ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

1. Металлургия

Е.Я. Швец, Ю.В. Головко

Запорожская государственная инженерная академия

Анализ состояния технологий кремния для солнечных батарей

В Украине в настоящее время практическое использование солнечных батарей крайне ограничено, в то время как солнечная энергия уверенно становится серьезной альтернативой традиционной мировой энергетике. Ещё три года назад прогнозировалось [1], что установленная мощность солнечных батарей в мире составит к 2030 году 300 ГВт при стоимости электроэнергии 0,05…0,12 евро/кВт∙ч. Однако проблемы с поставками Россией природного газа в Европу, возникшие в 2006 году, привели страны Евросоюза и США к решению форсировать внедрение возобновляемых источников энергии в свою энергетику. В 2006 году установленная мощность солнечных батарей в Европе достигла 2,73 ГВт, а в мире – 6,63 ГВт.

Состояние вопроса. Главный фактор, ограничивающий массовое использование солнечных батарей – их высокая стоимость. В настоящее время 95% солнечных элементов, как наземного, так и космического назначения, изготавливаются на основе кремния: 43,4 % - монокристаллического, 46,5 % - поликристаллического (мультикремния) и 4,7 % -аморфного. По прогнозам, солнечный кремний и в дальнейшем будет доминировать в фотоэлектрической промышленности. Поскольку стоимость кремниевых пластин составляет более половины себестоимости солнечной батареи, удешевление кремния – актуальная задача солнечной энергетики.

Постановка задачи. Задача настоящего исследования – проанализировать технологические возможности производства дешёвого кремния для солнечных батарей.

Для снижения себестоимости монокристаллов кремния для солнечной энергетики к их параметрам предъявляются менее жёсткие требования (табл. 1), чем к параметрам монокристаллов для интегральных микросхем: допускаются на порядок меньшие значения времени жизни неравновесных носителей заряда, более высокие концентрации загрязняющих примесей металлов, кислорода и углерода.

Таблица 1 – Требования к параметрам монокристаллов кремния для солнечной энергетики

Диаметр, мм	Концентрация металлов, см^-3	Концентрация кислорода, см^-3	Концентрация углерода, см^-3	Рекомбинационное время жизни неравновесных носителей заряда, мкс
100, 135, 152, 165, 200	£ 10^13	£ 10^19	£ (5…8) · 10^16	> 10…20

Это позволяет использовать в качестве сырья для выращивания монокристаллов более дешёвый (менее чистый) поликристаллический кремний «солнечного» качества (табл. 2).

Таблица 2 - Характеристики кремниевого сырья для выращивания монокристаллов кремния солнечного применения

Содержание примесей, см^-3				Удельное сопротивление, Ом×см
Доноры P, As, Sb	Акцепторы B, Al	Углерод	Металлы Fe, Ti, Cr, Ca, Na
< 1,5×10^13	< 5×10^12	< 2,5×10^16	< 7×10^14	По донорам >100, по акцепторам >1000

Жёсткие меры по снижению себестоимости предпринимаются на всех технологических этапах выращивания монокристаллов кремния «солнечного» качества. Снижению себестоимости на этапе выращивания монокристалла в Украине и России служит наличие здесь установок Чохральского типа «Редмет 30», не полностью выработавших ресурс и пригодных после небольшой модернизации внутренней оснастки к выращиванию монокристаллов кремния диаметром до 200 мм. Наличие высокопрофессионального рабочего персонала и сравнительно невысокий уровень оплаты труда в этих странах обеспечивают хорошую конкурентоспособность производства таких монокристаллов на мировом рынке кремния для солнечных элементов.

Кардинального удешевления солнечных батарей можно достичь заменой монокристаллического кремния поликристаллическим.

Наиболее перспективным материалом для изготовления дешёвых солнечных элементов считается поликристаллический кремний со столбчатой структурой блоков (мультикремний). Эффективность солнечных элементов, изготовленных из пластин, вырезанных по нормали к оси столбчатых кристаллов, в настоящее время составляет 15%, а в опытных образцах достигла 22% [2], то есть приближается к эффективности элементов на основе монокристаллического кремния при значительно более низкой себестоимости.

Мультикремний для фотоэлектрических преобразователей получают различными методами из высокочистого рафинированного технического кремния. В последние 7 лет в России активно создаётся технологическая база производства мультикремния для солнечных элементов методами направленной кристаллизации рафинированного металлургического кремния. Рафинированный кремний получают из чистых природных кварцитов из месторождений Восточно-Сибирского региона России. Для выращивания слитков мультикремния применялся [2] комбинированный метод Стокбаргера – Штекера, что позволило объединить в едином процессе очистку металлургического кремния от примесей и формирование столбчатой структуры слитка с поперечным сечением зёрен от 2 до 5 мм. Полученный в этом процессе мультикремний имеет удельное сопротивление 0,1…10 Ом·см, концентрацию носителей до 2·10¹⁷ см^-3, подвижность до 150 см²/В·с, время жизни до 30 мкс, что достаточно для создания солнечных батарей.

Разработана также нетрадиционная двухстадийная технология карботермического восстановления кремния и его дальнейшего рафинирования плазмохимическим методом [3]. Технология позволяет получать кремний со сравнительно низким содержанием бора, пригодный для изготовления мультикремния методами перекристаллизации.

Другая технология, также разработанная в России, позволяет получать из отходов фосфатного производства минеральных удобрений высокочистый металлургический кремний по себестоимости вдвое ниже мировых расценок. Восстановление кремния осуществляется в замкнутом циркуляционном контуре с расплавленным натрием, куда непрерывно подаются кремнийсодержащее сырье и водород. Восстановленный кремний осаждается на подложку и имеет низкое содержание примесей. Следует отметить, что данная технология вызывает сомнения в связи с неизбежным загрязнением кремния примесью натрия, допустимая концентрация которого в полупроводниковом кремнии равна 4×10¹⁴ см^-3.

Заключение. Развитие солнечной энергетики – необходимая составляющая мер по снижению энергозависимости экономики Украины от импорта энергоносителей. Производство дешёвого мультикремния из очищенного металлургического кремния позволит создавать экономичные солнечные элементы. В Запорожье на ряде заводов имеются сырьё и законсервированные производственные мощности по производству металлургического кремния и по его зонной очистке. При наличии инвестиций в такие технологии производство мультикремния для солнечных элементов может быть организовано в сжатые сроки.

Литература

1. Stefan Novak. Photovoltaic in the world. Status and Future Trends. Chairman IEA PVPS. Seminar in PV Research & Technological Development in European Union New Member and Candidate States. Warsaw, Poland 15 Nov. 2004.

2. Непомнящих А.И., Еремин В.П., Красин Б.А., Федосенко В.А. Кремний для солнечных энергосистем. – Тезисы докладов совещания Кремний – 2002. Новосибирск, 9-12 июля 2002г. С. 138.

3. Абдюханов И.М. Разработка основ технологии производства металлурчического кремния повышенной чистоты для наземной фотоэнергетики // Российский хим. ж., 2001, т. ХLV, № 5-6. – С. 107 – 111.