Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Возобновляемая энергетика в современном мире

1.5.2. Кремний — основное сырье для фотоэнергетики

От исходных материалов во многом зависят как технические, так и стоимостные показатели фотоэлектрических модулей. Кремниевая фотоэнергетика базируется на нескольких основных технологиях. Наиболее старой и освоенной является технология моно- кристаллических фотоэлектрических преобразователей. Она и ее разновидности обеспечивают наиболее высокий КПД среди кремниевых систем, но при этом являются и наиболее дорогостоящими. На рис. 1.34 представлена схема процесса получения поликристал- лического кремния (поликремния), представляющего собой исходное сырье для кристаллических кремниевых ФЭП.

Первый технологический передел для любого варианта технологии кремниевых ФЭП — получение металлургического кремния путем углеродного восстановления кварцитов. Процесс ведется при температуре около 1800 °С в дуговой печи, куда углерод помещается в виде кокса и щепок. Получаемый продукт содержит значительное количество остающихся в нем примесей из исходного кварцита и углеродсодержащих материалов. Тем не менее многие научные группы проводят исследования, направленные на получе-

Основные этапы производства поликристаллического кремния

Рис. 1.34. Основные этапы производства поликристаллического кремния

ние фотоэлектрических преобразователей именно из металлургического кремния [3]. Коэффициент полезного действия таких преобразователей может достигать 15—16 %, и их основным достоинством является относительная дешевизна. Количество нежелательных примесей, к которым относятся прежде всего кислород и углерод, а также ионы металлов, взаимодействующие с носителями заряда, бор и фосфор, определяющие тип проводимости, и содержание которых должно строго контролироваться, может быть снижено путем рафинирования расплава металлургического кремния [4].

В процессе взаимодействия металлургического кремния с хлор- водородом при температуре около 300 °С выделяется трихлорси- лан 8ШС13. Этот этап необходим для глубокой очистки кремния. Примеси при взаимодействии с хлорводородом также образуют различные хлориды с разными точками кипения, что позволяет фракционной перегонкой выделить из смеси чистый трихлорсилан [5], который при использовании традиционного Сименс-процесса получения поликристаллического кремния направляют в химиче- 84

ский реактор водородного восстановления для проведения следующей реакции:

При этом восстановленный поликристаллический кремний осаждается в виде стержня. Сименс-процесс хорошо освоен в промышленности, однако основной проблемой его использования является крайне высокая энергоемкость, достигающая 18—24 кВт • ч на 1 кг поликремния. Экологичность данного процесса также подвергается сомнению из-за выделения при его проведении большого количества хлорводорода.

Поиск альтернатив столь энергозатратному способу получения базового сырья привел к использованию реакторов с кипящим слоем для восстановления кремния из моносилана или трихлорси- лана. В настоящее время эта технология получает все большее распространение [6]. Она менее энергоемка: на получение 1 кг поликремния затрачивается всего 8—10 кВт • ч электроэнергии. Следует отметить, что в Институте теплофизики РАН им. Н.А. Кутателадзе (г. Новосибирск) разработана оригинальная плазмохимическая технология получения поликремния из моносилана или трихлор- силана. Созданное оборудование позволяет осаждать на нержавеющую сталь тонкие пленки аморфного кремния, которые в виде достаточно крупных фрагментов могут быть легко отделены от подложки и использованы в дальнейших процессах переработки [7]. Подобные альтернативные способы привлекательны тем, что сразу позволяют получать гранулированный поликремний, а не стержень (как в Сименс-процессе), который приходится дробить для лучшего заполнения тигля и плавления в нем при температуре 1415—1420 °С в инертной атмосфере. На этапе синтеза поликремния в газовую фазу могут быть введены добавки фосфина или диборана, что позволяет под контролем сформировать примеси в получаемом материале и приготовить поликремний п- или /;-типа соответственно.

После расплавления можно формировать слитки исходного для производства пластин материала как для моно-, так и для мульти- кристаллической технологии. Слиток монокристаллического кремния, как правило, получают методом Чохральского. Для этого в расплав кремния помещают затравочный кристалл монокристал- лического кремния и медленно поднимают его, вращая в сторону, противоположную вращению тигля с расплавом. Вращение обеспечивает равномерное формирование слитка, а малая скорость подъема — достаточное время для релаксации его структуры и формирования качественного кристалла. Длина выращиваемых в настоящее время слитков достигает 3 м, а диаметр — 30 см. При этом верхняя и нижняя части слитка («корона» и «хвост» по принятой в отрасли терминологии) удаляют дисковой пилой, поскольку они содержат максимальное число дефектов. Из приведенного описания видно, что выращивание высококачественного кристалла по данной технологии довольно длительное и эта технология энергозатратная.

