Кремний поликристаллический производство

По программе Министерства энергетики США рост наземной фото энергетики за период с 2000 по 2020 год составит от 7 до 15 ГВатт/год, и это приведет к тому, что примерно 15% энергии, вырабатываемой для применения в жилых домах, будет получено при помощи солнечных батарей (СБ).

Сейчас КПД промышленно выпускаемых СБ находится на уровне 14 – 17,5%, а ресурс достигает 10 лет.
Полный цикл производства полупроводникового моно кристаллического кремния включает в себя следующие основные этапы: получение металлургического кремния карботермическим восстановлением минерального кварцевого сырья в мощных электродуговых печах, хлорирование металлургического кремния и глубокая очистка хлорсиланов в ректификационных установках, водородное восстановление в реакторах осаждения, выращивание моно кристаллов кремния в ростовых кристаллизационных установках. К 2010 году потребности в кремнии для СБ превысят то количество материала, которое может быть получено из отходов полупроводникового производства, в 2-4 раза и составят около 30.000 тонн/год. Это связано с тем, что рост промышленного производства солнечных элементов значительно опережает темпы роста производства кремния для микроэлектроники. За последние 5 лет производство СБ наземного применения увеличивалось на 20 -30% ежегодно и этот темп роста не снижается. Очевидно, что необходимо иметь альтернативный источник дешевого (до 20 -25 долларов/кг) кристаллического кремния для изготовления СБ.
Исключение из цикла производства кристаллического кремния хлорсиланового передела и водородного восстановления позволит существенно уменьшить его стоимость, предположительно до 20 – 25 дол/кг.
Кремний как полупроводниковый материал известен немногим более полвека. Чем чище кремний, тем он дороже. Это связано с технологией очистки.

Развитие технологии получения моно кристаллов кремния идет по пути увеличения диаметра выращиваемых слитков при одновременном непрерывном ужесточении требований к совершенству кристаллической структуры и однородности распределения электрофизических характеристик в объеме материала. Кремний проходит как минимум четыре фазы обработки, прежде чем стать полупроводниковым. Сначала из кварцитов получают металлургический кремний. Его производят около миллиона тонн ежегодно – цена на кремний с чистотой 98,5-99,5% колеблется от 1,5 до 2,5 доллара за килограмм. И только около 2% этой массы идет на дальнейшую переработку для получения на завершающем этапе полупроводникового материала. Его мировое производство колеблется в районе 30 тысяч тонн в год. Лидером в отрасли являются США – 18 тысяч тонн. За ними идут Япония, Германия и Италия. Две трети этой массы поглощает индустрия микроэлектроники и только 20% остается на фото энергетику. По большому счету этих объемов ей не хватает.

В настоящее время спрос достигает 5-6 тыс. тонн в год при предложении 2300 тонн. Мировой лидер по производству поли кристаллического кремния солнечного качества – корпорация SGS AsiMI (создана совместно американской ASiMI и норвежской группой REC). Норвежской группе REC – Renewable Energy Corporation принадлежит также один из крупнейших производителей кремниевых пластин – Scan Wafer ASA. К 2012 году для изготовления 20 ГВт/год потребуется увеличить выпуск кремния солнечного качества до 200 тыс.т/год и соответственно увеличить производство металлургического кремния до 2 млн.т/год.
Самый высокий КПД единичного серийного фотоэлектрического преобразователя для
наземной фото энергетики (17…20,5%) достигнут с использованием монокристал-
лического кремния, полученного по методу Чохральского. Из мультикристаллического
кремния, пере кристаллизованного из рафинированного металлургического кремния,
величина КПД составляет 12…14%, из поли кристаллического кремния – 14…15,5%, из аморфного кремния – 5…10% .
Но имеющиеся в мире мощности по производству поли кристаллического кремния не в состоянии удовлетворить растущий спрос. Он крайне высок как со стороны полупроводниковой промышленности, так и со стороны продуцентов солнечных батарей. Эксперты считают ситуацию критической, поскольку основные поставщики (немецкие, американские, бразильские и ряд небольших китайских компаний) изо всех сил стараются удовлетворить растущие потребности рынка. Особенностью рынка кремния является то, что возможностью его производства обладают лишь несколько стран в мире, а соответствующие технологии не продаются.

Спрос на кремниевую продукцию покрывается лишь на 25%.
Если цена технического кремния колеблется в районе 1,5-3 дол/кг, то поли кристаллический кремний чистоты 99,99999 той же массы стоит уже 25–40 долларов США, чистоты 99,999999 свыше 100 дол/кг. Порезанные и отполированные с одной стороны пластины кремния толщиной 0,2-0,4 мм стоят уже 300 дол/кг.
1 доллар вложения в отрасль выдает более 100 долларов.
1 килограмм изделий микроэлектроники по стоимости равен 110 тоннам нефти.
1 рабочее место в электронике дает 4 в других отраслях.
Традиционно в России используется хлоридный (трихлорсилановый) метод получения поли кристаллического кремния из технического кремния, который был разработан и реализован в промышленности еще в середине 50-х годов фирмой Siemens. При хлорном производстве из 100% первоначально взятого сырья лишь 15% выходит в качестве товарного продукта. И даже в перечисленных выше новых русских проектах предполагается использовать эту «старую» проверенную технологию. Однако «трихлорсилановая» технология несет в себе первоначально заложенную экологическую опасность (порыв труб, разгерметизации, выбросы токсических веществ в атмосферу т.д.) Дело в том, что все хлорпроизводные кремния и хлористый водород коррозионно агрессивны по отношению к конструкционным материалам и вызывают местную коррозию, приводящую к быстрому и катастрофическому разрушению оборудования. По мнению экологов даже если производство будет идти по доработанному «замкнутому» циклу, оно будет сохранять такие первоначальные черты как: высокая энергоемкость, низкий выход продукта и экологическую опасность. К тому же, транспортировка токсичного и летучего хлорсодержащего сырья сопряжена с риском разгерметизации и заражением всего живого в радиусе многих километров.
К лету 2008 года в Норвегии (г. Кристиансанд) компанией Elkem Solar была выпущена первая партия сверхчистого «солнечного» кремния.

Представленная технология производства не имеет аналогов в мире. В основу берется чисто «металлургический» процесс восстановления SiO2 в плазме. Технология использует металлургический кремний и не отягощена токсичными трихлорсилановыми реакциями. И хотя чистота выпускаемого кремния уступает кремнию, полученному газовым трихлорсилановым путем, она находится в допустимых для «солнечного» кремния пределах.
Принципиальным здесь является то, что представленная к производству технология позволяет снизить расход электроэнергии, затраченной на получения одного килограмма кремния примерно в 5 раз в сравнении с действующими на сегодня производственными технологиями. Там где традиционно потребление энергии исчисляется в пределе 75-130 кВ/кг, новый норвежский вариант рассчитан на энергозатраты от 10 до 20 кВ/кг. Завод планирует выпуск 5000 тонн кремния в год, хотя его производственные мощности рассчитаны на последующее увеличения объёма продукции.
Китай ставит своей целью выход в лидеры как по производству, так и по потреблению высокотехнологичной продукции в ближайшие 5–10 лет. В 2007 году китайские предприятия электроники оплачивали фьючерсы на поли кремний на 10 лет вперед по $80/кг. Эксперты уверяют, что спрос на кристаллы кремния останется стабильным как минимум три десятилетия, пока он будет составлять основу электроники, а лучшие умы не придумают более подходящего материала. Выделяется и очень агрессивен на мировом рынке Китай. Он контролирует более 35% мирового рынка этого металла. Причем, коньюктуру этого рынка Китай не просто отслеживает – он активно на нее влияет.
Наши ученые провели первые плавки металлургического кремния в поликристаллический в вакуумных печах способом электронно-лучевого переплава. Во все случаях результаты обнадеживающие. Требуется инвестор для доработки этой экологически чистой технологии, требующей вложений на порядок меньше, чем хлорная технология.
Ответим на ваши вопросы по возможному сотрудничеству.

Данная информация была опубликована на сайте www.newbiz.com.uaГотовый бизнес, Инвестиции, Франчайзинг. Администрация www.newbiz.com.ua

Контакты (контактное лицо, телефоны, адреса):

Аркадий Чернюк, +38098-2095588

Email: sluch1@ua.fm

Прочтите также