Представлен краткий обзор об основном строительном материале современной электроники – кремнии. Представлены история исследования его свойств, методы получения и наиболее актуальные перспективы его использования в будущем.
Что такое солнечная батарея? В Википедии (ее англоязычном варианте) указывается, что это устройство, превращающее энергию солнечного света непосредственно в электрическую, действие которого основано на фотоэффекте. Еще в 19 веке А.Э.Беккерель – французский физик – публиковал работы по солнечному излучению, проводил связанные с этим исследования в области химии, электричества, гальваники (см. рис. 1).
Рис. 1. А.Э.Беккерель – французский физик (Из Википедии).
Первая солнечная батарея появилась в 1883 году в виде селеновой подложки покрытой золотом. Ее КПД составил около 1%, а изобретатель – Чарльз Фриттс – был американским исследователем.
Рис. 2. Чарльз Фриттс – американский изобретатель.
Немецкий же ученый Генрих Герц (см. рис. 3), работая с открытым резонатором, обнаружил, что при освещении цинковых разрядников вероятность пробоя искры существенно возрастает.
Рис. 3. Генрих Герц – немецкий ученый (Из Википедии).
Систематически изучил фотоэффект русский ученый Александр Столетов (см. рис. 4). Им был выведен и первый закон фотоэффекта, который гласит, что количество эмитируемых в результате фотоэффекта электронов пропорционально интенсивности излучения, а не его частоте. От частоты падающего света зависит энергия фотоэлектронов.
Рис. 4. Алекса́ндр Григо́рьевич Столе́тов — российский физик.
Это уже постулировал Эйнштейн (см. рис. 5), добавив, что энергия поглощается квантами и энергия самого кванта идет как на ионизацию (разрыв связей), отрыв электрона от атома, так и на сообщение ему кинетической энергии (см. рис. 6).
Рис. 5. Альберт Эйнштейн — физик.
Рис. 6. Закон Эйнштейна.
Возвращаясь из прошлого в наши дни, первым, что приходит в голову при упоминании о солнечных батареях, является кремний. Именно кремнию суждено было стать материалом солнечной энергетики. Широкое распространение в природе, легкость, подходящая ширина запрещенной зоны для поглощения энергии солнечного спектра.
В упрощенном виде солнечную батарею можно представить в виде «бутерброда»: она состоит из слоев кремния, легированных для получения p-n перехода (см.рис. 7).
Рис. 7. Конструкция солнечной батареи (Electronic Materials © Prof. Dr. Helmut Foell).
Как известно, контакт полупроводников с различными типами проводимости (электронной в n-типа и дырочной в p-типа) создает потенциальный барьер – зону объемного заряда, образующуюся в результате диффузионного проникновения носителей. В результате световой генерации неравновесных носителей заряда электроны вблизи перехода, сделавшие переход в зону проводимости в p-материале, завлекаются полем объемного заряда в n-область. Точно также и дырки, оставшиеся после перехода электрона в зону проводимости в n-материале, завлекаются в р-область. В результате появляется дополнительный отрицательный заряд в n-области и положительный – в p-области. Снижается потенциальный барьер и во внешней цепи появляется напряжение. Существуют многокаскадные солнечные батареи, которые захватывают большую часть спектра за счет использования материалов с различными запрещенными зонами.
В современной солнечной технологии используется кристаллический кремний. Всего существует три производственных вида такого кремния.
Рис. 8. Рабочая схема установки для выращивания кристаллов кремния по методу Чохральского (Electronic Materials © Prof. Dr. Helmut Foell).
Монокристаллический выращивается методом Чохральского (рис. 5). Исходный материал – измельченный поликристаллический кремний, полученный Сименс-методом (CVD, chemical vapor deposition, процесс химического осаждения поликремния из газовой фазы), о котором расскажем ниже, – погружается в тигель и нагревается до образования расплава.
Рис. 9. Образец затравки, используемой в методе Чохральского (Wacker / Siltronic; Burghausen, Germany).
Затем в расплав погружают затравочный кремниевый стержень (рис. 9) и начинают его вращение, при этом тигель вращается в противоположную сторону для перемешивания расплава и выравнивания температуры. Скорость вращения и температура определяют величину диаметра кристалла. Фронт кристаллизации расположен над поверхностью расплава, т.е. кристалл растет сверху-вниз. Готовый брусок разрезается на круглые пластинки (рисунок 10, 11).
