Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рисунок 1 - А.Э.Беккерель - французский физик (Из Википедии)
Рисунок 2 - Генрих Герц - немецкий ученый (Из Википедии)
Рисунок 3 - Закон Эйнштейна
Рисунок 4 - Конструкция солнечной батареи (Electronic Materials © Prof. Dr. Helmut Foell)
Рисунок 5 - Метод Чохральского (Electronic Materials © Prof. Dr. Helmut Foell)
Рисунок 6 - Образец затравки, используемой в методе Чохральского (Wacker / Siltronic; Burghausen, Germany)
Рисунок 7 - Выращенный методом Чохральского монокристаллический кремний (© "Smithsonian", Jan 2000, Vol 30, No. 10)
Рисунок 8 - Как разрезают кремний (Electronic Materials © Prof. Dr. Helmut Foell)
Рисунок 9 - Производственные корпуса компании Nitol Solar в Усолье-Сибирском (Nitol Solar Limited. © 2008)
Рисунок 10 - Карботермическое восстановление кремния (Electronic Materials © Prof. Dr. Helmut Foell)
Рисунок 11 - Схема производства поликристаллического кремния (Nitol Solar Limited. © 2008)
Рисунок 12 - Сименс-процесс - заключительная операция по изготовлению поликристаллического кремния (Electronic Materials © Prof. Dr. Helmut Foell)
Рисунок 13 - Сравнение процессов производства моно- и поликристаллического кремния (© 2010 Sharp)

Кремний: от прошлого к будущему

Ключевые слова:  кремний, солнечная энергетика

Опубликовал(а):  Клюев Павел Геннадиевич

20 августа 2010

Что такое солнечная батарея? В Википедии (ее англоязычном варианте) указывается, что это устройство, превращающее энергию солнечного света непосредственно в электрическую, действие которого основано на фотоэффекте. Еще в 19 веке А.Э.Беккерель - французский физик - публиковал работы по солнечному излучению, проводил связанные с этим исследования в области химии, электричества, гальваники (рисунок 1). Первая солнечная батарея появилась в 1883 году в виде селеновой подложки покрытой золотом. Ее КПД составил около 1%, а изобретатель - Чарльз Фриттс - был американским исследователем. Немецкий же ученый Генрих Герц (рисунок 2), работая с открытым резонатором, обнаружил, что при освещении цинковых разрядников прохождение искры заметно облегчается. Систематически изучил фотоэффект русский ученый Александр Столетов. Им был выведен и первый закон фотоэффекта, который гласит, что количество эмитируемых в результате фотоэффекта электронов пропорционально интенсивности излучения, а не его частоте. От частоты падающего света зависит энергия фотоэлектронов. Это уже постулировал Эйнштейн, добавив, что энергия поглощается квантами и энергия самого кванта идет как на ионизацию (разрыв связей), отрыв электрона от атома, так и на сообщение ему кинетической энергии (рисунок 3).

Возвращаясь из прошлого в наши дни, первым, что приходит в голову при упоминании о солнечных батареях, является кремний. Именно кремнию суждено было стать материалом солнечной энергетики. Широкое распространение в природе, легкость, подходящая ширина запрещенной зоны для поглощения энергии солнечного спектра.

В упрощенном виде солнечную батарею можно представить в виде "бутерброда": она состоит из слоев кремния, легированных для получения p-n перехода (см.рис.4). Как известно, контакт полупроводников с различными типами проводимости (электронной в n-типа и дырочной в p-типа) создает потенциальный барьер - зону объемного заряда, образующуюся в результате диффузионного проникновения носителей. В результате световой генерации неравновесных носителей заряда электроны вблизи перехода, сделавшие переход в зону проводимости в p-материале, завлекаются полем объемного заряда в n-область. Точно также и дырки, оставшиеся после перехода электрона в зону проводимости в n-материале, завлекаются в р-область. В результате появляется дополнительный отрицательный заряд в n-области и положительный - в p-области. Снижается потенциальный барьер и во внешней цепи появляется напряжение. Существуют многокаскадные солнечные батареи, которые захватывают бОльшую часть спектра за счет использования материалов с различными запрещенными зонами.

В современной солнечной технологии используется кристаллический кремний. Всего существует три производственных вида такого кремния.

Монокристаллический выращивается методом Чохральского (рисунок 5). Исходный материал - измельченный поликристаллический кремний, полученный Сименс-методом (CVD, chemical vapor deposition, процесс химического осаждения поликремния из газовой фазы), о котором расскажем ниже, - погружается в тигель и нагревается до образования расплава. Затем в расплав погружают затравочный кремниевый стержень (рисунок 6) и начинают его вращение, при этом тигель вращается в противоположную сторону для перемешивания расплава и выравнивания температуры. Скорость вращения и температура определяют величину диаметра кристалла. Фронт кристаллизации расположен над поверхностью расплава, т.е. кристалл растет сверху-вниз. Готовый брусок разрезается на круглые пластинки (рисунок 7,8).

В России производство поликристаллического кремния представлено компанией NITOL SOLAR в Иркутской области (рисунок 9). А началось все со строительства нескольких цехов в городе Усолье-Сибирское Иркутской области в середине 30-х годов прошлого века. Первой выпущенной продукцией предприятия стала этиловая жидкость, затем - хлор, перекись водорода, поливинилхлорид и многое другое. Сегодня производственная деятельность NITOL SOLAR осуществляется на базе двух дивизионов – «Химия» и «Поликристаллический кремний». Дивизионы компании интегрированы в единую производственную цепочку. Дивизион "Химия" производит хлороводород и вспомогательные продукты, используемые в производстве трихлорсилана дивизиона «Поликристаллический кремний». Трихлорсилан является, в свою очередь, сырьем для производства поликремния (ПКК).

Основой для получения поликристаллического кремния является кремнезем (диоксид кремния). Методом карботермического восстановления при Т=1800 С получают технический кремний, который впоследствии подвергается дополнительной химической очистке. Карботермическое восстановление (рисунок 10) включает в себя несколько химических процессов:

1) получение карбида кремния

SiO2 + 3C = SiC + 2CO

2) получение кремния (конечная стадия)

SiO2 + 2SiC = 3Si + 2CO.

Суммарная реакция такова:

SiO2 + 2С = Si + 2CO.

Полученный кремний необходимо дополнительно очистить. После обработки сухим хлористым водородом, под давлением, в реакторах кипящего слоя при температуре около 300 С – металлургический кремний превращается в трихлорсилан SiHCl3 (рисунок 11). При прохождении через реактор ТХС разлагается на поверхности нагретых стержней-затравок с образованием поликремния. В этом и заключается Сименс-процесс, обеспечивающий еще бОльшую чистоту получаемого поликремния. Чистый поликремний разрезается на пластины, используемые в дальнейшем для производства солнечных батарей.

По данным сайта компании NITOL SOLAR в настоящее время более 80% производимых в мире солнечных фотоэлементов (ФЭП) изготавливается на основе кристаллического кремния. В 2009 г. 34% ФЭП были изготовлены на основе монокристаллического кремния, 47% - на основе поли- или мультикристаллического кремния, 1,5% - в виде микрокристаллических кремниевых лент.

Солнечная энергетика продолжает развиваться во многом благодаря кремнию. В разных странах мира существуют программы, поддерживающие использование солнечных панелей для бытовых нужд. Солнечные батареи используются на космических станциях. Даже опытные образцы летательных аппаратов, о которых уже писал Нанометр, снабжаются солнечными батареями на кремнии. Кремний дал имя всемирно известной Кремниевой долине. Это материал, без которого невозможно представить себе современный мир.

Список использованных источников

1 Беккерель, Александр Эдмон - Словари и энциклопедии на Академике

2 Фотоэффект - Свободная русская энциклопедия "Традиция"

3 И. М. Абдюханов. Разработка основ технологии производства металлургического кремния повышенной чистоты для наземной фотоэнергетики. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева), 2001, т. XLV, № 5-6

4 Сайт компании NITOL SOLAR

5 Electronic Materials © Prof. Dr. Helmut Föll


Источник: Интернет



Комментарии
Neugierige, 20 августа 2010 23:53 

Может быть, для справкии о др. способах Solar energy utilisation
Владимир Владимирович, 20 августа 2010 23:59 

Очень хорошая обучающе-обзорная статья!

Почему не в разделе публикаций??

P.S. И справка замечательная!
Старый унылый ботан, 21 августа 2010 14:28 
Слава богу, хоть что-то полезное.
Клюев Павел Геннадиевич, 21 августа 2010 16:58 
да справка правда оочень интересная, уже узнал для себя много нового спасибо
Neugierige, 21 августа 2010 19:11 
Может быть тогда и на публикацию замахнетесь? О современных трендах, какое направление является самым быстрорастущим ну и, конечно, необходимые методы контроля?
Можно посмотреть здесь, здесь
и здесь.
Прошу рассматривать 2 последние ссылки не как продакт плейсмент, а как наиболее наглядные материалы.
P.S.Вполне подходит и для 7ми классников
Клюев Павел Геннадиевич, 21 августа 2010 20:34 
Попробую, ознакомлюсь с материалами и попробую собрать что-нибудь интересное спасибо за ссылки на сайты
Neugierige, 22 августа 2010 11:42 
Павел Геннадиевич, если дадите e-mail, то можно прислать кое-что?
sultanov murat rashidovich, 22 августа 2010 13:24 
хорошая статья)
Клюев Павел Геннадиевич, 22 августа 2010 21:15 
paul_klyuyev@mail.ru
Следует добавить: коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую для кристаллического кремния 13%-14%, аморфного кремния 8% (я привожу данные для отработанных и массовых производств)
Николай Владимирович, 23 августа 2010 15:29 
Сергей Степанович прав, КПД крайне низкое. Хотя я недавно слышал, что изобрели новые солнечные элементы с высоким кпд, работающие за счет линз.
Neugierige, 23 августа 2010 16:46 
А вот теперь Павел Геннадиевич нам всё-ё расскажет!
Л В А, 29 августа 2010 12:46 
А3Б5 имеют гораздо лучшие характеристики. Это не только спутники. Для случаев когда можно сконцентрировать энергию (районов с большим количеством открытого солнца, иначе они неэффективны из-за плохой фокусировки) это лучше. По крайней мере себестоимость можно выгнать меньше - в пределе, на уровне стоимости энергии от дизеля при текущих ценах. Вопрос, насколько в том заинтерсованы.

Ещё задолго до работ в Berkeley Lab в ФТИ, Политехе были работы (только то о чём знаю).
Есть в Нижнем Новгороде умирающая фирма, которая производит кремнивые солнечные элементы и хотелось бы найти заинтересованные лица которые бы реально могли помочь. Проблема в аренде специализированного помещения (необходима утилизация отходов производства) по доступной для предприятия цене. Не исключен перенос предприятия в другой населенный пункт.
я и не думал что в нашей "нефтяной" стране кто-то думает об альтернативных источниках..
CdZnTe - вот где будущее солнечной энергетики зарыто!)
Арсентьев Виктор Вадимович, 14 сентября 2010 15:28 
я и не думал что в нашей "нефтяной" стране кто-то думает об альтернативных источниках..
кое-кто всётаки думает, но их меньшинство.
Anna-700, 21 сентября 2010 21:51 
Очень интересная статья. Есть еще неплохой познавательный сайт о Великой Отечественной Войне. Неплохие фотографии, тоже интересные статьи. Обращает на себя внимание статья об одной битве http://velik...tvoi1.html

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Миллион алых роз
Миллион алых роз

Всероссийский конкурс - Олимпиада "Кристальное дерево знаний 2021"
Геологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова в партнерстве с другими соорганизаторами проводит Всероссийский конкурс - Олимпиаду "Кристальное дерево знаний - 2021". Вся подробная информация приведена на странице конкурса ВКонтакте и на портале "Ломоносов". Приглашаем к участию (и сотрудничеству), это очень интересно!

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Наноструктуры в природе. Для адгезии пауков важна
каждая щетинка. Волнорезы для плазмонов. Противораковые лекарства на борных фуллеренах.
Скирмион проходит пробы на роль кубита. Вторая Международная конференция “Физика конденсированных состояний” (ФКС-2021).

Наносистемы: физика, химия, математика (2021, Т. 12, № 4)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume12/12-4
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2021
Коллектив авторов
Защиты выпускных квалификационных работ (квалификация – бакалавр материаловедения) по направлению 04.03.02 - «химия, физика и механика материалов» на Факультете наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова состоятся 8, 9, 10 и 11 июня 2021 г. Начало защит в 11.00. Защиты пройдут с использованием дистанционных образовательных технологий.

Академик Е.Н. Каблов: «Для освоения космоса нужны новые материалы»
Янина Хужина
В этом году весь мир отмечает 60-летие первого полета человека в космос. Успех миссии Юрия Гагарина стал возможен благодаря слаженной работе многих людей: физиков, математиков, конструкторов, инженеров-проектировщиков и, конечно, материаловедов. «Научная Россия» обсудила с академиком РАН Евгением Кабловым основные вехи в развитии космического и авиационного материаловедения.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2021 году
коллектив авторов
25 - 28 мая пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Эра технопредпринимательства

В эпоху коронавируса и борьбы с ним в существенной степени меняется парадигма выполнения творческих работ и ведения бизнеса, в той или иной мере касаясь привлечения новых типов дистанционного взаимодействия, использования виртуальной реальности и элементов искусственного интеллекта, продвинутого сетевого маркетинга, использования современных информационных технологий и инновационных подходов. В этих условиях важным является, насколько само общество готово к использованию этих новых технологий и как оно их воспринимает. Данной проблеме и посвящен этот небольшой опрос, мы будет рады, если Вы уделите ему пару минут и ответите на наши вопросы.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.