Кремний применяется для изготовления солнечных батарей космических аппаратов

350

Солнечные преобразователи с двусторонней чувствительностью

Источник

Методы производства солнечных элементов

Более 85% солнечных батарей производятся на основе моно и поли кремния. Технология их производства достаточно трудная, длительная и энергоемкая. Но обо всем по порядку.

Основные этапы изготовления солнечных монокристаллических элементов:

Получение «солнечного» кремния.

В качестве сырья используется кварцевый песок с высоким массовым содержанием диоксида кремния (SiO₂). Он проходит многоступенчатую очистку, чтобы избавиться от кислорода. Происходит путем высокотемпературного плавления и синтеза с добавлением химических веществ.

Выращивание кристаллов.

Очищенный кремний представляет собой просто разрозненные куски. Для упорядочивания структуры и выращиваются кристаллы по методу Чохральского. Происходит это так: куски кремния помещаются в тигель, где раскаляются и плавятся. В расплав опускается затравка – так сказать, образец будущего кристалла. Атомы, располагаются в четкую структуру, нарастают на затравку слой за слоем. Процесс наращивания длительный, но в результате образуется большой, красивый, а главное однородный кристалл.

Обработка.

Этот этап начинается с измерения, калибровки и обработки монокристалла для придания нужной формы. Дело в том, что при выходе из тигля в поперечном сечении он имеет круглую форму, что не очень удобно для дальнейшей работы. Поэтому ему придается псевдо квадратная форма. Далее обработанный монокристалл стальными нитями в карбид — кремниевой суспензии или алмазно — импрегнированной проволокой режется на пластинки толщиной 250-300 мкм. Они очищаются, проверяются на брак и количество вырабатываемой энергии.

Создание фотоэлектрического элемента.

Чтобы кремний мог вырабатывать энергию, в него добавляют бор (B) и фосфор (P). Благодаря этому слой фосфора получает свободные электроны (сторона n-типа), сторона бора – отсутствие электронов, т.е. дырки (сторона p-типа). По причине этого между фосфором и бором появляется p-n переход. Когда свет будет падать на ячейку, из атомной решетки будут выбиваться дырки и электроны, появившись на территории электрического поля, они разбегаются в сторону своего заряда. Если присоединить внешний проводник, они будут стараться компенсировать дырки на другой части пластинки, появится напряжение и ток. Именно для его выработки с обеих сторон пластины припаиваются проводники.

Сборка модулей.

Пластинки соединяются сначала в цепочки, потом в блоки. Обычно одна пластина имеет 2 Вт мощности и 0,6 В напряжения. Чем больше будет ячеек, тем мощнее получится батарея. Их последовательное подключение дает определенный уровень напряжения, параллельное увеличивает силу образующегося тока. Для достижения необходимых электрических параметров всего модуля последовательно и параллельно соединенные элементы объединяются. Далее ячейки покрывают защитной пленкой, переносят на стекло и помещают в прямоугольную рамку, крепят распределительную коробку. Готовый модуль проходит последнюю проверку – измерение вольт — амперных характеристик. Все, можно использовать!

Соединение самих солнечных батарей тоже может быть последовательным, параллельным или последовательно-параллельным для получения требуемых силы тока и напряжения.

Наглядное видео о этапах автоматической сборки, включая: пайку, ламинирование, коммутацию ячеек, установку распределительной коробки, стекла и алюминиевой рамы:

Тонкопленочные батареи производятся в основном по технике испарительной фазы. Сырьем для аморфных фотопреобразователей является кремневодород (силан, SinH_2n+2). Он напыляется на материал подложки (стекло, керамика, металлические или полимерные ленты и пр.) слоем менее 1 мкм. Водород в составе аморфного кремния (5-20%) меняет его электрофизические свойства и придает ему полупроводниковые качества.

Производство аморфных преобразователей значительно проще кристаллических: без труда создаются пластины площадью более 1 м при температурах осаждения всего 250-400°C. К тому же их полупроводниковыми свойствами можно управлять, подбирая соединения компонентов пленки для получения требуемых параметров.

