ФЭП третьего поколения

Солнечная энергетика на основе кремния-энергия будущего
Антропогенные факторы разрушают химические процессы, регулирующие основные экосистемы.
Углекислый газ, который природа миллионы лет удаляла в кладовые земли в виде угля и нефти, человек за несколько десятилетий XX в. снова выбросил в атмосферу. Ежегодные выбросы пыли, копоти и сажи к 2006 г. составили
6,7 млрд т. Их концентрация в атмосфере достигла 373 ед. Экологи считают,
что такого уровня она не достигала за предшествующие 20 млн лет. Это стало
одним из самых мощных факторов изменения климата, явлением, которое уже
почувствовали в своей повседневной жизни все земляне.
За последние 50 лет среднемировая температура повысилась
почти на 1 °С (с 13,87 в 1950 г. до
14,53 в 2004 г.). Со времени начала
регистрации температуры, более
ста лет тому назад, девять самых
высоких среднегодовых температур
в мире отмечены в последние 12
лет. За 250 лет промышленной революции концентрация углекислого газа в атмосфере увеличилась на
31 %, в том числе на 18 % с 1960 г.
Чем больше повышается температура, тем меньше способен океан
Рис. 1. Уральский алюминиевый завод и
поглощать сажу. Установлено, что Красногорская ТЭЦ, вырабатывающая элекее содержание в океане в 50 раз
троэнергию для завода и города
выше, чем в атмосфере. По мере
повышения температуры вод океана снижается их способность абсорбировать
сажу из атмосферы. Это означает, что парниковый эффект ускоренно нарастает.
США, население которых составляет 4 % мирового, выбрасывают в атмосферу четверть всей пыли, копоти и сажи — в 17 раз больше на душу населения, чем в Индии, численность населения которой приближается к миллиарду.
Повышение температуры для многих людей, например для россиян, живущих в самой холодной стране, может казаться долгожданным благом. На деле оно ведет к нарушениям привычных природных явлений и ритмов. Тают
ледники и айсберги. Глобальный уровень Мирового океана поднимается на несколько миллиметров в год. Казалось бы, что особенного: речь о миллиметрах!
Но за прошлое столетие океан поднялся на 10-20 см. Ученые считают, что в
XXI в. уровень океана может подняться на 50 и даже на 100 см.
1
Это означает, что миллионы гектаров суши уйдут под воду, в том числе
многие островные государства на Тихом океане. Одновременно быстро увеличивается численность населения на земном шаре.
Рост народонаселения сам по себе не является решающим фактором загрязнения окружающей среды. Решающим является использование энергии и
то, из чего она производится и как расходуется. Жизнь есть потребление и отдача энергии. Энергоносители стали решающим фактором и современного производства, и современной геополитики. В экономической науке уже давно используется показатель энергоемкости, измеряемой затратой энергии на денежную единицу продукции. Подсчитано, что за 120 лет (с 1850 по 1970 г.), число
жителей на нашей планете утроилось, а потребление энергии увеличилось в 12
раз. Если потребление энергии будет расти прежними темпами, то к 2050 г. оно
должно увеличиться еще в 5 раз. И это несмотря на известные успехи в снижении на 28 % энергоемкости продукции, достигнутые после нефтяного эмбарго,
объявленного в 1973 г. нефтедобывающими странами, и роста цен на нефть.
Использование возобновляемых источников энергии остается по-прежнему
низким.
Исходя из выше сказанного, возникает вопрос: как выйти из сложившейся
ситуации? Так как человечество не может уменьшить использование энергии,
то лучший вариант решения проблемы будет переход на альтернативные ис-
Рис. 2. Солнечные батареи на основе кремния
точники энергии, такие как солнечная энергия, ветроэнергетика, геотермальная
энергетика, водородная энергетика и другие.
Мы расскажем о солнечной энергетике, так как кремний есть основа для
производства солнечных элементов, является предметом нашего изучения.
2
Солнечная энергетика – направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в
каком-либо
виде.
Солнечная
энергетика
использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не
производящей вредных отходов.
Солнечная энергия, реально поступающая за три дня на территорию России, превышает энергию всей годовой выработки электроэнергии в нашей
стране. Преимущества технологий, использующих энергию солнца, в том, что
при работе солнечных установок практически не добавляется тепло в приземные слои атмосферы, не создается тепличный эффект и не происходит загрязнения воздуха. Но у солнечной энергии есть недостаток - ее зависимость от состояния атмосферы, времени суток и года.
В 2011-м было установлено 29,7 ГВт солнечных модулей по сравнению с
16,8 ГВт в 2010 году. В Европе рост объемов составил более 75 %. Лидерами по
установленным мощностям в 2011 году являются Италия и Германия. Общая
установленная мощность солнечных модулей составила к 2012 году 69,684 ГВт.
Годовой объем вырабатываемой электроэнергии солнечными батареями составил 2 % в Европе и 0,5 % в мире. К 2020 году выработку электроэнергии солнечными батареями в Европе планируется увеличить до 12 %. Во всех развитых
странах солнечная энергетика поддерживается правительствами. При продолжающейся поддержке объемы производства и инсталляции солнечных батарей
увеличатся до 77 ГВт в год к 2016 году, и общий объем установленных солнечных батарей в мире составит 340 ГВт, причем существенно увеличится доля
Америки, Китая и стран Азиатско-Тихоокеанского региона.
Таблица 1. Суммарные мощности фотоэлектрических станций
в 2009 году
Суммарные мощности фоСуммарные мощности фоСтрана
тоэлектрических станций,
Страна
тоэлектрических станций,
МВт.
МВт.
Германия
9779
Чехия
465
Испания
3386
Бельгия
363
Япония
2633
Китай
305
США
1650
Франция
272
Италия
1186
Индия
120
Весь
Ю. Корея
520
22893
мир
К сожалению, в энергетической стратегии России практически не рассматривается развитие солнечной энергетики. Однако в Российском сегменте
производства солнечных энергосистем в последние годы наблюдается заметное
оживление. Ряд крупных российских предприятий являются участниками Европейской программы «Солнечный поток». С учетом этой программы и программ, поддержанных РосНАНО потребность Российского рынка в высокока3
чественных сортах кремния для реализуемых инновационных проектов составляет более 70 тыс. тонн.
Используют солнечную энергию в основном двумя методами - в виде
тепловой энергии путем применения различных термосистем или посредством
фотохимических реакций.
Более эффективный путь использования солнечной энергии - это непосредственное преобразование ее в электрическую в фотоэлементах. Фотоэлементы представляют собой светочувствительные пластины из полупроводникового материала: селена, кремния, арсенида галлия, диселенида кремния и т.д.
Фотоэлектричество производится, когда частицы света (фотоны), поглощенные
полупроводником, создают электрический ток. Солнечные батареи могут быть
различной мощности – от портативных установок в несколько ватт до многоваттных электростанций, покрывающих миллионы квадратных метров площади.
Для того чтобы не зависеть от суточного и сезонного солнечного цикла и
состояния атмосферы существуют технические методы накопления энергии такие как: электрохимическое накопление аккумуляторами, механическое накопление (с помощью вращающихся маховиков) и в форме водорода. Также возможно сочетание фотоэлементов с другими источниками энергии, например,
наиболее вероятно сочетание с ветровыми установками, а также с системами на
ископаемом топливе.
Фотоэлектрические системы (солнечные батареи) требуют минимального
обслуживания, в них не используется вода, и поэтому они хорошо приспособлены для отдаленных и пустынных районов. Этот способ преобразования солнечной энергии является долговечным и экологически чистым, а также сам может быть использован для улучшения экологической обстановки в месте использования, а в перспективе и для регулирования экологических условий на
больших территориях.
Принцип работы фотоэлектрических преобразователей, первые рабочие
экземпляры которых появились достаточно давно, на самом деле достаточно
простой для понимания человеком, имеющим только знания со школьной скамьи. Не секрет, что p-n переход может преобразовывать свет в электроэнергию.
В школьных опытах нередко проводят эксперимент с транзистором со спиленной верхней крышкой, позволяющей свету падать на p-n переход. Подключив к
нему вольтметр, можно зафиксировать, как при облучении светом такой транзистор выделяет мизерный электрический ток. А если увеличить площадь p-n
перехода, что в таком случае произойдет? В ходе научных экспериментов прошлых лет, специалисты изготовили p-n переход с пластинами большой площади, вызвав тем самым появление на свет фотоэлектрических преобразователей,
называемых солнечными батареями.
Принцип действия современных солнечных батарей сохранился, несмотря на многолетнюю историю их существования. Усовершенствованию подверглась лишь конструкция и материалы, используемые в производстве, благодаря
4
которым производители постепенно увеличивают такой важный параметр, как
коэффициент фотоэлектрического преобразования или КПД устройства. Стоит
также сказать, что величина выходного тока и напряжения солнечной батареи
напрямую зависит от уровня внешней освещенности, который воздействует на
неё.
Рис. 3. Принцип работы фотоэлектрических преобразователей
На рисунке 3 выше можно видеть, что верхний слой p-n перехода, который обладает избытком электронов, соединен с металлическими пластинами,
выполняющими роль положительного электрода, пропускающими свет и придающими элементу дополнительную жесткость. Нижний слой в конструкции
солнечной батареи имеет недостаток электронов и к нему приклеена сплошная
металлическая пластина, выполняющая функцию отрицательного электрода.
В настоящее время принято различать три поколения ФЭП:
ФЭП первого поколения:

Кристаллические:

монокристаллические кремниевые;

поликристаллические (мультикристаллические) кремниевые;

технологии
выращивания
тонкостенных
заготовок:
EFG
(Edgedefinedfilm-fedcrystalgrowthtechnique), S-web (Siemens), тонкослойный поликремний (Apex).
ФЭП второго поколения:

Тонкоплёночные:

кремниевые: аморфные, микрокристаллические, нанокристаллические, CSG (crystallinesilicononglass);
5
на основе теллурида кадмия (CdTe);

на основе селенида меди-индия-(галлия) (CI(G)S);
ФЭП третьего поколения:

фотосенсибилизованные краситилем (dye-sensitizedsolarcell, DSC);

органические (полимерные)
ФЭП (OPV);

неорганические
ФЭП
(CTZSS);

ФЭП на основе каскадных
структур.
В 2005 году на тонкоплёночные
фотоэлементы приходилось 6 % рынка.
В 2006 году тонкоплёночные фотоэлементы занимали 7 % долю рынка. В 2007
году доля тонкоплёночных технологий
увеличилась до 8 %. В 2009 году доля
тонкоплёночных фотоэлементов выросла
до 16,8 %.
За период с 1999 года по 2006 год
поставки тонкоплёночных фотоэлеменРис. 4. Сименс-процесс – заключи- тов росли ежегодно в среднем на 80 %.
Поликристаллический
кремтельная операция по изготовлению
ний («поликремний») – наиболее чистая
поликристаллического кремния
форма
промышленно
производимого кремния – полуфабрикат, получаемый очисткой технического кремния хлоридными и фторидными методами и используемый для производства моно- и
мультикристаллического кремния.
В настоящее время различают поликремний «электронного» (полупроводникового) качества (более дорогой и чистый) и поликремний «солнечного»
качества (более дешёвый и содержащий больше примесей).
Традиционно поликристаллический кремний получают из технического кремния путём перевода его в летучие силаны (моносилан, хлорсиланы,
фторсиланы) с последующими разделением образующихся силанов, ректификационной очисткой выбранного силана и восстановлением силана до металлического кремния.
Изначально при промышленном производстве поликремния использовались хлорсиланы. На 2011 год технологии на основе трихлорсилана остаются
доминирующими. Идущие на смену хлорсилановым, фторсилановые технологии считаются более дешёвыми, но менее экологичными.
Для восстановления кремния в технологиях, использующих трихлорсилан, в основном применяется Сименс-процесс: в протоке реакционной парогазовой смеси силанов и водорода на поверхности нагретых до 650–1300 °С

6
кремниевых стержней (либо крошек в кипящем слое) происходит восстановление силана и осаждение свободного кремния. Температурный режим существенно зависит от особенностей конструкции реактора и технологии. За счёт
высокой температуры стержней освобождающиеся атомы кремния сразу встраиваются в кристаллическую решётку образуя кристаллы дендритной структуры. Образующиеся в ходе реакции газообразные продукты уносятся протоком
непрореагировавшей парогазовой смеси и после очистки и разделения могут
быть использованы повторно.
Ниже приведены стадии получения поликремния в Сименс-процессе.
Синтез трихлорсилана методом низкотемпературного каталитического гидрирования четыреххлористого кремния:
3SiCl4 + 2H2 +Siмет. ↔ 4SiHCl3
Четыреххлористый кремний преобразуется в трихлорсилан с использованием
рецикла образующихся побочных кремнийсодержащих веществ, что снижает себестоимость и устраняет экологические проблемы:
2SiHCl3 ↔ SiH2Cl2 + SiCl4
2SiH2Cl2 ↔ SiH3Cl + SiHCl3
Рис. 5. Поликристаллический
2SiH3Cl ↔ SiH4 + SiH2Cl2
кремний, полученный с помощью
SiH4 ↔ Si + 2H2
Сименс-метода
Выделяющийся при этом водород можно использовать многократно.
EPC Company Group предложила EPC-SCHMID
технологию, основанную на диспропорционировании
хлорсиланов, очистке и последующем пиролизе моносилана. По уверениям разработчиков по энергоёмкости и
материалоёмкости технология выигрывает примерно по
30 % по сравнению с традиционным Сименс-процессом
и обеспечивает выход годного продукта на уровне 80 %
при дополнительной очистке поликремния от бора.
Известны, но пока не получили широкого применения методы получения поликристаллического кремния через аморфную фазу методами гидролиза силанов а
также восстановления силанов в плазме ВЧ и СВЧ разрядов в связи с легкой загрязняемостью и сложностью
перевода аморфного кремния в кристаллическую фазу.
К монокристаллическому кремнию относятся цилиндрические слитки кремния выращенные методом
Чохральского. Слитки могут иметь монокристалличеРис. 6. Монокристалл скую бездислокационную структуру (число дислокаций
кремния, выращен7
ный по методу Чохральского
не более 10 шт./кв. см); монокристаллическую структуру с линиями скольжения, двойниковую структуру (двух и трёхзеренные кристаллы), поликристаллическую структуру с мелким и крупным зерном.
В зависимости от условий выращивания слитки, имеющие в верхней
(призатравочной) области бездислокационную структуру, могут прекращать
бездислокационный рост образуя сначала в структуру с линиями скольжения (в
ходе роста развивающиеся линии скольжения прорастают в бездислокационную часть слитка на длину порядка диаметра слитка) а затем поликристаллическую структуру образуемую постепенно уменьшающимся до 2-3 мм в поперечном сечении кристаллитами.
Двойниковые кристаллы, выращиваемые от двойниковых затравок, изначально имеют на междвойниковой границе источники дислокаций. Поэтому в
двойниковых кристаллах постепенно (на расстоянии порядка 2-3 диаметров
слитка) развиваются существенные включения поликристаллических областей,
постепенно поглощающих кристаллиты изначальной двойниковой структуры.
Выращенные кристаллы монокристаллического кремния подвергаются
механической обработке.
Как правило, механическая обработка слитков кремния ведётся с использованием алмазного инструмента: ленточных пил, пильных дисков, шлифовальных профилированных и непрофилированных дисков, чаш. На текущий
момент (2009 год) в оборудовании для первоначального раскроя и квадратирования слитков наблюдается постепенный переход с ленточных пил на проволочную резку алмазно-импрегнированной проволокой, а также проволочную
резку стальной проволокой в карбид-кремниевой суспензии.
При механической обработке сначала из слитка вырезают части пригодные (по своим структурным, геометрическим и электрофизическим свойствам)
для изготовления приборов. Затем монокристаллический кремний, предназначенный для изготовления электронных приборов (электронный кремний), подвергается калибровке под заданный диаметр. В некоторых случаях на образующей полученного цилиндра выполняется базовый срез, параллельный одной
из кристаллографических плоскостей. Монокристаллический кремний, предназначенный для изготовления фотоэлектрических преобразователей калибровке
не подвергают, но выполняют так называемое квадратирование. При квадратировании обрезаются сегменты с образующей цилиндра до образования полного
квадрата или неполного квадрата (псевдоквадрата), который образован симметрично расположенными неполными сторонами квадрата с диагональю большей, чем диаметр слитка, соединёнными по дуге оставшейся образующей цилиндра. За счет квадратирования обеспечивается более рациональное использование площади куда устанавливаются псевдоквадратные кремниевые пластины.
К мультикремнию относят прямоугольные блоки поликристаллического
кремния, получаемые в больших тиглях (контейнерах) прямоугольной формы
методом направленной кристаллизации. При кристаллизации температура расплава кремния в тигле (контейнере) по высоте постепенно понижается тем са8
мым кристаллиты растут в одном направлении постепенно разрастаясь и вытесняя более мелкие кристаллиты. Размер зерна поликристалла выращенного
таким образом может достигать в сечении перпендикулярном направлению роста 5-10 мм. Получившиеся блоки обрезают для удаления краевых участков,
содержащих частицы тигля-футеровки, а полученный блок разрезают на призмы квадратного сечения с размерами 100х100 мм, 125х125 мм, 150х150 мм,
170х170 мм, 200х200 мм в зависимости от используемой технологии.
До 2010 года в Германии и Японии планируется ежегодно увеличивать
рынок солнечных элементов на 25 %. К “солнечным гонкам” присоединяются
такие страны, как Южная Корея, Испания и Китай. Солнечная энергетика быстро развивающийся рынок. Та страна, которая перейдет по максимуму на солнечную энергию первой, имеет прекрасные перспективы в будущем.
9