Кремний является основным материалом для производства солнечных панелей, составляя около 95% всего рынка фотоэлектрических элементов. Этот элемент занимает второе место по распространенности в земной коре после кислорода, однако его извлечение и очистка до состояния, пригодного для солнечной энергетики, представляет собой сложный многоэтапный процесс. Согласно данным Международного энергетического агентства (IEA), мировое производство поликристаллического кремния в 2022 году превысило 900 тысяч тонн, причем более 80% производства сосредоточено в Китае.
Этап 1: Добыча и получение металлургического кремния
Первым этапом производства является получение металлургического кремния (MG-Si) из кварцевого песка (диоксида кремния - SiO₂). Процесс осуществляется в дуговых электропечах при температуре около 2000°C. В печь загружают кварц вместе с углеродсодержащими восстановителями — коксом, углем или древесной щепой.
Химическая реакция протекает следующим образом:
SiO₂ + 2C → Si + 2CO
Полученный металлургический кремний имеет чистоту около 98-99%, что недостаточно для применения в солнечной энергетике. По данным Немецкого института солнечных энергетических систем (Fraunhofer ISE), для производства солнечных элементов требуется чистота кремния не менее 99,9999% (6N), что получило название "солнечный кремний" (solar-grade silicon).
Этап 2: Очистка до поликристаллического кремния
Наиболее распространенным методом очистки является процесс Сименса, разработанный в 1950-х годах. Металлургический кремний измельчают и при температуре 300°C подвергают взаимодействию с газообразным хлористым водородом (HCl), получая трихлорсилан:
Si + 3HCl → SiHCl₃ + H₂
Трихлорсилан очищают многократной дистилляцией, после чего осуществляют химическое осаждение на разогретые до 1100°C кремниевые стержни в присутствии водорода:
SiHCl₃ + H₂ → Si + 3HCl
Процесс крайне энергоемкий — по данным Международной ассоциации производителей солнечной энергии (SEMI), на производство 1 кг поликристаллического кремния расходуется от 60 до 200 кВт·ч электроэнергии, в зависимости от применяемой технологии.
В последние годы набирает популярность альтернативный метод производства через моносилан (SiH₄), который позволяет снизить энергопотребление на 30-40% и получить материал более высокой чистоты.
Этап 3: Выращивание монокристаллов или формирование поликристаллов
На данном этапе производство разделяется на два направления:
- Монокристаллический кремний производится методом Чохральского. Поликристаллический кремний расплавляют в кварцевом тигле при температуре 1420°C, затем в расплав погружают затравочный монокристалл и медленно вытягивают его, формируя цилиндрический слиток (ingot) диаметром до 300 мм. Согласно исследованиям, опубликованным в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells, монокристаллические элементы достигают эффективности преобразования до 26,7% в лабораторных условиях.
- Поликристаллический кремний формируется методом литья в блоки. Расплавленный кремний заливают в формы, где он медленно кристаллизуется, образуя слиток с множественными кристаллическими зернами. Этот метод более экономичен, но получаемые солнечные элементы имеют несколько меньшую эффективность — до 22,3%.
Этап 4: Резка на пластины (вафли)
Полученные слитки нарезают на тонкие пластины толщиной 160-200 микрометров с помощью алмазных проволочных пил. По данным Национальной лаборатории возобновляемой энергии США (NREL), при резке теряется до 50% исходного материала в виде кремниевой крошки, что представляет собой значительную экономическую проблему. Современные технологии направлены на утончение пластин и переработку отходов.
Этап 5: Формирование солнечного элемента
Кремниевые пластины проходят несколько технологических операций:
- Текстурирование поверхности для снижения отражения света
- Легирование примесями (фосфором и бором) для создания p-n перехода
- Нанесение антиотражающего покрытия
- Формирование металлических контактов
Экологические аспекты
Производство кремния сопряжено с существенными экологическими вызовами. Процесс является энергоемким и генерирует тетрахлорид кремния (SiCl₄) — токсичный побочный продукт. Современные заводы перерабатывают до 98% SiCl₄ обратно в производственный цикл, согласно отчетам Китайской ассоциации фотоэлектрической промышленности (CPIA).
Заключение
Производство кремния для солнечных панелей представляет собой высокотехнологичный процесс, требующий значительных энергетических затрат. Тем не менее, солнечные панели окупают энергию, затраченную на их производство, в течение 1-3 лет эксплуатации, обеспечивая чистую энергию на протяжении 25-30 лет службы.
Если статья была полезна — поддержите лайком! ❤️
Требуется профессиональный расчет? Напишите в комментариях, и мы поможем!
Подписывайтесь на наш канал, чтобы получать больше экспертных советов! 🔔