Кремний для солнечной энергетики

Кафедра совместно с Институтом геохимии СО РАН (ИГХ СО РАН) ведет исследования по прямое получению мультикристаллического кремния (мультикремния) методом направленной кристаллизации из рафинированного металлургического кремния. Проводятся лабораторные работы по измерению электрофизических параметров кремния, планируется ввести лабораторный практикум от National Instruments по фотовольтаике. Многие студенты выполняют курсовые и дипломные работы в рамках направления «Кремний для солнечной энергетики».

Актуальность этого направления обусловлена следующим. За последние годы наблюдается устойчивый рост выпуска солнечных модулей (более чем на 30% ежегодно), причем лидирующее положение (более 85% рынка) сохраняют фотоэлементы (ФЭП) на основе моно- и мультикристаллического кремния. В 2008 году мировой объем производства достиг 5,6 ГВт установленной мощности, превысив в 5 раз прогноз, сделанный в 2001 году. К 2013 году объем выпуска увеличится до 22 ГВт. Бурный рост производства ФЭП привел к дефициту кремния солнечного качества. Если в 2008 году было использовано порядка 50 000 тонн кремния, то к 2013 потребуется пятикратное увеличение объемов производства кремния для нужд солнечной энергетики.
Для промышленного получения поликристаллического кремния используется в основном известная более 50 лет технология Сименс — процесса, основанная на реакции водородного восстановления трихлорсилана SiHCl3 при температурах около 1100 градусов Цельсия. Это экологически неблагоприятный, энергоемкий и малоэффективный процесс, не позволяющий снижать себестоимость кремния ниже 50$/кг. Так, затраты энергии на реакцию восстановления кремния и последующую его очистку химическими методами составляют 250 кВт.ч/кг, при выходе кремния 10 — 15%. Недостатком промышленных методов является использование процессов синтеза и очистки SiHCl3, который получают из металлургического кремния и HCl с применением катализаторов. Поэтому весьма актуальной является разработка нового высокоэффективного и энергосберегающего метода получения кремния для нужд солнечной энергетики.

Принципиально новым направлением является прямое получение мультикристаллического кремния (мультикремния) методом направленной кристаллизации из рафинированного металлургического кремния, развиваемое группой исследователей СО РАН. Внедрение этой технологии в промышленность позволит снизить себестоимость мультикремния до 15 $/кг. Разрабатываемая технология производства кремния солнечного качества методом прямого восстановления из природно-чистых кварцитов с последующим получением на создаваемой ростовой установке слитков мультикремния с параметрами, приведенными в таблице 1 обеспечит следующие характеристики: расход электроэнергии 30-40 кВт.ч/кг, выход кремния 80-85%, себестоимость кремния 15 долл/кг. В новой технологии химические методы заменены на экологически приемлемые физико-химические методы.