Silicon pentru panouri solare
Cel mai promițător tip de conversie a energiei solare în energie electrică sunt stațiile fotovoltaice cu elemente bazate pe siliciu, a căror eficiență atinge 15%. Cu toate acestea, aceste stații vor deveni rentabile doar dacă vor crea tehnologii și materiale care să permită reducerea costului energiei în 2 ori. Principalul obstacol în acest fel în prezent este costul ridicat al siliciului.
Cantitatea de siliciu policristalin (PAC) de calitate solară pe piața mondială este determinată de cererea de PPK de calitate electronică. Livrările de PAC de calitate solară sunt în prezent epuizate.
În producția mondială de siliciu semiconductor, în prezent, pozițiile de lider sunt ocupate de SUA, Germania și Japonia. Există două metode principale pentru fabricarea siliciului de înaltă puritate (semiconductor) # 8201; - folosind triclorosilan și monosilan.
La prepararea siliciului din triclorosilanului în reacțiile ca produse secundare sunt formate din tetraclorură de siliciu și acid clorhidric care conduce la o scădere a randamentului de siliciu, siliciu în pătrunderea impurităților dăunătoare care rezultă din coroziunea pereților camerei de reacție și alte părți ale plantei, precum și problemele de mediu. Prin urmare, este dificil să se obțină triclorosilanului de siliciu cu puritate ultra-înaltă.
Utilizarea tehnologiei monosilane are mai multe avantaje:
- descompunerea termică a monosilanului are loc la o temperatură relativ scăzută (aproximativ 850 ° C în loc de 1100 ° C pentru triclorosilan) și cu o cheltuială mai mică de energie;
- în produsele de reacție nu există agenți chimici agresivi (acid clorhidric, clorosilani etc.), care reduc puritatea siliciului rezultat;
- purificarea monosilanului din cele mai periculoase impurități, alte lucruri fiind egale, este mai eficientă datorită diferenței semnificative în ceea ce privește proprietățile fizice și chimice ale monosilanului și ale altor compuși;
- Împreună cu siliciul, produsul comercial este monosilanul în sine și amestecurile necesare pentru tehnologia de fabricare a semiconductorilor subțiri, inclusiv pentru producerea de celule solare amorfe.
Cu toate acestea, această tehnologie are dezavantajele sale. Astfel, pentru purificarea monosilanului prin distilare la o temperatură scăzută, este necesară răcirea cu azot lichid și heliu, ceea ce crește foarte mult costul siliciului. În plus, metodele cunoscute pentru fabricarea monosilanului în comparație cu triclorosilanul sunt destul de complexe, ceea ce are ca rezultat un cost ridicat al monosilanului de înaltă puritate pentru industria semiconductorilor.
Din acest motiv, monosilan este utilizat numai într-o măsură limitată pentru producerea de siliciu policristalin de puritate deosebit de mare, care este de prelucrare realizată în un singur cristal de siliciu prin topirea zonei float.
Pentru a reduce costul monosilanului și siliciului de înaltă puritate obținut din acesta, lumea caută în mod activ noi modalități eficiente de obținere a acestuia. Metodele cunoscute în prezent includ:
- Acidoliză de silicid de magneziu, utilizată de Komatsu (Japonia);
- disproporționarea catalitică a triclorosilanului utilizată de Union Carbide (SUA);
- disproporția catalitică a etoxisilanilor, dezvoltată în Japonia și URSS.
Cu toate acestea, toate aceste metode necesită o cheltuială mare de materii prime, energie, sunt dăunătoare mediului și nu oferă o reducere a producției de PAC.
De exemplu, pe baza Krasnoyarsk minerit și chimică a plantelor este de lucru pentru a stabili producția de siliciu pentru industria electronică în valoare de 120 t / an, cu o creștere ulterioară favorabilă a volumului producției economice de mai mult de 1000 de tone / an. Procesul este planificat să folosească cunoscut pentru metoda de purificare ecologică pericol de siliciu prin obținerea unor compuși ai clorului, dezvoltarea pe care Rusia a rămas în urma concurenților săi. În plus, această tehnologie nu este în mod dramatic reduce consumul de energie și costurile de siliciu.
Între timp, atât în străinătate, cât și în Rusia se caută intens alte metode de purificare a siliciului. Unul dintre cele mai promițătoare în prezent este metoda de alcoxisilan. Este o tehnologie ecologică de alcoxisilan fără clor pentru producția de PAC, care poate fi utilizată fie pentru celulele solare, fie pentru cele electronice de semiconductori.
În prima etapă, în prezența unui catalizator de cupru și la o temperatură de aproximativ 300 ° C, există o interacțiune directă siliciu metalic (96 # 8209; 98% dioxid de siliciu) cu etanol anhidru pentru a obține o trei etoxisilan. În a doua etapă, disproporționarea trietoxilena prin utilizarea ca o soluție de etilat de sodiu în catalizator tetraetoxisilan.
Apoi, rezultat hidrolizata tetraetoxisilan c se obține producția de alcool absolut proces care revine la prima etapă, și silicat de etil (sol de silice, cu o concentrație de 30% SiO2) ca produs secundar este îndepărtat din reactor.
Problemele de lucru sigure cu silan sunt rezolvate cu succes atunci când se organizează producția de PKK și silan pe o singură linie de producție. O garanție suplimentară de siguranță este că toate etapele legate de purificarea silanului se efectuează la temperatură ambiantă sau mai scăzută.
Pe lângă PAC produsele de ieșire sunt: amestecuri de gaze monosilan de silan, tetraetoxisilan, soluție coloidală de silice sau aerosil (pulbere fină de silice), caracterizate prin puritate foarte ridicată.
Când condițiile de piață se schimbă, procesul tehnologic permite schimbarea sortimentului și a proporțiilor producției de mărfuri produse:
- PKK de calitate electronică pentru industria electronică;
- PAC de calitate solară pentru fotovoltaice;
- PAC pentru fotodetectoare în infraroșu și detectoare de particule nucleare;
- monosilan de înaltă puritate și amestecurile sale cu hidrogen și argon;
- tetraetoxisilan de puritate specială;
- silice.
Conform estimărilor preliminare, având în vedere realizarea de tetra-etoxisilan, chiar și la o setare de putere mică pentru producerea de siliciu policristalin (350 kg) și folosind reactorul Siemens, costul PAC va fi mai mic decât nivelul actual. Cota principală a tuturor costurilor va fi asociată cu consumul de energie. În cazul în locul reactorului Siemens mai puțin consumatoare de energie tehnologie # 8201; - piroliza silan în „plin“ siliciu strat # 8201; - costul GAC poate fi redus cu 50% sau mai mult.
Avantajele noii metode
Metoda propusă de producere a PAC are următoarele avantaje:
- materiile prime (siliciu metalurgic și alcool etilic) sunt disponibile în cantități nelimitate la un preț relativ scăzut. Producția mondială de siliciu metalurgic ajunge la 1.000.000 de tone pe an, iar numai 1% din acesta este folosită pentru a produce siliciu pentru electronică;
- nu sunt utilizați compuși de clor, iar procesul este sigur pentru mediu;
- produsele de reacție nu interacționează cu pereții reactorului, minimizând contaminarea produselor finite, ceea ce permite crearea de echipamente din materiale structurale convenționale;
- toate procesele se desfășoară la presiune normală și la temperaturi de cel mult 300 ° C;
- reacțiile chimice sunt asociate numai cu siliciu și se produc practic fără transferul de impurități străine, ceea ce reduce costul procesului de purificare;
- Aproape toate deșeurile industriale sunt utilizate pentru a obține subproduse valoroase;
- majoritatea reactivilor (
95%) este returnată continuu procesului;
- consumul de energie electrică poate fi de aproximativ 30 kWh pe 1 kg de PKK (contra
200 kWh # 8202; / kg pentru metoda convențională cu triclorosilan).
Etapele inițiale ale procesului sunt:
- alcoxisilicon direct de siliciu metalurgic prin alcool etilic absolut pentru a produce trietoxisilan;
- producerea de monosilan prin disproporție catalitică a trietoxisilanului. Datorită selectivității sale, acest procedeu este un mod eficient de obținere a monosilanului pur;
- hidroliza tetraeoxisilanului # 8201; - produsul asociat în prepararea monosilanului # 8201; - permite obținerea alcoolului etilic anhidru și returnarea acestuia la tehnologia procesului.
În Institutul All-rus de Agricultură Electrificare, a fost elaborat un proiect de obținere a siliciului de înaltă puritate utilizând tehnologia fără clor. Ministerul Energiei al Statelor Unite participă la finanțarea activității oamenilor de știință ruși pentru a crea o tehnologie de purificare a siliciului fără clor. Implementarea proiectului, conform experților, va permite Rusiei să intre în tehnologie de siliciu la cel mai avansat nivel tehnic și să-și depășească concurența.
Rezultatele finale așteptate ale proiectului:
- Crearea în Rusia a unei tehnologii ecologice pure de obținere a siliciului de calitate solară (adecvată pentru fabricarea convertoarelor fotoelectrice), reducerea costurilor de siliciu și electricitate din celulele solare de câteva ori;
- punerea în funcțiune a unei instalații-pilot pentru producția de monosilan și PAC cu o capacitate de 350 kg pe an pentru implementarea ulterioară a producției la scară largă de 1.000 de tone pe an;
- reducerea consumului de energie în producția de PAC de la 250 kWh / kg la 40 kWh / kg și o reducere a costului PAC în 2 ori 8 ori;
Aproximativ jumătate din procesele tehnologice au trecut prin aprobarea industrială. Etapele de purificare a monosilanului, alcoxisilanului și hidrolizei sunt implementate în plante de laborator. Lucrarea a continuat cu succes pentru a crește randamentul de siliciu și utilizarea subproduselor. În prezent, a fost elaborată o documentație tehnică pentru o linie pilot cu o capacitate de 350 kg / an de silicon monosilan sau policristalin de mare puritate, a cărei creare necesită un an. Apoi, pentru încă un an, este necesar să se lucreze la dezvoltarea tehnologiei și furnizarea datelor inițiale la proiectarea tehnică a unei instalații de mari dimensiuni, cu o producție de siliciu de 1000 de tone pe an. Costul ambelor stadii de lucru este
2 milioane. Timpul total necesar pentru a crea 1000 de tone pe an de producție de siliciu este 2 # 8209; 3 ani.
Ponderea majoră a costurilor în obținerea conturilor de siliciu pentru energie, reducând atât mai mult costul siliciului poate fi de așteptat în cazul utilizării în piroliza monosilan nu tradiționale de stick-reactor, și dezvoltarea tehnologiei de descompunere silan în stratul „complet“, care va reduce la minimum consumul de energie de până la 10 kW- h / kg.
Daca va avea succes, proiectul ar putea fi primul din lume, creat de producție ecologică, practic fără deșeuri de siliciu de înaltă puritate, care, în funcție de cererea de pe piață poate fi ușor re-adapteze la producția de diferite produse: silan, grad electronic sau solare de siliciu. Și piața rusă de grad electronice și solare de vânzări de siliciu și monosilan, care este principala materie primă pentru fabricarea de celule de film solare din siliciu amorf, nu se poate recupera numai rapid întregul cost al proiectului, dar, de asemenea, să ia o poziție de lider.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: