Перспективи і проблеми сонячної енергетики

Відомо, що до 40% зростання енергоспоживання припадає на сектор індустрії, що займається виробництвом електроенергії. Відповідно високі викиди діоксиду вуглецю пов'язані з сектором енергетики [1]. За даними статистики, щорічний приріст споживання енергії складає 2,5-3,5%. Якщо така тенденція збережеться, то підвищення вмісту діоксиду вуглецю в атмосфері за рахунок спалювання вуглеводнів зумовить парниковий ефект і, отже, глобальне потепління.

Атомна енергетика, як альтернативне джерело енергії, також не вирішить глобальних завдань енергозабезпечення з причин складності гарантування безаварійної роботи атомних електростанцій, забезпечення екологічної безпеки, а також проблем захоронення ядерних відходів.

Одним з найбільш перспективних шляхів вирішення цих проблем є сонячна енергетика (фотоенергетика), яка володіє найбільшим потенціалом довгострокового росту серед альтернативних поновлюваних джерел енергії (вітрова, хвильова, гідроенергія і т.д.) [2]. Як відомо, сонячного світла, що падає на Землю за 1 хвилину, достатньо для задоволення річної потреби в енергії. Таким чином, близько 90% викидів, пов'язаних з виробництвом енергії, можна запобігти, замінивши традиційні джерела енергії на фотоелектричні. Згідно з прогнозом Світового енергетичного агентства (IEA), до 2030 року виробництво електроенергії за рахунок поновлюваних джерел зросте майже в три рази, у тому числі сонячної енергії - у 60 разів [3].

Для прямого перетворення сонячної енергії в електричний струм використовують напівпровідникові фотоелектричний перетворювач (ФЕП). Домінуючий напівпровідниковий матеріал для масового виробництва ФЕП - кремній. Характеристики ефективності сонячних елементів (СЕ) на основі кремнію порівняно високі, сировина для отримання кремнію (діоксид кремнію SiO2 - кварц, кварцові руди, кварцові піски) досить поширена і доступна. Однак, виробництво високочистого напівпровідникового кремнію є проблемою. Для вирішення проблеми отримання SoG-Si (кремній сонячної градації) необхідне вивчення можливості отримання кремнію для ФЕП шляхом електронно-променевого переплаву (ЕПП) з одночасним рафінуванням кремнію металургійної чистоти, який отримують у відновлювальних руднотермічних печах РТП, для подальшого виробництва моно- мульти- або полікристалічного кремнію сонячної чистоти.

Вибір електронно-променевого рафінування металургійного кремнію обумовлений перевагою нагріву електронним пучком у порівнянні з іншими методами нагріву та чистотою технологічного процесу [3].

Метою цієї роботи є розробка основ електронно-променевої технології переплаву вихідної сировини і рафінування розплаву кремнію в вакуумі, а також дослідження особливостей структури та фізичних параметрів зразків кремнію сонячної градації, отриманих електронно-променевим рафінуванням у вакуумі.

Нами були проведені експерименти з вакуумного і окислювального рафінування металургійного кремнію різних виробників, у вигляді уламків, осколків (рис.1), хімічний склад якого подано в таблиці 1 і на металургійному кремнії підвищеної чистоти, хімічний склад якого подано в таблиці 2. Вихідний металургійний кремній досліджувався після електронно-променевої виплавки у вакуумі при вакуумному і окисному рафінуванні, а металургійний кремній підвищеної чистоти і деякі особливості його рафінування досліджувались за методом Чохральського і електронно-променевим переплавом у вакуумі.

Виходячи з підвищеної чистоти і якісних показників вихідного металургійного кремнію, нами була перевірена можливість отримання монокристалічного матеріалу за допомогою спрямованої кристалізації.

Таблиця 1 – Вміст домішок вихідного металургійного кремнію, ppm

Рис. 1 Зовнішній вигляд вихідного металургійного кремнію

Таблиця 2 – Вміст домішок у вихідному металургійному кремнії, більш, ppm1

(1 ppm = 1.10-4 мас.%)

Аналіз вихідного матеріалу був зроблений в Центральній лабораторії фізико-хімічних досліджень ВАТ «Квазар» (м. Київ). Результати аналізу представлені в таблиці 3.

Таблиця 3 – Показники вхідного металургійного кремнію підвищеної чистоти

Технологічна схема експерименту

Вирощування кристала з рідкої фази за методом Чохральського, що дозволило зробити додаткове очищення за рахунок сегрегації домішок, проводили з кварцового тигля, так як він є в даний час найкращим матеріалом, за джерелом усунення домішок при розчиненні у кремнії, у порівнянні з SiO2 і графітом. Вирощували злиток при наступних технологічних режимах: швидкість обертання тигля - 10...12хв-1, швидкість обертання кристала - 20хв-1, швидкість росту кристалу - 1хв-1. Потужність резистивних нагрівачів - 85кВт. Час отримання розплаву (нагрівання + плавка) – 100хв. Витрата газу аргону - 600мл/хв. У результаті отримано злиток кремнію р-типу електропровідності (легований бором), діаметром 85мм і довжиною 360мм.

Вакуумне і окислювальне рафінування металургійного кремнію при електронно-променевій плавці проводили роздільно на електронно-променевій установці в мідному водо охолоджуваному тиглі діаметром 80 мм.

У кожному досліді вихідний матеріал вагою 150…200 г. поміщали в мідний тигель, охолоджуваний водою, і створювали вакуум. Вихідний злиток металургійного кремнію розміщували в центрі тигля для моделювання процесу поперечної подачі, при якому матеріал плавиться поступово з краю злитка. Нагрівання зразка починали з поступового збільшення потужності електронного променя до розігріву і створення розплаву неочищеного кремнію.

У кожному експерименті робили запис даних прискорюючої напруги - U (KB), струму електронного променя - I (A), вакууму в технологічній камері - P (Topp) і технологічного часу - t(хв). Технологічні режими наведені в таблиці 4.

При вакуумному рафінуванні плавка кремнію і витримка розплаву відбувалися при збереженні постійного значення потужності електронного променя протягом певного проміжку часу. При обробці розплаву кремнію електронно-променевим впливом видалялися домішки з високою пружністю пари.

Таблиця 4 – Технологічні режими рафінування кремнію

Окислювальне рафінування полягало в обробці розплаву кремнію після вакуумного рафінування, киснем, для утворення оксидів домішок (особливо оксидів бору) і їх видалення з поверхні розплаву електронно-променевою обробкою. Швидкість подачі кисню при цьому складала 70...80мл•хв.-1. Етап окисного рафінування проводили після вакуумного, за один технологічний цикл. На рис.2 представлена технологічна схема проведення процесу рафінування.

а)

б)
                                                                                                                     
Рис. 2. Технологічна схема проведення процесу вакуумного а) і окисного б) рафінування.
а) стадії процесу: I - переплав, II - рафінування рідкої ванни, III - охолодження злитка; б): I - переплав, II - вакуумне рафінування рідкої ванни, III - вибір режиму натікання кисню до вакууму в технологічній камері 9 • 10-2Па, IV - рафінування рідкої ванни кремнію в атмосфері кисню, V - охолодження злитка.

Після завершення етапів вакуумного та окислювального рафінування, протягом 15 хв., зменшували потужність електронного пучка в центрі тигля до його згасання. Це забезпечувало перепад температур від краю до центру, що сприяло сегрегації домішок.

Отримані злитки після електронно-променевого рафінування металургійного кремнію мали параметри сонячного кремнію.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

• 2007 World PV industry report highlights./ «Marketbuss-2008»//www/osp/ru/cv/2008/25/5245612.
• Солоненко В.І., Коваленко К.Л., Шаран М.М., Панібрацький В.О. Водень як акумулятор хаотичної енергії.// Другий всеукраїнський з’їзд екологів, збірник праць, Вінниця, 2009. С.253-255.
• Осокін В.А., Панібрацький В.А. Рафінування металургійного кремнію методом електронно-променевого впливу у вакуумі. // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах, № 1, 2010 - С.40-47.

УДК 621.382
Солоненко В.І. Перспективи і проблеми сонячної енергетики [Електронний ресурс]  / [Солоненко В.І., Панібрацький В.О., Карабун Р.В., Яровенко А.Г.] // Збірник наукових статей “ІІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю”. – Вінниця, 2011. – Том.1. – С.264–266. Режим доступу: http://eco.com.ua/

Скачати в форматі pdf: