаров. Верхний горизонт шахты РТП (3-й резервуар) - с температурой 1530 °С (температура появления ), нижний горизонт РТП (4-й резервуар) - с температурой 2200 °С. В 3-й резервуар осуществляется подача шихты. В 4-ом резервуаре происходит максимальное извлечение и накопление кремния (как за счет протекания промежуточных реакций, так и за счет непосредственного образования технического кремния из его оксида в зоне горения вольтовой дуги).

5-й резервуар модели - тигель РТП (с температурой 2000 °С), где заканчивается протекание реакций в той шихте, которая проваливается из 3-го резервуара, не успев прореагировать. Также происходит накопление жидкого кремния (рис. 5).

6-й резервуар модели имитирует расплав кремния, поступающий в летку РТП, и имеет температуру 1600 °С.

7-й резервуар модели (с температурой 1470 °C) имитирует выпуск кремния из РТП с началом его кристаллизации.

8-й резервуар имеет температуру 25 °C, предназначен для сопоставления полученных данных моделирования по закристаллизованному кремнию (рис. 6).

Полученные с помощью построенной нами физико-химической модели данные хорошо согласуются с показателями реального технологического процесса: химический состав кремния; извлечение кремния (по модели составило 79,6 %, что является близким в реально достигаемому на российских кремниевых предприятиях) [6].

Рис. 5. Состав расплава кремния по модели при t = 2000 єC (5-й резервуар)

Рис. 6. Состав закристаллизовавшегося кремния по модели при t = 25єC (8-й резервуар)

Таким образом, модель адекватно описывает реальный технологический процесс получения кремния в РТП, при использовании физико-химической модели появляется возможность изучения поведения примесных элементов, поступающих с сырьевыми материалами в РТП при плавке, которые оказывают влияние на конечную химическую чистоту металлургического кремния.

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 годы)»

Библиографический список

1. http://www.research-techart.ru/

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

3. Катков О.М. Выплавка технического кремния: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1997. 214 с.

4. Катков О.М., Нуйкин Ю.Л., Карпов И.К. Исследование механизмов восстановления оксидов кремния с помощью моделирования процессов на ЭВМ // Известия вузов. Цветная металлургия. 1984. № 3. С. 65-70.

5. Базовая физико-химическая модель карботермической плавки кремния / Немчинова Н.В., Бычинский В.А., Бельский С.С. [и др.] // Известия вузов. Цветная металлургия. 2008. № 4. С. 56-63.

6. Применение физико-химического моделирования при изучении процесса выплавки кремния в руднотермических печах / Немчинова Н.В., Клёц В.Э., Бельский С.С., Тимофеев А.К. // «Цветные металлы - 2010»: материалы II Междунар. конгресса и выставки (2-4 сент. 2010 г., г. Красноярск). Красноярск, 2010. С. 161-166.

Размещено на Allbest.ru