Технология производства солнечных CIGS батарей тоже заключается в напылении полупроводников. Делается это с помощью вакуумных камер и электронных пушек. Медь (Cu), индий (In) или галлий (Ga) напыляются путем последовательного осаждения на подложку из стекла, покрытой молибденом слоем в 1 мкм. Полученная структура обрабатывается парами селена (Se).

Есть еще один способ изготовления CIGS батарей – метод трафаретной печати или струйного напыления. Основан он на использовании суспензии из частиц металлических оксидов. Ее вязкость позволяет получать как бы чернила для печати. «Бумагой» же могут быть разные материалы: стекло, фольга, пластик.

Метод трафаретной печати для изготовления тонкопленочных батарей используется только известными «солнечными» производителями. Имеет такие преимущества, как высокий коэффициент использования материалов (от 90%), сравнительная дешевизна оборудования, приличный КПД готового продукта – 14%.

Производство кристаллов арсенид галлия, может осуществляться, как и монокристаллов кремния, методом Чохральского — горизонтальной или вертикальной направленной кристаллизации. Кристаллы получаются путем вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла. На картинке приведены схемы выращивания.

Источник

Кремний для солнечных батарей

Количество поликристаллического кремния (ПКК) солнечного качества на мировом рынке определяется спросом на ППК электронного качества. Резервы поставок ПКК солнечного качества в настоящее время исчерпаны.

Между тем в ближайшие годы ожидается стремительный рост мирового производства фотоэлектрических станций. По оценкам специалистов, ежегодная мировая потребность ПКК солнечного качества в 2010 году может составить от 16000 до 32000 тонн. При этом поставка предполагается в объеме 8000 тонн. Таким образом, нужны новые источники поликристаллического кремния солнечного качества.

В мировом производстве полупроводникового кремния в настоящее время лидирующие позиции занимают США, Германия и Япония. Известны два основных способа изготовления кремния высокой (полупроводниковой) степени чистоты – с использованием трихлорсилана и моносилана.

При получении кремния из трихлорсилана в реакциях в качестве побочных продуктов образуются четыреххлористый кремний и хлористый водород, что ведет к снижению выхода кремния, попаданию в кремний вредных примесей, образующихся в результате коррозии стенок реакционной камеры и других частей установки, а также возникновению экологических проблем. Поэтому из трихлорсилана трудно получить кремний сверхвысокой степени чистоты.

Использование же моносилановой технологии имеет ряд преимуществ:
– термическое разложение моносилана происходит при сравнительно низкой температуре (около 850 оС вместо 1100 оС для трихлорсилана) и с меньшим расходом энергии;
– в продуктах реакции отсутствуют химически агрессивные агенты (хлористый водород, хлорсиланы и др.), снижающие чистоту получаемого кремния;
– очистка моносилана от большинства вредных примесей при прочих равных условиях является более эффективной из‑за значительного различия физических и химических свойств моносилана и других соединений;
– наряду с кремнием товарным продуктом является сам моносилан и его смеси, необходимые для тонкопленочной технологии изготовления полупроводниковых изделий, в том числе для выпуска солнечных батарей из аморфного кремния.

Однако и эта технология имеет свои недостатки. Так, для очистки моносилана перегонкой при низкой температуре требуется охлаждение жидким азотом и гелием, что сильно увеличивает стоимость кремния. Кроме того, известные способы изготовления моносилана по сравнению с трихлорсиланом достаточно сложны, что обусловливает высокую стоимость моносилана высокой степени чистоты для полупроводниковой промышленности.

По этой причине моносилан используют в ограниченных масштабах лишь для получения поликристаллического кремния особо высокой чистоты, переработку которого в монокристаллический кремний осуществляют методом бестигельной зонной плавки.

Для снижения стоимости моносилана и получаемого из него кремния высокой чистоты в мире ведутся интенсивные поиски новых эффективных способов его получения. К известным в настоящее время способам относятся:
– ацидолиз силицида магния, используемый фирмой Komatsu (Япония);
– каталитическое диспропорционирование трихлорсилана, используемое фирмой Union Carbide (США);
– каталитическое диспропорционирование этоксисиланов, разработанное в Японии и СССР.

Однако все эти способы требуют большого расхода сырья, энергии, экологически вредны и не обеспечивают снижения производства ПКК.

Так, например, на базе Красноярского горно-химического комбината ведутся работы по созданию производства кремния для электронной промышленности в объеме 120 т/год, с последующим ростом до экономически выгодного объема производства свыше 1000 т/год. В технологическом процессе планируется использование известного своей экологической опасностью метода очистки кремния через получение хлористых соединений, в разработке которого Россия отстала от своих конкурентов. Кроме того, эта технология не позволяет кардинально снизить расход электроэнергии и стоимость кремния.

Между тем и за рубежом, и в России интенсивно ведутся поиски других методов очистки кремния. Одним из самых перспективных в настоящее время является алкоксисилановый способ. Он представляет собой экологически чистую бесхлорную алкоксисилановую технологию получения ПКК, который можно использовать либо для солнечных батарей, либо для полупроводниковой электроники.

На первой стадии в присутствии медного катализатора и при температуре около 300 оС происходит прямое взаимодействие металлургического кремния (96‑98% кремния) с безводным этиловым спиртом для получения три­этоксисилана. На второй стадии происходит диспропорционирование триэтоксисилана с использованием в качестве катализатора раствора этилата натрия в тетраэтоксисилане.

Полученный моносилан проходит абсорбционную и адсорбционную очистку. Абсорбционная очистка моносилана охлажденным до -80 оС тетраэтоксисиланом позволяет снизить содержание углесодержащих примесей (этоксисиланов) до 1,10‑3% (объемных). После завершающей очистки с помощью химосорбентов содержание углерода и кислорода становится менее 1,1015 ат/см3 при сохранении содержания бора менее 1,1011 ат/см3.
Очищенный моносилан пиролитически разлагается в стержневом реакторе или в установке с псевдокипящем слоем.

Далее полученный тетраэтоксисилан подвергается гидролизу c получением на выходе абсолютированного спирта, который возвращается в процесс на первую стадию, а этилсиликат (кремнезоль с концентрацией SiO2 в 30%) как побочный продукт выводится из реактора.

Проблемы безопасной работы с силаном успешно решаются при организации производства ПКК и силана на единой производственной линии. Дополнительной гарантией безопасности является то, что все стадии, связанные с очисткой силана, проводятся при температуре окружающей среды или ниже.

Помимо ПКК выходной продукцией являются: моносилан, газовые смеси моносилана, тетраэтоксисилан, коллоидный раствор диоксида кремния или аэросил (мелкодисперсный порошок двуокиси кремния), отличающиеся очень высокой степенью чистоты.

При изменении конъюнктуры рынка технологический процесс позволяет менять ассортимент и пропорции производимой товарной продукции:
– ПКК электронного качества для электронной промышленности;
– ПКК солнечного качества для фотоэнергетики;
– ПКК для инфракрасных фотоприемников и детекторов ядерных частиц;
– высокочистый моносилан и его смеси с водородом и аргоном;
– тетраэтоксисилан особой чистоты;
– кремнезоль.

По предварительной оценке, с учетом реализации тетра­этоксисилана, даже при малой мощности установки получения поликристаллического кремния (350 кг в год) и использования Сименс-реактора, себестоимость ПКК будет ниже существующего уровня. Основная доля всех затрат будет связана с энергопотреблением. В случае использования вместо Сименс-реактора менее энергоемкой технологии – пиролиза моносилана в «кипящем» слое кремния – себестоимость ПКК может снизиться на 50% и более.

Преимущества нового метода

Предлагаемый метод производства ПКК имеет следующие достоинства:
– исходные материалы (металлургический кремний и этиловый спирт) доступны в неограниченных количествах по относительно низкой цене. Мировое производство металлургического кремния достигает 1000000 тонн в год, и только 1% его используется для производства кремния для электроники;
– соединения хлора не используются, и процесс экологически безопасен;
– реакционные продукты не взаимодействуют со стенками реактора, сводя к минимуму загрязнение конечных продуктов, что позволяет создавать оборудование из обычных конструкционных материалов;
– все процессы идут при нормальном давлении и температуре не выше 300 оС;
– химические реакции связаны только с кремнием и происходят практически без переноса посторонних примесей, что снижает стоимость процесса очистки;
– практически все производственные отходы используются для получения ценных побочных продуктов;
– большинство реагентов (

95%) непрерывно возвращается в процесс;
– расход электроэнергии может составить около 30 кВт-ч на 1 кг ПКК (против

200 кВт-ч / кг для обычного трихлорсиланового метода).
Оригинальными стадиями процесса являются:
– прямое алкоксисилирование металлургического кремния абсолютированным этиловым спиртом с получением триэтоксисилана;
– получение моносилана каталитическим диспропорционированием триэтоксисилана. Благодаря своей избирательности этот процесс является эффективным способом получения чистого моносилана;
– гидролиз тетраэтоксисилана – попутного продукта при получении моносилана – позволяет получать безводный этиловый спирт и возвращать его в техпроцесс.

Во Всероссийском институте электрификации сельского хозяйства разработан проект получения кремния высокой степени чистоты по бесхлорной технологии. В финансировании работы российских ученых по созданию бесхлорной технологии очистки кремния принимает участие министерство энергетики США. Реализация проекта, как считают специалисты, позволит России выйти по технологии кремния на самый передовой технический уровень и опередить конкурентов.

Ожидаемые конечные результаты реализации проекта:
– создание в России экологически чистой технологии получения кремния солнечного качества (годного для изготовления фотоэлектрических преобразователей), снижение стоимости кремния и электроэнергии от солнечных элементов в несколько раз;
– ввод в эксплуатацию опытно-промышленной установки получения моносилана и ПКК производительностью 350 кг в год с целью последующего осуществления крупномасштабного производства 1000 тонн в год;
– снижение энергозатрат при производстве ПКК с 250 кВт-ч/кг до 40 кВт-ч/кг и снижение себестоимости ПКК в 2‑3 раза.

Около половины технологических процессов прошло промышленную апробацию. Стадии очистки моносилана, алкоксисилирования и гидролиза реализованы в лабораторных установках. Успешно продолжаются работы по увеличению выхода кремния и использованию побочных продуктов. В настоящее время разработана техническая документация на пилотную линию производительностью 350 кг/год моносилана или поликристаллического кремния высокой степени чистоты, на создание которой требуется 1 год. Далее в течение еще 1 года необходимо провести работы по отработке технологии и выдаче исходных данных на технический проект крупнопромышленной установки производительностью по кремнию 1000 тонн в год. Стоимость обоих этапов работ составляет

2 млн. долл. США. Общее время, необходимое на создание 1000 тонн в год производства кремния, составляет 2‑3 года.

Основная доля всех затрат при получении кремния приходится на энергетику, поэтому дополнительного снижения стоимости кремния можно ожидать в случае использования при пиролизе моносилана не традиционного стержневого реактора, а освоение технологии разложения моносилана в «кипящем» слое, что позволит свести к минимуму энергозатраты до 10 кВт-ч/кг.

В случае успешной реализации проекта впервые в мире может быть создано экологически чистое, практически безотходное производство высокочистого кремния, которое в зависимости от спроса на рынке можно легко перенастраивать на выпуск различных продуктов: моносилана, кремния электронного или солнечного качества. А Россия на рынке продаж кремния электронного и солнечного качества, а также моносилана, являющегося основным сырьем для изготовления пленочных солнечных элементов из аморфного кремния, может не только быстро окупить все расходы по данному проекту, но и занять лидирующее положение.

Источник