МУЛЬТИКРЕМНИЙ ДЛЯ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

МУЛЬТИКРЕМНІЙ ДЛЯ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

За даними останньої доповіді Європейського співтовариства, загальна встановлена потужність сонячних модулів на кінець 2006 року становила 6,5 ГВт; до 2020 року прогнозується досягти 205 ГВт. Передбачається, що 2030 року сонячними станціями вироблятиметься 10%, а 2040 року — від 20 до 28% загального світового обсягу вироблення електроенергії. Найважливіший перспективний матеріал виробництва елементів сонячної енергетики — мультикремний. Технології його отримання – тема замовного проекту, про хід реалізації якого розповів д.ф.-м.н. А. І. Непам'ятних (ІГХ СО РАН).

У виконанні цього проекту беруть участь такі інститути СО РАН: Інститут геохімії ім. А.П. Виноградова, Інститут геології та мінералогії, Інститут теплофізики ім. С.С. Кутателадзе, Інститут фізики напівпровідників, Інститут неорганічної хімії ім. А.В. Ніколаєва, Інститут хімії твердого тіла та механохімії, Інститут проблем переробки вуглеводнів, Тувінський інститут комплексного освоєння природних ресурсів, Відділ фізичних проблем БНЦ СО РАН та СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН. Проект включає три основні блоки. Перший блок – це технологія прямого отримання мультикремнію сонячної якості з високочистого рафінованого металургійного кремнію. Другий пов'язаний із розробкою фізико-хімічних основ отримання полікремнію з високочистих діоксиду кремнію та вуглецевих відновників. Третій – це розробка процесу одержання ефективних сонячних елементів на основі пластин мультикремнію.

Розроблена Інститутом геохімії технологія складається із трьох основних частин. Перша частина – це карботермічне відновлення кремнію з високочистих вихідних.речовин, кварциту чи кварцу, і, відповідно, спеціально підготовленого вуглецевого відновника – деревного вугілля. Друга частина технології розроблена для рафінування розплаву кремнію в ковші, де розплав кремнію «позбавляється» бору, фосфору та ряду інших елементів. На третій стадії відбувається очищення кремнію від більшості важких домішок при спрямованій кристалізації мультикремнію.

На основі чисельного моделювання показано, що радіальні реагенти температури в конвективному режимі різко згладжуються порівняно з дифузійним режимом і фронт кристалізації дійсно стає плоским. Для створення керованого наскрізного режиму конвекції нами запропоновано метод вирощування мультикремнію в тепловому полі, що обертається, який полягає в зміні симетрії теплового поля шляхом створення більш прогрітої зони на зовнішній стінці контейнера. Крім цих робіт, які безпосередньо пов'язані з отриманням мультикремнію, були проведені перші дослідження з гетерування домішок в мультикремнії. Крім того, розробляються методи нанесення покриття кварцових тиглів. Як захисні покриття кварцових тиглів для вирощування мульткремнію використовується Si3N4. Недоліком цього покриття є його висока змочуваність розплавом кремнію. В рамках цього проекту в ІНХ СО РАН досліджувалась можливість використання плівкових покриттів на основі карбонітриду кремнію SiCxNy змінного складу. Дослідження показали, що змочування підкладок, покритих карбонітридом кремнію, розплавленим кремнієм відсутнє. В ІППУ СО РАН було отримано три партії гранульованих вуглецевих матеріалів. Здійснюється одержання кремнію з високочистих компонентів шихти. У СКТБ «Наука» проводилося відновлення кремнію з брикетованої та порошкової шихти наоснові аморфного кремнезему при температурі 1800 ° С. Отримано зразки кремнію. Вихід кремнію при відновленні з порошкової шихти становив 97, та якщо з брикетованої — 99 мас %. Розпочато роботи з відновлення кремнію в плазмових реакторах.

Розроблено технологію отримання високочистого аморфного діоксиду кремнію. ІХТТМ З РАН і ТІКОПР З РАН запропоновані два варіанти розкладання серпентиніту з подальшим отриманням чистого аморфного SiO2. В обох випадках мається на увазі використання попередньої механоактивації серпентиніту, яка поєднується з подрібненням, за рахунок чого досягається повніше розкриття матеріалу. Для отримання діоксиду кремнію підвищеної чистоти твердий залишок після вилуговування (чорновий діоксид кремнію) піддається очищенню від домішок шляхом лужного розчинення, осадження та прокалювання кремнієвої кислоти. Отриманий діоксид кремнію очищається від домішок, що залишилися, слабким розчином соляної кислоти і сушиться.

