Разработка нового метода получения кремния для нужд солнечной энергетики

УДК 621.787.4
И.
И. Иванов
Разработка нового метода получения кремния
для нужд солнечной энергетики
Тверской государственный университет
Физико
-
технический факультет
Кафедра прикладной физики

Научный руководитель: д.ф-м.н., проф. П.П. ПетровНовизна и актуальность идеи.Сегодня в мире ежегодно вырабатывается около 15 ТВт энергии. В 2050 году, когда по прогнозам потребление удвоится, а источники углеводородов перестанут удовлетворять потребностям мировой экономики, возникнет энергодефицит. В то время как совокупные запасы энергии альтернативных источников составляют 15-17 ТВт, количество возобновляемой энергии, поступающее на землю в виде солнечных лучей, составляет 120 ТВт ежегодно, что делает солнечную энергетику главным источником энергии в ближайшембудущем. По прогнозам FraungoferInstitute, доля фотовольтаики в энергетическом балансе планеты к 2050 году превысит 50%.Основными стимулами развития альтернативных источников энергии являются:—энергобезопасность —стремление стран диверсифицировать источники производства энергии;—энергонезависимость —стремление обезопасить себя от поведения стран-экспортеров нефти и газа;—снижение выбросов —стремление снизить количество выбросов С02в атмосферу и предотвратить глобальное потепление климата.Техническаязначимость продукции или технологии. Кремний является сырьем для производства фотоэлементов. 90% кремния производится по так называемому Siemens-процессу, основанныйнареакции водородного восстановления трихлорсилана SiHCl3 при температурах около 1100 градусов Цельсия. Недостаткамиданной технологии являются высокое энергопотребление, низкая экологичность процессов и высокая себестоимость продукции (25-30 $/кг). Так, затраты энергии нареакцию восстановления кремния ипоследующую его очистку химическими методами составляют 250 кВт.ч/кг, при выходе кремния 10—15%. Основными производителями являются Hemlock, Wacker, REC, Sumitomo, Mitsubishi.За рубежом с 80-х годов предпринимались попытки разработать альтернативу Siemens-процессу, используя кремнефторидные соединения. Однако получить приемлемый по чистоте продукт, стабильно работающее оборудование и низкую себестоимость не удавалось. Наиболее близко подошла к решению данной задачи компания MEMC, достигшая себестоимости процесса в 25 $/кг.При разработке технологии был взят накопленный зарубежный опыт в области производства кремния и добавлены известные процессы из наработок атомной отрасли (очистки отходов урановой промышленности). В результате удалось достичь требуемой чистоты и стабильно воспроизводимых результатов.Использование отходов минеральных удобрений в качестве сырья и низкотемпературных процессов переработки позволили существенно, в 3 раза(до 7,5$),снизить себестоимость кремния(таблица 1).Таблица 1. Себестоимость производства поликристаллического кремния для нужд солнечной энергетики основных мировых производителей

Гранулы кремния сферической формы могут быть использованы как непосредственно для изготовления солнечных элементов на сферических кристаллах Shperix, так и для производства монокристаллов по принятой на сегодня технологии —изготовление монокристаллов кремния по методу Чохральского с последующей резкой слитков монокристалла на стандартные пластины солнечных элементов.Гранулы монокристаллического кремния сферической формы также могут быть использованы для ростовых процессов монокристаллических слитков по методу Степанова (используется компаниями EverGreenSolar(США) и Q-Cells(Германия)).Коммерциализация. Оценка рынка и конкурентов.Цель проекта —проведение НИОКР с целью разработки нового метода получения кремния для нуждфотовольтаики.Себестоимость продукции без реализации побочных продуктов состав-ляет 19$/кг, в то время как у конкурентов 25-30 $/кг. А при реализации побочных продуктов может быть снижена до 6,69.Большинство реагентов являются стандартной продукцией химической промышленности. С целью снижения транспортных издержек, большинство реагентов будет приобретаться со складов завода. В тех случаях, где это невозможно, стоимость доставки включена в цену.На технологию получен комплекс патентов в 2012году: «Способ восстановления кремния» —No 2358906, выдан 27.12.2012;«Способ получения кремния» —No 2356834, выдан 27.12.2012.Основные потребители монокремния находятся за рубежом (Германия, США, Япония). В России и странах СНГ имеются такие заводы по производству солнечных элементов, как: Подольский химико-металлурги- ческий завод (г. Подольск), ЗАО «ЭЛМА» (г. Зеленоград), ЗАО «ЭЛМА-Фитол» (г. Зеленоград), ОАО «Солнечный ветер» (г. Краснодар), ОАО «Квазар» (г. Киев).В рамках реализации проектабыли проведены переговоры с вышеуказанными предприятиями и получены соответствующие письма о готовности приобрести произведенный кремний.Также были проведены переговоры с компаниями EverGreenSolar(США) и Q-Cells(Германия).Проект несет в себе технологические риски, в частности:Риск масштабирования.Возможно, что не удастся масштабировать лабораторную технологию в промышленную, либо процессбудет сопряжен с дополнительными временными и финансовыми затратами. С целью хеджирования риска в проект привлечены специалисты атомной отрасли, имеющие опыт организации производств по аналогичным технологиям на нескольких предприятиях за последние 20 лет.Риск сырья (магний, Mg). Доля магния в себестоимости составляет около 25%, что делает проект чувствительным к колебаниям цен на металл. В то же время цены на магний изменяются в четкой корреляции с ценами на кремний и побочные продукты. Это значит, чтос ростом цен на магний возрастет и стоимость производимой компанией продукции. Дополнительно проработана возможность заключения долгосрочных договоров на поставку магния с фиксированной ценой.Риск конкуренции.Количество расширяющихся заводов и новых игроков говорит об усилении конкуренции и возможном снижении цен. Проект обладает запасом прочности по капитальным инвестициям в 2 раза и себестоимости в 3 раза, что позволит в наихудшем варианте продавать продукцию по цене, равной себестоимости конкурентов, зарабатывая при этом не менее 200% прибыли.План реализацииидеи в конечный продукт.В результате осуществления проекта долженбыть разработан новый высокоэффективныйиэнергосберегающийметод получения кремния для нужд солнечной энергетики. По окончанию срока выполнения работы планируется оформить международнуюзаявкупо процедуре РСТ: «Способ получения тетрафторида кремния, способ получения кристаллического кремния, установка для получения тетрафторида кремния, установка для получения кристаллического кремния», а также заявку на патент для защиты фотоэлементов на базе сферических кристаллов.