Мировое потребление энергии : 16 500 T Втч / год

1. Новая технология рафинирования кремнияИ.А. Елисеев, А.И. Непомнящихг. Иркутск, Институт геохимии СО РАН.

2. Глобальное потребление электроэнергии • Мировое потребление энергии: 16 500 TВтч/год • Оценка доли выработки энергии от PV: 90TВтч/год • Доля выработки энергии от PV: 0.50%. • Доля выработки энергии от PV в Европе достигнет более 12% к 2020 году. (По данным EPIA http://www.epia.org/)

3. Действующая схема получения кремния для солнечных элементов КарботермияSiO2 + 2C = Si + 2CO Получение трихлорсиланаSi + 3HCl↔ SiHCl3 + H2 Ректификация трихлорсилана Восстановление трихлорсилана водородом и высаживание поликремния на горячем стержне. Выращивание слитков мультикремния

4. Соотношение цена –качество на различных этапах производства кремня Поликремний Качество Σ примесей ррм. (PG-Si) 10-5 SoG-Si Восстановление Солнечный кремний 10-3 Солнечный кремний 10-1 ХЛОРИРОВАНИЕ 102 UMG-Si MG-Si 104 $/kg 2 10 30 15 50

5. Электрофизические характеристики кремния используемого для производства солнечных элементов

6. Регламентируемые примеси при изготовлении солнечных элементов Углерод – менее 3 ppm Кислород – менее 10 ppm Бор – менее 0,3 ppm Легирующие примеси (Р, As) < 0,1 ppm Металлы Σ<0.1 ppm

7. Требования к SoG кремнию Содержание примесей в SoG кремнию (не более, ppm) Carbon 3 Copper 0.1 Oxygen 10 Nickel 0.1 Boron 0.3 Chromium 0.01 Phosphorous 0.2 Manganese 0.01 Sodium 0.2 Iron 0.03 Magnesium 0.2 Cobalt 0.01 Potassium 0.5 Zinc 0.1 Aluminium 0.1 Barium 0.1 Titanium 0.001 Calcium 0.1

8. Начало работ по тематике «Солнечный кремний» в Институте геохимии им. А.П.Виноградова СО РАН – 1996 год 30 марта 1998 года Институтом геохимии им. А.П.Виноградова СО РАН получен патент Способ получения кремния высокой чистоты

9. Состав программного комплекса «Селектор»

10. Концентрация бора в расплаве кремния В Р Fe K, Al, Na, Ca, Mg Ni, Ti, V, Mn данные 2001 года

11. Проблема бора В Р Fe K, Al, Na, Ca, Mg Ni, Ti, V, Mn Зависимость концентрации соединений бора и кремни от температуры для системы Si – 1 моль; В – 0,00005 моль; H2O – 0, 01 моля; воздух – 1моль.

12. В Р Fe K, Al, Na, Ca, Mg Ni, Ti, V, Mn Проблема бора Зависимость концентрации соединений бора и кремни от температуры для системы Si – 1 моль; В – 0,00005 моль; H2O – 0, 005 моля; воздух – 0,5 моль.

13. В Конц. В в газ. фазе Конц. Si в газ. фазе Р Исх. конц. В Исх. конц. Si Fe K, Al, Na, Ca, Mg Ni, Ti, V, Mn Эффективность выхода бора в газовую фазу для разного количества подаваемой смеси

14. Расчет удаления примесей В Зависимость концентрации P и Si от температуры в системе Si-Р-Н2О P Fe K, Al, Na, Ca, Mg 0С Ni, Ti, V, Mn

15. Расчет удаления примесей В Зависимость концентрации P и Si от температуры в системе Si-Р-Н2Обез образования Р2 P Fe K, Al, Na, Ca, Mg Ni, Ti, V, Mn

16. Расчет удаления примесей В P Зависимость концентрации P и Si от температуры в системе Si-Р-N-O Fe K, Al, Na, Ca, Mg Ni, Ti, V, Mn

17. В Мольное содержание железа в различных фазах системы кремний – железо (полное количество железа 5х10-3 моль). P Fe K, Al, Na, Ca, Mg Ni, Ti, V, Mn

18. Мольное содержание железа в газе при различных объемах барботирующего газа (полное количество железа 5х10-3 моль). В P 1 моль воздуха 1 моль Si 3 моля воздуха Fe K, Al, Na, Ca, Mg 5 молей воздуха 10 молей воздуха Ni, Ti, V, Mn

19. Расчет удаления примесей В P Fe K, Al, Na, Ca, Mg Состав системы Fe – 0.1 моль Cl – 1 моль Si – 10 моль Ni, Ti, V, Mn Состав газовой фазы при барботаже расплава кремния с примесями железа хлором

20. Расчет удаления примесей В Состав газовой фазы системы Si-Mn-H2O-N P % Fe Содержание Mn в расплаве K, Al, Na, Ca, Mg % оС Ni, Ti, V, Mn оС

21. Расчет удаления примесей В T = 1600.00C ( 1873.15K) P Fe K, Al, Na, Ca, Mg Ni, Ti, V, Mn

22. Эксперимент2003: получение высокочистого кремния на ЗАО «Кремний» г. Шелехов Иркутской области

23. Эксперимент В2003был проведен экспериментна16,5 MВтэлектротермической печи на ЗАО “Кремний” (г.Шелехов). Масса расплава кремния в ковше была 3000 kg, количество водяного пара 9 kg и количество воздуха 206 m3. Для эксперимента был специально разработан и изготовлен генератор влажности. шлак Продуваемая парогазовая смесь Генератор парогазовой смеси H2O Газовая смесь

24. Эксперимент C0 – концентрация примесей в нерафинированном кремнии Cr – концентрация примесей в рафинированном кремнии

25. Сравнение экспериментальных данных с расчетами

26. Генератор газовой смеси ГГС –Изготовленный в Институте геохимии аппарат предназначенный для отработки режимов рафинирования расплава металлургического кремния в ковше промышленных рудно-термических печей (РТП) с массой расплава кремния от 800 до 3 000 кг. • Предназначен для отчистки кремния от бора, фосфора и легких металлов . При этом за счет конструктивных особенностей ГГС возможно гибко изменять параметры проведения рафинирования.

27. ЭкспериментДекабрь2006: получение высокочистого кремния на одной из20 МVА печей ТОО МК «KazSilcon» г.Уштобе р. Казахстан.

28. В Р Fe K, Al, Na, Ca, Mg Ni, Ti, V, Mn Концентрация Ca в кремнии полученная при практических испытаниях генераторов газовых смесей на ТОО МК KazSilicon г. Уштобе Казахстан 17-24 декабря 2007 года Mg7Si8O22(OH)2 CaAl2Si2O8 Na2SiO3 Al2O3 KAlSiO4 CaSiO3 FeAl2O4

29. Объем подаваемого газа м3/ч. Температура в ковше 0С Время с. Изменение температуры в ковше(0С) и объема подаваемого газа по времени Si+1/2O2 =SiO + 111ккал Si + O2 = SiO2 + 203 ккал скорость изменения температуры 0С/с. Объем подаваемого газа м3/ч. Параметры ковша: Масса – 1,5 тонны Al2O3 1 тонна стали Температура расплава – 17000С Температура поверхности –600С Потери тепла ~ 54кВт = 46 431 ккалл в час (среднее через 60 минут после заливки) Затраты воздуха (18% O2 на подержаниетемпературы) 209 м - O2 ; 4,7 м3 26 м3 – воздуха в час

30. Высокотемпературная печь

32. Технические характеристики высокотемпературной печи

33. A Б В Рис. . Лабораторная линия полного цикла получения мультикремния для изготовления солнечных элементов: А – Дуговая печь для восстановления двуокиси кремния до кремния. Аналог металлургической печи для получения кремния. Б – Высокотемпературная печь. Предназначена для изучения процессов барботирования кремниевого расплава. Аналогов не имеет. В – Печь для выращивания слитков мультикремня. Г – Тигель для рафинирования кремния Д – Слиток мультикремния Г Д Лабораторная линия для получения мультикремния

34. Разработана принципиально новая технология получениямультикремния для солнечной энергетики. Выращивание мультикремния Карботермическое восстановление MG Рафинирование расплава Газоваясмесь Схематехнологии прямого получения SoGмультикремния из высокочистого рафинированного MG кремния.

35. Особенности новой технологии рафинирования кремния Использование больших объемов продуваемых газовых смесей. Регулировка температуры барботируемого кремния за счет объема подаваемой смеси. Применение водяного пара для дополнительной очистки кремния. Предварительная оценка икорректировка объемов газовой смеси и количества необходимых компонентов, позволяющая снизить потери кремния. Изменение состава газовой смеси, необходимое для создания эффективных условий чистки кремния

36. Заключение Результатом работы стала технологически проверенная технология удаления бора из расплава кремния. C помощью компьютерного моделирования на ПК «Селектор» были описаны процессы взаимодействия примесей и показаны пути решения задач по удаления примесей В, P и Fe из кремниевого расплава Разработанные Институтом геохимии генераторы газовых смесей позволяют легко включать их в существующую технологическую линию получения кремния и получить в результате управляемую очистку расплава кремния от бора совмещенную с удалением фосфора, мышьяка, углерода, кальция, натрия, калия, алюминия и других примесей.

37. Спасибо за внимание!