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

 

Финальная Закономерность
Финальная Закономерность

4 февраля объявили лауреатов V Всероссийской премии «За верность науке»
4 февраля в здании Минобрнауки РФ состоялась торжественное награждение лауреатов V Всероссийской премии «За верность науке». 11 научно-просветительских проектов были отмечены престижной наградой.

Всероссийский съезд учителей и преподавателей химии
5 февраля в Московском университете в Шуваловском корпусе МГУ состоится Всероссийский съезд учителей и преподавателей химии, посвященный Международному году Периодической таблицы химических элементов, начало - 10 часов.

II Всероссийский химический диктант пройдет 18 мая 2019 года
В 2019 году периодическому закону Дмитрия Менделеева исполнится 150 лет! В честь великого открытия этот год объявлен Международным годом Периодической таблицы химических элементов. Одним из наиболее ярких событий, приуроченных к этому году, станет II Всероссийский химический диктант, который пройдет 18 мая и который в этом году выходит на международный уровень. Мероприятие было анонсировано в рамках церемонии открытия Международного года Периодической таблицы химических элементов 29 января 2019 года в Париже, в штаб-квартире ЮНЕСКО.

Самые необычные таблицы Менделеева на выставке Международного года Периодической таблицы химических элементов

6-8 февраля в Российской академии наук состоялось торжественное открытие Международного года периодической таблицы химических элементов в России и приуроченная к этому масштабная интерактивная выставка

Почувствовать живое...
Е.А.Гудилин, А.А.Семенова, Н.А.Браже
Неразрушающее исследование живых клеток и клеточных структур является в настоящее время важным направлением научных изысканий, которые во многих зарубежных и российских научных группах направлены на достижение вполне прагматической цели – разработку новых принципов биомедицинской диагностики и эффективных подходов в нарождающейся персональной медицине.

Российская газета: Перевернуть пирамиду. Президент РАН: как повысить наши шансы на Нобеля
Юрий Медведев
Почему Россия по числу Нобелей отстает от ведущих стран мира, уступая, например, даже маленькой Швейцарии? Замалчиваются ли достижения отечественных ученых? Почему без привлечения в науку российского бизнеса мы не сможем успешно конкурировать в борьбе за престижную научную премию? Об этом корреспондент "РГ" беседует с президентом РАН Александром Сергеевым, который побывал в Стокгольме на вручении Нобелевских премий и поделился своими впечатлениями.

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
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.