Технические науки. Металлургия

Соколов Д.Ю., Баранов А.Н.

Иркутский национальный исследовательский технический университет, гр.АЗОСм-15-1.

Иркутский национальный исследовательский технический университет,

профессор кафедры металлургии цветных металлов

Развитие солнечной энергетики на основе кремния

Кремний – один из самых распространенных элементов в земной коре. По распространенности он занимает 2-ое место следуя за кислородом, сталкивается основным образом в повторяющемся виде кислородных синтезов (силикаты, кварц и т.д.). Кремния находит следующее применение:

· сырьё для металлургических производств: компонент сплава (бронзы, силумин); раскислитель (при выплавке чугуна и сталей); модификатор свойств металлов или легирующий элемент.

· сырьё для производства более чистого поликристаллического кремния и очищенного металлургического кремния (в литературе «umg-Si»);

· сырьё для производства кремний органических материалов, силанов;

· иногда кремний технической чистоты и его плав  железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях;

· для производства солнечных батарей;

Рассмотрим применение кремния в солнечной энергетике. Солнечная энергетика является одним из наиболее быстрорастущих секторов мировой энергетики. Одна из новейших областей применения чистого кремния – производство волоконных световодов для оптической связи.

Согласно мировой статистике ежегодный прирост продаж солнечных батарей и панелей в 2010-2015 гг. составляет порядка 35-45 % [1]. Прямое преобразование солнечного излучения в электрический ток осуществляется с помощью полупроводниковых фотоэлементов – солнечных батарей [2], основными материалами для изготовления которых являются кремний и арсенид галлия (GaAs). Этот компонент обеспечивает более высокий КПД фотопреобразования – до 22 % , но он существенно дороже кремния. К тому же промышленное производство кремния в настоящее время является более освоенным. По этим причинам он и является основным материалом для изготовления солнечных батарей [3]. Объем кремния, используемого для производства солнечных элементов, составил в 2014 г. ≈ 4 000 т. К 2020 г. для обеспечения потребностей рынка понадобится ≈ 50 000 т. кремния солнечного сорта. В связи с устойчивым ростом спроса ведущие фирмы-производители кремния, солнечных батарей и модулей расширяют производственные мощности и выпуск указанной продукции. Нехватка кремния является одной из наиболее серьезных сдерживающих факторов роста мировой солнечной энергетики. На первых этапах развития отрасли ее доля в мировом потреблении кремния составляла 5-10 %, а в конце текущего десятилетия данный показатель увеличился ≈ до 50 % [1]. В настоящее время количество скрапа, используемого для производства солнечных батарей, на рынке ограничено и составляет ≈ 3 000 т. Дефицит кремния сказывается на увеличении его стоимости. Так, за период со второй половины 2004 г. по конец 2005 г. контрактная цена поликристаллического кремния увеличилась на 80 % и достигла 60 долл./кг, а в 2006 г. выросла до 80 долл./кг. Цена поликристаллического кремния на рынке наличного товара уже в начале 2006 г. достигала 140 долл./кг. При этом «солнечная» индустрия потребила почти 35 % всего проданного в 2009 г. поликристаллического кремния . Что касается увеличения объемов производства технического кремния, то эта задача вполне осуществима, однако качество получаемого в электродуговой печи технического кремния даже после рафинирования не отвечает требованиям, предъявляемым к кремнию для солнечной энергетики, и требует более глубокой очистки. Добиваться повышения чистоты рафинированного кремния необходимо уже на первой стадии его производства (при карботермическом восстановлении), при этом необходимо уделять особое внимание подбору высокочистого рудного сырья и углеродистых восстановителей с низким содержанием золы.

Таким образом для обеспечения потребностей в кремнии солнечного качества необходима разработка такой технологии получения высокочистого кремния, которая позволит получать дешевый материал в достаточном для потребителей количестве. Исследователи разных стран интенсивно работают в этом направлении.

Список использованных источников

1. Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии / К. Рейви. – М.: Мир, 1984. – 475 с

2. Бюллетень иностранной коммерческой информации, № 4-5 (9250- 9251), 17.01.2008.

3. http://www.radioradar.net/hand_book/documentation/sun_bat.html