Рис. 10. Выращенный методом Чохральского монокристаллический кремний (© «Smithsonian», Jan 2000, Vol 30, No. 10).
Рис. 11. Как разрезают кремний (Electronic Materials © Prof. Dr. Helmut Foell).
В России производство поликристаллического кремния представлено компанией NITOL SOLAR в Иркутской области (рис. 12). А началось все со строительства нескольких цехов в городе Усолье-Сибирское Иркутской области в середине 30-х годов прошлого века.
Рис. 12. Как разрезают кремний (Electronic Materials © Prof. Dr. Helmut Foell).
Первой выпущенной продукцией предприятия стала этиловая жидкость, затем – хлор, перекись водорода, поливинилхлорид и многое другое. Сегодня производственная деятельность NITOL SOLAR осуществляется на базе двух дивизионов – «Химия» и «Поликристаллический кремний». Дивизионы компании интегрированы в единую производственную цепочку. Дивизион «Химия» производит хлороводород и вспомогательные продукты, используемые в производстве трихлорсилана дивизиона «Поликристаллический кремний». Трихлорсилан является, в свою очередь, сырьем для производства поликремния (ПКК).
Рис. 13. Карботермическое восстановление кремния (Electronic Materials © Prof. Dr. Helmut Foell).
Основой для получения поликристаллического кремния является кремнезем (диоксид кремния). Методом карботермического восстановления при Т=1800 С получают технический кремний, который впоследствии подвергается дополнительной химической очистке. Карботермическое восстановление (рис. 13) включает в себя несколько химических процессов:
- получение карбида кремния:
SiO2 + 3C = SiC + 2CO,
- получение кремния (конечная стадия):
SiO2 + 2SiC = 3Si + 2CO.
Суммарная реакция такова:
SiO2 + 2С = Si + 2CO.
Полученный кремний необходимо дополнительно очистить. После обработки сухим хлористым водородом, под давлением, в реакторах кипящего слоя при температуре около 300 С – металлургический кремний превращается в трихлорсилан SiHCl3 (рис. 14).
Рис. 14. Схема производства поликристаллического кремния (Nitol Solar Limited. © 2008).
При прохождении через реактор ТХС разлагается на поверхности нагретых стержней-затравок с образованием поликремния. В этом и заключается Сименс-процесс, обеспечивающий еще большую чистоту получаемого поликремния (см. рис. 15). Чистый поликремний разрезается на пластины, используемые в дальнейшем для производства солнечных батарей.
Рис. 15. Сименс-процесс – заключительная операция по изготовлению поликристаллического кремния (Electronic Materials © Prof. Dr. Helmut Foell).
По данным сайта компании NITOL SOLAR в настоящее время более 80% производимых в мире солнечных фотоэлементов (ФЭП) изготавливается на основе кристаллического кремния. В 2009 г. 34% ФЭП были изготовлены на основе монокристаллического кремния, 47% – на основе поли- или мультикристаллического кремния, 1,5% – в виде микрокристаллических кремниевых лент.
Рис. 16. Сравнение процессов производства моно- и поликристаллического кремния (2010 Sharp).
Солнечная энергетика продолжает развиваться во многом благодаря кремнию. В разных странах мира существуют программы, поддерживающие использование солнечных панелей для бытовых нужд. Солнечные батареи используются на космических станциях. Даже опытные образцы летательных аппаратов снабжаются солнечными батареями на кремнии. Кремний дал имя всемирно известной Кремниевой долине. Это материал, без которого невозможно представить себе современный мир.
Отметим, что в 2006 году стоимость одно кВтч электроэнергии составляет $0,5. Это примерно в 10 раз дороже, чем от ископаемого электричества. Но по прогнозам ученых уже к 2010 году эта стоимость упадет вдвое. А к 2030 – в восемь раз. Крупнейшие компании солнечного рынка по данным сайтаwww.solarbuzz.com:
- Германия – Q-Cells, SOLARWATT, Sunways, Solarwerk.
- Япония – Fuji Electric, Sharp Corporation, Mitsubishi Electric.
- США – Kyocera Solar, SunEarth Inc, American SunCo.
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..
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.
Рис. 18. Солнечные батареи на кремнии – основа солнечной энергетики.
Cтатья подготовлена и отредактирована Филипповым Ю.П. по материалам статьи Клюева П.В.