В ІХТТМ СО РАН вивчалися процеси відновлення кремнію методом СВС, де як прекурсор використовувалися механокомпозити SiO2/С та SiO2/Al. Порошок з вуглецем у режимі СВС не спалахує, а суміш з алюмінієм загоряється. Термообробка прекурсора SiO2/Al. вже за нормальної температури 600° З забезпечує відновлення кремнію. В ІФП СО РАН розроблено методику текстурування поверхні мультикристалічного кремнію, що дозволяє отримувати структуру поверхні з рівномірно розподіленими конусоподібними ямками необхідної глибини (близько 1 мкм). Проведено порівняння результатів газофазного легування та отриманих методом дифузії із фосфоросилікатного скла. Розроблено простий, ефективний процес, що не включає дорогих стадій, легування фосфором мультикремнію. Процес легування включає три стадії: синтез шаруSiO2:P2O5 золь-гель методом; температурний відпал для дифузії фосфору; видалення поверхневого шару фосфоросилікатного скла (ФСС).

Основними завданнями на 2008 рік є:

- Проведення дослідно-промислової плавки з кварцитів родовища Сарикуль і Бурал-Сардак для отримання високочистого рафінованого кремнію;

— вирощування блоку мультикремнію промислових розмірів (125×125×300 мм) та виготовлення сонячних елементів на їх основі;

- відпрацювання методів відновлення кремнію з високочистих вуглецевих відновників та діоксиду кремнію методами індукційного та плазмового нагріву.

Підсумовуючи, можна сказати наступне. Виконано комплекс підготовчих робіт та розпочато проведення дослідно-промислової плавки кремнію на руднотермічній печі 9,6 кВА МК «KazSilicon» у м. Уштобі Республіки Казахстан. Показано можливість підтримки температури в ковші при рафінуванні розплаву кремнію протягом тривалого часу. Проведено реконструкцію установки СЗВН20 для вирощування блоку мультикремнію розмірами 125×125×300 мм з нижнім завантаженням тигля. Вивчено залежність форми фронту кристалізації від режиму теплообміну. Отримано нові фундаментальні результати щодо сполученого теплообміну в режимах стаціонарної та нестаціонарної теплопровідності, стаціонарної та нестаціонарної термогравітаційної та теплової гравітаційно-капілярної конвекції. На основі математичного моделювання неосесиметричного розподілу теплового нагріву показано можливість створення керованого наскрізного режиму конвекції. Це дозволяє регулювати інтенсивність перемішування розплаву протягом усього процесу кристалізації. Проведено експериментальну перевірку розрахованих режимів.

Крім того, проведено порівняння нітриду і карбонітриду кремнію вяк захисні покриття кварцових тиглів, що використовуються для вирощування мультикремнію. Показано, що покриття з карбонітриду кремнію є оптимальним для технологічного використання . Вивчено процеси синтезу високочистих вуглецевих відновників, що дозволяють отримувати сировину з низькою зольністю. Отримано три партії вуглецевих відновників для проведення експериментальних плавок. Показано можливість одержання високочистого аморфного діоксиду кремнію з відходів азбестового виробництва. Проведено перші експериментальні плавки з одержання кремнію з діоксиду кремнію та вуглецевих відновників у індукційній печі СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН. Показано можливість зниження температури процесів відновлення кремнію при використанні аморфного діоксиду кремнію. Вивчалася можливість зниження температури прямого відновлення SiO2 за рахунок використання отриманих механохімічно нанокомпозитів. Показано можливість зниження температури відновлення у системі SiO2 + Al.

Досліджено вплив обробки поверхні мультикремнію на електрофізичні параметри матеріалу (час життя нерівноважних носіїв заряду та швидкість поверхневої рекомбінації) та обрано технологічні процеси пасивації поверхневих станів. Розроблено методику текстурування поверхні мультикристалічного кремнію, що дозволяє одержувати структуру поверхні з рівномірно розподіленими конусоподібними ямками необхідної глибини (близько 1 мкм). Розроблено та оптимізовано спосіб нанесення просвітлюючих покриттів на основі плазмохімічного нітриду кремнію. На базі методу «spin-on» розроблений простий, ефективний процес, що не включає дорогих стадій, легування фосфором мультикремнію.