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

Вхід.
серт.

Хімічні елементи,  ppm

Fe

Mg

Al

Ca

Ti

P

Mn

Ni

Cr

B

Cu

№2

12,8

4,4

18,8

21,1

0,61

3,2

0,21

1,2

7,0

8,45

0,3

Фото0041
Рис. 1 Зовнішній вигляд вихідного металургійного кремнію

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

Елемент

Вміст

Елемент

Вміст

Літій

0,0000

Марганець

0,0200

Бор

2,8325

Залізо

0,3083

Натрій

0,4186

Нікель

0,0322

Магній

0,0084

Мідь

0,3835

Алюміній

0,0719

Миш’як

0,0348

Фосфор

3,5436

Бром

0,0198

Калій

1,1835

Молібден

0,0252

Кальцій

0,0911

Сурма

0,0267

Титан

0,0028

Вольфрам

0,0018

Хром

0,0058

 

 

(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

Назва зразка, розміри,

поверхня

Значення параметрів

Тип провідності

Питомий опір, Ом·см

Час життя, н.н.з., мкс

И2, (24х24х4мм)

Верх

n

0,7; 0,22; 0,45

-

Низ

n

0,3; 0,024

-

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

Рафінування

Вакуум, P, Topp

Струм в пучку, I(A)

Прискорююча напруга, U(KB)

Технологічний час, t (хв.)

Вакуумне

10-3

0,35… 0,5

23

17

Окислювальне

4,8·10-2

0,3 … 0,5

24

17

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.

рис2
а)

рис1
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:

Оцінка: 
0
No votes yet