Усовершенствованная диагностика качества мультикристаллического кремния позволит управлять процессами получения кремния для солнечных батарей из отечественного сырья по более дешевой технологии. О новых разработках в этой области рассказал главный научный сотрудник Института геохимии им. А.П. Виноградова (ИГХ) СО РАН, д.ф.-м.н., профессор Александр Непомнящих на заседании Научного совета РАН «Фундаментальные проблемы элементной базы информационно-вычислительных и управляющих систем и материалов для ее создания» 25 ноября 2021 года под председательством академика-секретаря Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН, академика РАН Геннадия Красникова.
Солнечные батареи изготавливают из моно- или мультикристаллического кремния. Сырьем для его производства обычно служит поликремний – вещество с мелкокристаллической структурой, из которого после расплавления выращивают моно- или мультикристаллы. Наиболее распространенной технологией получения поликремния в настоящее время служит так называемый Сименс-процесс. Однако кремний нужного для солнечной энергетики качества можно получить и в разы более дешевым способом – в результате глубокой очистки металлургического кремния. Такой материал называют UMG-кремнием (upgraded metallurgical-grade).
«В России кремний электронного качества не производится, – подчеркнул одну из главных проблем отечественной электроники Александр Непомнящих. – Производится металлургический кремний, но не UMG, а обычный технический. Есть два завода: один – под Иркутском в Шелехове, второй – на Урале, в Каменск-Уральском, но они выпускают именно металлургический кремний, который сегодня в мире производится в объеме более 2 млн тонн. Он используется в разных сплавах, прежде всего это, конечно, силумин для автомобилей, и в химической промышленности».
Из технического кремния, используя чистые исходные компоненты, можно получить нужное для солнечных батарей сырье методом дополнительной глубокой очистки в ходе самого процесса выплавки, а не с помощью сложного и дорогостоящего Сименс-процесса. Для микроэлектроники такой кремний не годится, а вот солнечные батареи из него делать можно. Эту технологию российская наука разработала еще в начале 2000-х годов, она запатентована, но внедрить ее в производство до сих пор не удалось. Повторяется все та же бесконечная история о невостребованности отечественных разработок.
«Мы пытаемся привлечь инвестиции для того, чтобы создать такое производство, но пока не получается, – сетует Александр Непомнящих, один из авторов патента на эту технологию. – Технология уже разработана и, самое главное, что мы были одними из первых в этой области, а сейчас уже за рубежом все это реализовано и производится UMG-кремний. А у нас нет производства, потому что это финансовоемкие технологии и отдача от них не очень быстрая, ну и в те годы, начало 2000-х, у нас солнечная энергетика вообще не развивалась. Считалось, что хватает нефти и газа. В результате в последнее время пошли правительственные программы по созданию солнечных станций, но все они пока производят из западного сырья, хотя отечественная технология готова и разработана».
В чем выгода этой технологии? В соотношении цены и эффективности получаемых фотоэлементов. При использовании 100-процентного металлургического UMG-кремния в качестве сырья для выращивания мультикремния можно получать фотоэлементы с КПД более 20 %. Рекорд на сегодня – 20,76%. Если сопоставлять с мультикремнием, полученным из поликремния, то разница не очень большая: наибольший КПД – 22,58 %. Правда, элементы из монокремния дают КПД порядка 25%, но встает вопрос цены.
Таким образом, технология получения мультикремния из UMG-кремния позволяет получать солнечные элементы, которые будут в разы дешевле традиционных, изготовленных из поликремния, уступая им в эффективности всего 1-2%.
Следует сказать, что в настоящее время на мировом рынке складывается ситуация, особенно благоприятная внедрению новой технологии.
Полный текст материала опубликован на сайте Российской академии наук
Автор Леонид Ситник, редакция сайта РАН