Наиболее эффективным методом формирования слитков муль- тикристаллического кремния во многих случаях оказывается метод кристаллизации по Бриджмену. Такую кристаллизацию проводят в кварцевом одноразовом тигле, стенки которого покрыты нитридом кремния, предотвращающим взаимодействие материала стенок с расплавом. В основании слитка размещают затравочные пластины мультикремния. Тигель с расплавом подвергают медленному охлаждению с созданием градиента температуры по высоте слитка. Кристаллизацию проводят со скоростью 0,25—0,33 мм/мин в среде аргона для предотвращения внесения в расплав примесей кислорода. В результате такого охлаждения образуются спеченные между собой кристаллиты кремния характерным размером 2—5 мм. Таким образом, внутри кристаллитов формируется упорядоченная кристаллическая структура, но слиток в целом характеризуется отсутствием четкой ориентации кристаллографических плоскостей. Масса единичного слитка в действующих промышленных производствах в зависимости от используемого тигля и печи составляет 300—800 кг с перспективой увеличения одной загрузки кремния до 1000 кг, время роста слитка — в среднем около суток. Извлекаемый из тигля слиток подвергается обрезке контактировавших с тиглем краев и брикетированию. В настоящее время из слитка, как правило, формируют до 25 брикетов квадратного сечения размером 156x156 мм, которые в дальнейшем разрезают на пластины [8]. В процессе синтеза как моно-, так и мультикристаллического кремния слитки могут быть легированы добавлением в расплав фосфора или бора (если этого не было сделано при получении поликремния).

Технология создания мультикристаллического кремния обеспечивает меньшие по сравнению с монокристаллическим энергетические затраты и большую производительность, однако платой за это оказывается более высокая дефектность получаемых кристаллов с большим числом межзеренных границ, вследствие чего КПД фотоэлектрических преобразователей на основе такого материала оказывается на 1—2 % меньше, чем для монокристаллического кремния (монокремния).

Вопрос о легирующих примесях в настоящее время становится особенно актуальным в свете развития новых технологий ФЭП. До сих пор наиболее распространенным было получение легированного бором кремния р-типа, поскольку высокий коэффициент сегрегации для бора позволяет добиваться воспроизводимого и однородного по объему слитка распределения легирующей примеси [9]. Вместе с тем радиусы атомов кремния и бора довольно сильно отличаются один от другого, что приводит при легировании к дополнительным дефектам в виде искажений кристаллической структуры пластины, которые повышают вероятность паразитных рекомбинаций носителей заряда. Кроме того, бор активно взаимодействует с примесями кислорода в кристалле, формируя комплексы, что также создает дефекты, способствующие рекомбинации [10]. По этим причинам в качестве альтернативы бору как легирующей примеси рассматриваются фосфор и галлий [11], однако последний находит малое применение из-за своей высокой стоимости. Следует отметить, что большая часть рассматриваемых ниже высокоэффективных ФЭП изготовлена на основе пластин «-типа, легированных фосфором, именно из-за их меньшей дефектности.

Желание улучшить структуру мультикрисгаллических ФЭП (снижение числа дефектов приведет к росту времени жизни носителей заряда и улучшению характеристик преобразователя) без существенных материальных затрат привело к появлению технологии квазимонокристаллического кремния (или квазимонокремния). Это модификация метода Бриджмена с более медленным,

Структура слитка при изготовлении квазимоиокремиия из его центральной части

Рис. 1.35. Структура слитка при изготовлении квазимоиокремиия из его центральной части

чем в случае мультикремния, охлаждением и более точным контролем температуры в процессе охлаждения. В результате центральные брикеты слитка по структуре оказываются близкими к монокремнию (рис. 1.35), а периферийные — к мультикремию [12].

Несколько работ посвящено повышению качества мультикрем- ниевых материалов путем оптимизации структуры печи и полей температур внутри нее в процессе кристаллизации [13]. Направление работы [14] — исследование возможности снижения количества примесей, диффундирующих в слиток при кристаллизации из стенок тигля. Несмотря на покрытие стенок тигля нитридом кремния, после извлечения слитка ближайшая к стенкам его часть (слой размером примерно 30 мм) обычно удаляется именно из-за про- диффундировавших в него примесей. В этой связи предпринимаются попытки создать другие защитные покрытия, в том числе из полисилазана и оксида бария.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы