Солнечная энергетика: современное состояние и перспективы развития

УДК 621.315.592

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

1, 2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, 3.

Использование кремния в качестве материала для производства солнечных элементов является одним из самых перспективных направлений его применения. Однако объем вводимых мощностей сдерживается из-за нехватки базового материала – «солнечного» кремния. Выполнен обзор современного состояния рынка солнечных элементов на основе кремния. Рассмотрены способы получения кремния, поликремния, монокремния и мультикремния.

Ил. 5. Табл. 1. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: кремний; солнечный элемент; солнечная энергия; мультикремний; поликремний.

SOLAR POWER ENGINEERING: STATE-OF-THE-ART AND DEVELOPMENT PROSPECT

Fyodorov S., Buzikova T.

National Research Irkutsk State Technical University,

83 Lermontov St., Irkutsk 664074

The usage of silicon as a mean for solar cells production is one of the most promising fields of its application. However, the lack of basic material of solar silicon constrains the new capacities input. The paper reviews the real state of silicon solar cells market; considers the methods of obtaining silicon, polysilicon, mono-silicon and multi silicon.

Illustrations: 5 pics. Tables; 1 fig. Sources: 7 refs.

Keywords: silicon, solar cell, solar energy, multi silicon, polysilicon

Антропогенные факторы разрушают химические процессы, регулирующие основные экосистемы. Углекислый газ, который природа миллионы лет удаляла в кладовые земли в виде угля и нефти, человек за несколько десятилетий XX в. снова выбросил в атмосферу. Ежегодные выбросы пыли, копоти и сажи к 2006 г. составили 6,7 млрд т. Их концентрация в атмосфере достигла 373 ед. Экологи считают, что такого уровня она не достига­ла за предшествующие 20 млн лет. Это стало одним из самых мощных факторов изменения климата, явлением, которое уже почувствовали в своей повседневной жизни все земляне.

За последние 50 лет среднемировая температура повысилась почти на 1 °С (с 13,87 в 1950 г. до 14,53 в 2004 г.). Со времени начала регистрации температуры, более ста лет тому назад, девять самых высоких среднегодовых температур в мире отмечены в последние 12 лет. За 250 лет промышленной революции концентрация углекислого газа в атмосфере увеличилась на 31 %, в том числе на 18 % с 1960 г. Чем больше повышается температура, тем меньше способен океан поглощать сажу.

Установлено, что ее содержание в океане в 50 раз выше, чем в атмосфере. По мере повышения температуры вод океана снижается их способность абсорбировать сажу из атмосферы. Это означает, что парниковый эффект ускоренно нарастает.

США, население которых составляет 4 % мирового, выбрасывают в атмосферу четверть всей пыли, копоти и сажи – в 17 раз больше на душу населения, чем в Индии, численность населения которой приближается к миллиарду.

___________________________

1, студент 3 курса гр. МЦ–10–1 специальности «Металлургия цветных металлов» химико-металлургического факультета, е-mail: fedorov. *****@***com.

Fedorov Sergey – the student 3 courses MTs – 10-1 specialties «Metallurgy of non-ferrous metals» of chemical and metallurgical faculty ISTU; E-mail: fedorov. *****@***com

2БузиковаТатьяна Андреевна, студентка 2 курса гр. МЦ – 11 – 1 специальности «Металлургия цветных металлов» химико-металлургического факультета, е-mail: *****@***ru

Buzikova Tatyana– the student 2 courses MTsB – 11-1 specialties «Metallurgy of non-ferrous metals» of chemical and metallurgical faculty ISTU; E-mail: *****@***ru

Повышение температуры для многих людей, например для Россиян, живущих в самой холодной стране, может казаться долгожданным благом. На деле оно ведет к нарушениям привычных природных явлений и ритмов. Тают ледники и айсберги. Глобальный уровень Мирово­го океана поднимается на несколько миллиметров в год. Казалось бы, что особенного: речь о миллиметрах! Но за прошлое столетие океан поднялся на 10–20 см. Ученые считают, что в XXI в. уровень океана может подняться на 50 и даже на 100 см.

Это означает, что миллионы гектаров суши уйдут под воду, в том числе многие островные государства на Тихом океане. Одновременно быстро увеличивается численность населения на земном шаре.

Рост народонаселения сам по себе не является решающим фактором загрязнения окружающей среды. Решающим является использо­вание энергии и то, из чего она производится и как расходуется. Жизнь есть потребление и отдача энергии. Энергоносители стали решающим фактором и современного производства, и современной геополитики. В экономической науке уже давно используется показатель энергоемкости, измеряемой затратой энергии на денежную единицу продукции. Подсчитано, что за 120 лет (с 1850 по 1970 гг.), число жителей на нашей планете утроилось, а потребление энергии увеличилось в 12 раз. Если потребление энергии будет расти прежними темпами, то к 2050 г. оно должно увеличиться еще в 5 раз. И это несмотря на известные успехи в снижении на 28 % энергоемкости продукции, достигнутые после нефтяного эмбарго, объявленного в 1973 г. нефтедобывающими стра­нами, и роста цен на нефть. Использование возобновляемых источников энергии остается по-прежнему низким [1].

Исходя из выше сказанного, возникает вопрос: как выйти из сложившейся ситуации? Так как человечество не может уменьшить использование энергии, то лучший вариант решения проблемы будет переход на альтернативные источники энергии, такие как солнечная энергия, ветроэнергетика, геотермальная энергетика, водородная энергетика и другие.

Мы расскажем о солнечной энергетике, так как кремний есть основа для производства солнечных элементов, является предметом нашего изучения.

Солнечная энергетика – направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов[2].

Солнечная энергия, реально поступающая за три дня на территорию России, превышает энергию всей годовой выработки электроэнергии в нашей стране. Преимущества технологий, использующих энергию солнца, в том, что при работе солнечных установок практически не добавляется тепло в приземные слои атмосферы, не создается тепличный эффект и не происходит загрязнения воздуха. Но у солнечной энергии есть недостаток – ее зависимость от состояния атмосферы, времени суток и года[3].

В 2011-м году было установлено 29,7 ГВт солнечных модулей по сравнению с 16,8 ГВт в 2010 году. В Европе рост объемов составил более 75 %. Лидерами по установленным мощностям в 2011 году являются Италия и Германия. Общая установленная мощность солнечных модулей составила к 2012 году 69,684 ГВт. Годовой объем вырабатываемой электроэнергии солнечными батареями составил 2 % в Европе и 0,5 % в мире. К 2020 году выработку электроэнергии солнечными батареями в Европе планируется увеличить до 12 %. Во всех развитых странах солнечная энергетика поддерживается правительствами. При продолжающейся поддержке объемы производства и инсталляции солнечных батарей увеличатся до 77 ГВт в год к 2016 году, и общий объем установленных солнечных батарей в мире составит 340 ГВт, причем существенно увеличится доля Америки, Китая и стран Азиатско-Тихоокеанского региона.

Суммарные мощности фотоэлектрических станций в 2009 году

Страна	Суммарные мощности фотоэлектрических станций, МВт	Страна	Суммарные мощности фотоэлектрических станций, МВт
Германия	9779	Чехия	465
Испания	3386	Бельгия	363
Япония	2633	Китай	305
США	1650	Франция	272
Италия	1186	Индия	120
Ю. Корея	520	Весь мир	22893

К сожалению, в энергетической стратегии России практически не рассматривается развитие солнечной энергетики. Однако в Российском сегменте производства солнечных энергосистем в последние годы наблюдается заметное оживление. Ряд крупных российских предприятий являются участниками Европейской программы «Солнечный поток». С учетом этой программы и программ, поддержанных РосНАНО потребность Российского рынка в высококачественных сортах кремния для реализуемых инновационных проектов составляет более 70 тыс. тонн [4].

Используют солнечную энергию в основном двумя методами – в виде тепловой энергии путем применения различных термосистем или посредством фотохимических реакций.

Более эффективный путь использования солнечной энергии – это непосредственное преобразование ее в электрическую в фотоэлементах. Фотоэлементы представляют собой светочувствительные пластины из полупроводникового материала: селена, кремния, арсенида галлия, диселенида кремния и т. д. Фотоэлектричество производится, когда частицы света (фотоны), поглощенные полупроводником, создают электрический ток. Солнечные батареи могут быть различной мощности – от портативных установок в несколько ватт до многоваттных электростанций, покрывающих миллионы квадратных метров площади.

Для того, чтобы не зависеть от суточного и сезонного солнечного цикла и состояния атмосферы существуют технические методы накопления энергии такие как: электрохимическое накопление аккумуляторами, механическое накопление (с помощью вращающихся маховиков) и в форме водорода. Также возможно сочетание фотоэлементов с другими источниками энергии, например, наиболее вероятно сочетание с ветровыми установками, а также с системами на ископаемом топливе.

Фотоэлектрические системы (солнечные батареи) требуют минимального обслуживания, в них не используется вода, и поэтому они хорошо приспособлены для отдаленных и пустынных районов. Этот способ преобразования солнечной энергии является долговечным и экологически чистым, а также сам может быть использован для улучшения экологической обстановки в месте использования, а в перспективе – и для регулирования экологических условий на больших территориях.

В настоящее время принято различать три поколения ФЭП:

ФЭП первого поколения:

Кристаллические

монокристаллические кремниевые; поликристаллические (мультикристаллические) кремниевые; технологии выращивания тонкостенных заготовок: EFG (Edgedefinedfilm-fedcrystalgrowthtechnique), S-web (Siemens), тонкослойный поликремний (Apex).

ФЭП второго поколения:

Тонкоплёночные

кремниевые: аморфные, микрокристаллические, нанокристаллические, CSG (crystallinesilicononglass); на основе теллурида кадмия (CdTe); на основе селенида меди-индия (галлия) (CI(G)S).

ФЭП третьего поколения:

фотосенсибилизованные краситилем (dye-sensitizedsolarcell, DSC); органические (полимерные) ФЭП (OPV); неорганические ФЭП (CTZSS);
ФЭП на основе каскадных структур.

В 2005 году на тонкоплёночные фотоэлементы приходилось 6 % рынка. В 2006 году тонкоплёночные фотоэлементы занимали 7 % долю рынка. В 2007 году доля тонкоплёночных технологий увеличилась до 8 %. В 2009 году доля тонкоплёночных фотоэлементов выросла до 16,8 %.

За период с 1999 по 2006 гг. поставки тонкоплёночных фотоэлементов росли ежегодно в среднем на 80 %.

Поликристаллический кремний (поликремний) – наиболее чистая форма промышленно производимого кремния – полуфабрикат, получаемый очисткой технического кремния хлоридными и фторидными методами и используемый для производства моно - и мультикристаллического кремния.

В настоящее время различают поликремний «электронного» (полупроводникового) качества (более дорогой и чистый) и поликремний «солнечного» качества (более дешёвый и содержащий больше примесей).

Традиционно поликристаллический кремний получают из технического кремния путём перевода его в летучие силаны (моносилан, хлорсиланы, фторсиланы) с последующими разделением образующихся силанов, ректификационной очисткой выбранного силана и восстановлением силана до металлического кремния.

Изначально при промышленном производстве поликремния использовались хлорсиланы. На 2011 год технологии на основе трихлорсилана остаются доминирующими. Идущие на смену хлорсилановым, фторсилановые технологии считаются более дешёвыми, но менее экологичными [2].

Для восстановления кремния в технологиях, использующих трихлорсилан, в основном применяется Сименс-процесс: в протоке реакционной парогазовой смеси силанов и водорода на поверхности нагретых до 650–1300 °С кремниевых стержней (либо крошек в кипящем слое) происходит восстановление силана и осаждение свободного кремния. Температурный режим существенно зависит от особенностей конструкции реактора и технологии. За счёт высокой температуры стержней, освобождающиеся атомы кремния сразу выстраиваются в кристаллическую решётку, образуя кристаллы дендритной структуры. Образующиеся в ходе реакции газообразные продукты уносятся протоком непрореагировавшей парогазовой смеси и после очистки и разделения могут быть использованы повторно.

Ниже приведены стадии получения поликремния в Сименс-процессе.

Синтез трихлорсилана методом низкотемпературного каталитического гидрирования четыреххлористого кремния:

3SiCl4 + 2H2 +Siмет. ↔ 4SiHCl3

Четыреххлористый кремний преобразуется в трихлорсилан с использованием рецикла образующихся побочных кремнийсодержащих веществ, что снижает себестоимость и устраняет экологические проблемы:

2SiHCl3 ↔ SiH2Cl2 + SiCl4

2SiH2Cl2 ↔ SiH3Cl + SiHCl3

2SiH3Cl ↔ SiH4 + SiH2Cl2

SiH4 ↔ Si + 2H2.

Выделяющийся при этом водород можно использовать многократно [5].

EPC CompanyGroup предложила EPC-SCHMID технологию, основанную на диспропорционировании хлорсиланов, очистке и последующем пиролизе моносилана. По уверениям разработчиков по энергоёмкости и материалоёмкости технология выигрывает примерно 30 % по сравнению с традиционным Сименс-процессом и обеспечивает выход годного продукта на уровне 80 % при дополнительной очистке поликремния от бора.

Известны, но пока не получили широкого применения методы получения поликристаллического кремния через аморфную фазу методами гидролиза силанов а также восстановления силанов в плазме ВЧ и СВЧ разрядов в связи с легкой загрязняемостью и сложностью перевода аморфного кремния в кристаллическую фазу [2].

К монокристаллическому кремнию относятся цилиндрические слитки кремния выращенные методом Чохральского. Слитки могут иметь монокристаллическую бездислокационную структуру (число дислокаций не более 10шт./см2); монокристаллическую структуру с линиями скольжения, двойниковую структуру (двух и трёхзеренные кристаллы), поликристаллическую структуру с мелким и крупным зерном.

В зависимости от условий выращивания слитки, имеющие в верхней (призатравочной) области бездислокационную структуру, могут прекращать бездислокационныйрост образуя сначала в структуру с линиями скольжения (в ходе роста развивающиеся линии скольжения прорастают в бездислокационную часть слитка на длину порядка диаметра слитка) а затем поликристаллическую структуру образуемую постепенно уменьшающимся до 2–3 мм в поперечном сечении кристаллитами.

Двойниковые кристаллы, выращиваемые от двойниковых затравок, изначально имеют на междвойниковой границе источники дислокаций. Поэтому в двойниковых кристаллах постепенно (на расстоянии порядка 2–3 диаметров слитка) развиваются существенные включения поликристаллических областей, постепенно поглощающих кристаллиты изначальной двойниковой структуры.

Выращенные кристаллы монокристаллического кремния подвергаются механической обработке.

Как правило, механическая обработка слитков кремния ведётся с использованием алмазного инструмента: ленточных пил, пильных дисков, шлифовальных профилированных и непрофилированных дисков, чаш. На текущий момент (2009 г.) в оборудовании для первоначального раскроя и квадратирования слитков наблюдается постепенный переход с ленточных пил на проволочную резку алмазно-импрегнированной проволокой, а также проволочную резку стальной проволокой в карбид-кремниевой суспензии.

При механической обработке сначала из слитка вырезают части пригодные (по своим структурным, геометрическим и электрофизическим свойствам) для изготовления приборов. Затем монокристаллический кремний, предназначенный для изготовления электронных приборов (электронный кремний), подвергается калибровке под заданный диаметр. В некоторых случаях на образующей полученного цилиндра выполняется базовый срез, параллельный одной из кристаллографических плоскостей. Монокристаллический кремний, предназначенный для изготовления фотоэлектрических преобразователей, калибровке не подвергают, но выполняют так называемое квадратирование. При квадратировании обрезаются сегменты с образующей цилиндра до образования полного квадрата или неполного квадрата (псевдоквадрата), который образован симметрично расположенными неполными сторонами квадрата с диагональю большей, чем диаметр слитка, соединёнными по дуге оставшейся образующей цилиндра. За счет квадратирования обеспечивается более рациональное использование площади, куда устанавливаются псевдоквадратные кремниевые пластины.

К мультикремнию относят прямоугольные блоки поликристаллического кремния, получаемые в больших тиглях (контейнерах) прямоугольной формы методом направленной кристаллизации. При кристаллизации температура расплава кремния в тигле (контейнере) по высоте постепенно понижается, кристаллиты растут в одном направлении постепенно разрастаясь и вытесняя более мелкие кристаллиты. Размер зерна поликристалла выращенного таким образом может достигать в сечении перпендикулярном направлению роста 5–10 мм. Получившиеся блоки обрезают для удаления краевых участков, содержащих частицы тигля-футеровки, а полученный блок разрезают на призмы квадратного сечения с размерами 100х100 мм, 125х125 мм, 150х150 мм, 170х170 мм, 200х200 мм в зависимости от используемой технологии [2].

До 2010 года в Германии и Японии планируется ежегодно увеличивать рынок солнечных элементов на 25 %. К “солнечным гонкам” присоединяются такие страны, как Южная Корея, Испания и Китай. Солнечная энергетика быстро развивающийся рынок. Та страна, которая перейдет по максимуму на солнечную энергию первой, имеет прекрасные перспективы в будущем [6].

Библиографический список

, Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учеб. пособие. – М.: КНОРУС, 2010. – 232 с. Электронный ресурс. – Режим доступа: http://ru. wikipedia. org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%

BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0

Электронный ресурс. – Режим доступа: http://solar-battery. narod. ru Электронный ресурс. – Режим доступа: http:///index. php? option=com_content&view=article&id=985&catid=11&Itemid=31&lang=ru Электронный ресурс. – Режим доступа: http://www. science-award. siemens. ru/information_last_years/powersaving_technologies/references/solar_energetics/ Электронный ресурс. – Режим доступа: http://www. nanonewsnet. ru/articles/2010/

kremnii-proshloe-nastoyashchee-budushchee

, Кремний: свойства, получение, применение: учеб. пособие. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. – 272 с.

Работа выполнена по НИР № 14.В37.21.1064 в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы