Учебная работа. Проект создания инновационного кластера солнечной энергетики на территории Красноярского края в 2009–2015 году

Учебная работа. Проект создания инновационного кластера солнечной энергетики на территории Красноярского края в 2009–2015 году

27

Введение

Происхождение темы

Как и 10-ки лет вспять, сейчас полупроводниковый кремний является материалом «номер один» твёрдотельной электроники. В развитие кремниевой промышленности (и её научное обеспечение) за эти годы вложены колоссальные средства и приобретенные при всем этом результаты очень впечатляющи. сейчас монокристаллический кремний — это самый совершенный кристаллический материал из большущего обилия материалов, сделанных когда-либо человеком либо природой. Раз в год в мире делается ~ 9 тыс. тонн высокосовершенных бездислокационных монокристаллов. Главным пользователем данной нам неповторимой продукции является микроэлектроника, на долю которой приходится ~ 80% мирового производства монокристаллов. Развитие микроэлектроники оказывает решающее воздействие на мировой научно-технический прогресс. Оно почти во всем описывает решение заморочек глобальной компьютеризации и информатизации, сотворения новейших систем связи и телевидения, различной бытовой, мед и специальной электрической аппаратуры.
Монокристаллический кремний является главным материалом и для производства устройств сильноточной («силовой») электроники. Номенклатура сильноточных устройств расширяется с каждым годом: к массивным диодикам и тиристорам добавился широкий диапазон массивных транзисторов, также различных «силовых» интегральных схем (ИС). Крайние в особенности значительно расширяют способности массивных полупроводниковых устройств. Сейчас сильноточные кремниевые электрические устройства удачно употребляются для передачи электроэнергии на огромные расстояния с минимальными потерями, в энергоёмких металлургических и хим производствах, на транспорте, в системах электропривода и энергопитания. Самые сдержанные оценки демонстрируют, что наилучшее насыщение энергетики средствами современной кремниевой сильноточной электроники дозволит сберечь не наименее 10% производимой в истинное время в мире электроэнергии.

Актуальность

Существует две главные области внедрения высокочистого кремния: солнечная энергетика (кремний наименее высочайшей чистоты) и электроника (наиболее высочайшей чистоты). В крайние годы в критериях недостатка поликремния на рынке производители отрасли солнечной энергетики и электроники развернули борьбу за этот материал. Это, в свою очередь, предназначает актуальность инвестиций в эту ветвь.

Исследования крайних лет свидетельствуют о настоящих перспективах сотворения кремниевой оптоэлектроники, способностях широкого действенного использования кремния в различных сенсорных устройствах, прецизионных микромеханических системах, также в целом ряде остальных областей новой техники.

Мысль использования солнечной энергии для блага людей появилась довольно издавна — поначалу в произведениях писателей-фантастов, а потом уж и в действительности. Но даже лет 10 вспять не достаточно кто мог представить, что внедрение энергии Солнца может приобрести промышленные масштабы. Спрос в мире на поликристаллический кремний быстро вырастает, и за крайние три-четыре года цены на него выросли в пару раз. Суммарная мощность электроэнергии, вырабатываемой кремниевыми солнечными батареями, превысила уровень 1 тыс. МВт.
сейчас Потребность в поликремнии определяется совсем не нуждами микроэлектроники, для которой кремния необходимо не так и много. Кремний преобразуется в энергетический материал, который удрученное углеводородным кризисом население земли все наиболее масштабно употребляет для получения электроэнергии конкретно от солнца. И это длительная тенденция. Есть наиболее действенные материалы для фотоэлементов солнечных батарей, но арсенид галлия, который сейчас употребляется в мироздании, очень дорог и дешевеньким никогда не станет. Просто содержание галлия в земной коре очень ограничено, а кремний всюду — песок под ногами. Кремния на земле столько, что им можно накрыть все крыши на Земле и получать в свое наслаждение электричество от солнца. Конкретно на этот материал возлагаются немалые надежды в решении препядствия энергетического кризиса на планетке. Очевидно, для фотоэлементов употребляется не попросту песок: чтоб вычистить кремний из минералов до состояния «энергетического материала» необходимо уметь это созодать.
В Русском Союзе поликристаллический кремний выполнялся с 1957 года на 6 предприятиях. В 90-е годы на предприятиях бывшего СССР (Союз Советских Социалистических Республик, также Советский Союз — больше не осталось работающих производств.

В Рф в истинное время озвучен ряд проектов строительства заводов поликремния, но выпуск по состоянию на начало 2009 года фактически отсутствует. Это приводит к тому, что монокристаллический кремний на русских предприятиях выращивается из ввезенного сырья либо делается с следующим возвратом продукции поставщику сырья.

В данное время идут работы по созданию инноваторского кластера солнечной энергетики на местности Красноярского края. Новейший кластер создаст сырьевую базу для предстоящего развития русской микроэлектроники, также станет значимым шагом на пути формирования новейшей отрасли русской индустрии — солнечной энергетики. Проект будет содействовать реализации поставленных Правительством РФ (Российская Федерация — Создание поликремния в Рф сейчас развивается лишь в Красноярском крае и Иркутской области. В регионе все есть для сотворения производства компонент солнечной энергетики: первичное сырье — поликремний, технологии для его глубочайшей переработки, энергоресурсы, научно-технический потенциал, нужная инфраструктура. В качестве многообещающих площадок проекта рассматриваются Зеленогорск, Железногорск и Шарыпово. Свои намерения воплотить проект подтвердили ООО «Группа НИТОЛ», Муниципальная компании НИТОЛ распложен в городке Усолье-Сибирское Иркутской области.
ФГУП «Горно-химический комбинат, одно из ведущих производств атомной индустрии Рф. На наиблежайшие год-два единственный в стране производитель поликристаллического и монокристаллического кремния, нужного для производства солнечных батарей. На его базе и должен быть сотворен инноваторский кластер. В полном развитии его мощность практически в два раза превзойдет мощность всех компаний, производивших кремний в СССР (Союз Советских Социалистических Республик, также Советский Союз — сейчас полупроводниковый кремний для микроэлектроники создают наименее 10-ка компаний — в США (Соединённые Штаты Америки — Потребность этого элемента в индустрии, необходимо создавать около 200 тонн поликремния. Конкретно на эту цифру нацелено Создание в Железногорске.
сейчас в «солнечном кластере» заинтересованы муниципальные структуры — госкорпорации «Росатом», «Банк развития и внешнеэкономической деятельности (Внешэкономбанк)», Федеральное галлактическое агентство («Роскосмос») и правительство Красноярского края.
Проект «солнечного кластера» весьма выгоден для Красноярья, потому что на новейших предприятиях в сверхтехнологичном Железногорске планируется в перспективе трудоустроить около 5 тыс. чел. (в главном ИТР), а налоговые отчисления в бюджеты всех уровней предположительно составят порядка 10 миллиардов. руб. раз в год. Но сейчас в Проект необходимо вложить еще около 15 миллиардов. руб., и кто будет вкладывать эти средства пока непонятно.
В случае удачной реализации проекта по созданию в Красноярском крае инноваторского кластера Наша родина сумеет создавать в год до 30 тыщ тонн кремния и к 2015-2020 годам войти в тройку глобальных фаворитов в области солнечной энергетики, но при всем этом планируется половину производимого кремния поставлять на экспорт.

Цель и задачки

Главный целью истинной работы является анализ рынка поликремния и монокремния

ѕ исследование вероятных поставщиков

ѕ исследование вероятных потребителей

ѕ исследование поставщиков оборудования по выращиванию монокремния

1 . Получение поликристаллического кремния
1.1 способы производства поликремния
Производственная цепочка поликремния начинается с диоксида кремния (кремнезема). Кремнезем обширно всераспространен в природе в виде песка, кварца и глины. В итоге карботермического восстановления диоксида кремния в дуговой печи при температуре 1800 0С выходит технический (металлургический) кремний, который потом проходит чистку хим (через хлорсиланы) либо физическими (прямыми) способами.
В истинное время, более всераспространен способ производства поликремния с внедрением процесса и реактора Сименс (Siemens). Сименс-процесс это процесс хим осаждения поликремния из газовой фазы (chemical vapore deposition, CVD). В этом процессе нагретые до высочайшей температуры поликремниевые стержни-затравки помещаются в Сименс-реактор имеющий охлаждаемый куполообразный корпус. В реактор подается газообразный трихлорсилан (ТХС). При прохождении через реактор ТХС разлагается на поверхности нагретых стержней-затравок с образованием поликремния. Когда стержни добиваются подходящего размера, они извлекаются из реактора и потом могут подвергаться дроблению.
В 2007 г. Сименс-процесс употреблялся на 90% работающих мощностей по производству поликремния. Не считая того, 70% строящихся проектов также планируют применять технологию Сименс.

В то же время, сейчас ведутся активные разработки разных других технологий, главными преимуществами которых является экономия времени и энергии, а, как следует, и понижение цены конечного продукта. например, процесс производства поликремния в реакторах бурлящего слоя (Fluidized Bed Reactor, FBR) равномерно увеличивает свою долю рынка, так как ожидается, что он дозволит понизить себестоимость поликремния.

Еще одна развивающаяся разработка — ровная чистка технического (металлургического) кремния с получением усовершенствованного металлургического кремния (UMG), отвечающего требованиям т.наз. «солнечного свойства». На нынешний денек наиболее 20 компаний работают в этом направлении. Хотя детали процесса в любом случае могут различаться, обычно, такие технологии предполагают удаление примесей металлов и понижение содержания бора и фосфора. Чистота конечного продукта — выше 99.99%.

Рис. 1.1.1 технологии получения поликремния

Тем не наименее, согласно прогнозам, разработка Сименс сохранит свои доминирующие позиции в течение ближайших лет, хотя и уступит свою долю рынка таковым технологиям как FBR, UMG и др.:

1.2 Получение технического кремния
Начальным сырьем для большинства изделий микроэлектронной индустрии служит электрический кремний. Первым шагом его получения является изготовка сырья, именуемого техническим (металлургическим) кремнием.
Этот технологический шаг реализуется при помощи дуговой печи с погруженным в нее электродом (Рис. 1.2.1).

Рис. 1.2.1 Дуговая печь

Печь загружается кварцитом SiO2 и углеродом в виде угля, щепок и кокса. температура реакции Т = 1800 0С, энергоемкость W = 13 кВт/час. В печи происходит ряд промежных реакций. Результирующая реакция быть может представлена в виде:

SiC(тв) + SiO2 (тв)> Si(тв) + SiO2 (газ) + CO(газ) (1.2.1)

Получаемый таковым образом технический кремний содержит 98 -99% Si, 1 -2% Fe, Аu, В, Р, Са, Cr, Cu, Mg, Mn, Ni, Ti, V, Zn и др.

Современная разработка поликристаллического кремния базирована на процессе водородного восстановления трихлорсилана, восстановления тетрахлорида кремния цинком и пиролиза моносилана (Рис. 1.2.2) Огромную часть кремния (около 80%) получают методом водородного восстановления трихлорсилана (ТХС). Плюсы этого процесса — легкость и экономичность получения ТХС, эффективность чистки ТХС, высочайшее извлечение и большая скорость осаждения кремния (извлечение кремния при использовании тетрахлорида кремния составляет 15%, а при использовании ТХС — не наименее 30%), наименьшая себестоимость продукции.

Трихлорсилан обычно получают методом гидрохлорирования кремния: взаимодействием технического кремния с хлористым водородом либо со консистенцией газов, содержащих хлористый водород, при температуре 260-400°С. процесс синтеза трихлорсилана сопровождается побочными реакциями образования тетрахлорида кремния и остальных хлорсиланов, также галогенидов металлов, к примеру АlСl3, ВСl3, FeCl3 и т.д. Реакции получения хлорсиланов кремния являются обратимыми и экзотермическими:

Рис. 1.2.2 процесс получения монокремния

Si(T) + ЗНСl(Г)>SiHCl3 (Г) + H2 (Г) (1.2.2)

Si(T) + 4НСl(Г)>SiCl4 (Г) + 2Н2 (Г) (1.2.3)

При температуре выше 300°С ТХС в продуктах реакций практически вполне отсутствует. Для увеличения выхода ТХС температуру процесса понижают, что приводит к значительному замедлению быстроты реакции (1.2.3). Для роста быстроты реакции (1.2.2) употребляют катализаторы (медь, железо, алюминий и др.). Так, к примеру, при внедрении в начальный кремний до 5% меди содержание ТХС в консистенции товаров реакции при температуре 265°С доходит до 95%.

синтез ТХС ведут в реакторе «бурлящего» слоя, в который сверху безпрерывно подают порошок технического кремния с размером частиц 0,01 — 1 мм. Псевдоожиженный слой частиц шириной 200 — 600 мм делают встречным потоком хлористого водорода, который поступает в нижнюю часть реактора со скоростью 1 -8 см/с. Сиим самым обеспечивается перевод гетерогенного химико-технологического процесса из диффузионной в кинетическую область. Потому что процесс является экзотермическим, то для стабилизации режима в данном интервале температур производят интенсивный отвод теплоты и кропотливый контроль температуры на различных уровнях псевдоожиженного слоя. Не считая температуры контролируют расход хлористого водорода и давление в реакторе.

Существенное воздействие на выход ТХС оказывает присутствие примесей воды и кислорода в начальных компонентах. Эти примеси, окисляя порошок кремния, приводят к образованию на его поверхности плотных слоев SiO2, препятствующих взаимодействию кремния с хлористым водородом и соответственно снижающих выход ТХС. Так, к примеру, при увеличении содержания Н2О в НСl с 0,3 до 0,4% выход ТХС миниатюризируется с 90 до 65%. В связи с сиим хлористый водород, также порошок кремния перед синтезом ТХС проходят кропотливую осушку и чистку от кислорода.

Образующаяся в процессе синтеза ТХС парогазовая смесь поступает в зону остывания, где ее стремительно охлаждают до 40 -130°С, в итоге чего же выделяются в виде пыли твердые частички примеси (хлориды железа, алюминия и др.), которые совместно с частичками непрореагировавшего кремния и полихлоридов (SinCl2n+2) потом отделяются при помощи фильтров. Опосля чистки от пыли (являющейся взрывоопасным продуктом) парогазовая смесь поступает на конденсацию при температуре -70°С. Происходит отделение SiHCl3 и SiCl4 (температуры кипения 31,8 и 57,2°С соответственно) от водорода и НСl (температура кипения 84°С). Приобретенная в итоге конденсации смесь состоит в главном из ТХС (до 90 — 95%), остальное — тетрахлорид кремния, который отделяют потом ректификацией. Выделяемый в итоге разделения тетрахлорид кремния в предстоящем употребляют для производства силиконов, кварцевого стекла, также для получения трихлорсилана методом доп гидрирования в присутствии катализатора.

1.3 Чистка ТХС

Получаемый ТХС содержит огромное количество примесей, чистка от которых представляет сложную задачку. Более действенным способом чистки является ректификация, но выполнить полную и глубокую чистку от примесей, имеющих различную физико-химическую природу, применяя лишь ректификацию, трудно. В связи с сиим для роста глубины чистки по ряду примесей используются доп меры.

Так, к примеру, для примесей, тяжело очищаемых кристаллизационными способами (бор, фосфор, углерод), нужна более глубочайшая чистка ТХС. Потому для увеличения эффективности чистки эти микропримеси переводят в нелетучие либо всеохватывающие соединения. Для чистки от бора, к примеру, пары ТХС пропускают через дюралевую стружку при 120°С. поверхность стружки, поглощая бор, приводит к практически полной чистке от него ТХС. Побочно образующийся хлорид алюминия дальше возгоняют при температере 220-250°С, а потом отделяют фракционной конденсацией.
Не считая алюминия могут быть применены серебро, медь либо сурьма. Добавка меди к алюминию дозволяет сразу очищать ТХС от мышьяка и сурьмы. Повысить эффективность чистки от бора дозволяет также введение в ТХС пента- либо оксихлоридов фосфора. При всем этом образуются нелетучие всеохватывающие соединения фосфора с бором состава РСl5·ВСl3 либо РОС13·ВСl3, которые потом отделяют ректификацией. Перевод бора в нелетучие соединения быть может также осуществлен методом прибавления в ТХС трифенилхлорметана (либо триметиламина, ацетонитрила, аминокислоты, кетона и т.д.), приводящего к образованию с бором комплекса типа (С6Н5) 3С ·ВСl3, который потом убирают ректификацией. Чистку от борсодержащих примесей производят также адсорбцией в реакторах, заполненных алюмогелем либо иными гелями (TiO2, Fe2O3, Mg(OH) 2) с следующей ректификацией ТХС.

Для чистки от фосфора ТХС насыщают хлором с переводом трихлорида фосфора в пентахлорид. При добавлении в раствор хлорида алюминия появляется нелетучее соединение РСl5 ·АlСl3, которое потом удаляется ректификацией.

Контроль чистоты получаемого опосля чистки ТХС производят способами ИК (то есть тепловое, инфракрасное, на основе инфракрасного излучения)-спектроскопии, хроматографии, также измерением типа и величины проводимости тестовых образцов кремния, получаемых из проб ТХС. Тестовый способ существует в 2-ух модификациях. В согласовании с первой на лабораторной установке осаждением из газовой фазы получают поликристаллический стержень кремния поперечником 10-20 мм. Дальше из него бестигельной зонной плавкой выращивают контрольный монокристалл, по типу проводимости и удельному сопротивлению которого судят о чистоте ТХС. Для определения концентрации доноров проводят один проход зоны в аргоне либо вакууме и получают монокристалл n-типа, по удельному сопротивлению которого судят о чистоте по донорам (удельное сопротивление по донорам); для определения концентрации бора приводят 5-15 проходов зоны в вакууме, в итоге чего же получают монокристалл р-типа, по удельному сопротивлению которого судят о чистоте по бору (удельное сопротивление по бору).

По 2-ой модификации тестового способа монокристалл кремния выращивают конкретно из газовой фазы на монокристаллический стержень в маленьком кварцевом реакторе и дальше определяют его удельное сопротивление.

Остаточное содержание микропримесей в ТХС опосля чистки не обязано превосходить, % мас: бора — 3·10-8, фосфора — 1·10-7, мышьяка — 5·10-10, углерода (в виде углеводородов) — 5·10-7.
По электронным измерениям тестовых образцов остаточное содержание доноров обязано обеспечивать удельное сопротивление кремния n-типа не наименее 5000 Ом·см, а по акцепторам у кристаллов р-типа — не наименее 8000 Ом·см.
1.4 Остальные способы получения газовых соединений Si

На техническом уровне и экономически конкурентоспособным по сопоставлению с рассмотренным является также способ получения поликристаллического кремния методом разложения силана SiH4 высочайшей чистоты. процесс получения которого сводится к последующему.

Методом сплавления технического кремния и магния в водороде при 550°С получают силицид магния Mg2Si, который потом разлагают хлоридом аммония по реакции
Mg2Si+4NH4Cl>SiH4+2MgCl2+ +4NH3 (1.4.1)
в среде водянистого аммиака при температуре -30°С. Отделяемый моносилан дальше поступает на ректификационную чистку, в итоге которой содержание примесей понижается до уровня наименее 10-8 — 10-7%.
Известны и остальные способы получения летучих соединений кремния — хлорирование либо иодирование технического кремния, продуктами которых являются тетрахлорид SiCl4 либо тетраиодид кремния SiJ4.
1.5 Восстановление очищенного трихлорсилана

Восстановление очищенного трихлорсилана и в итоге этого получение поликристаллического кремния проводят в атмосфере водорода

SiHCl3 (Г) + H2 (Г) >Si(T) + 3HCl(Г) (1.5.1)
на поверхности разогретых кремниевых стержней-основах поперечником 4-8 мм (время от времени до 30 мм), получаемых способом выкармливания с пьедестала (Рис. 1.5.1).

Рис. 1.5.1 Восстановление трихлорсилана

В неких разработках заместо цилиндрических стержней употребляются пластинчатые (шириной 1-5 мм и шириной 30-100 мм) с большей площадью осаждения. Материалом для выкармливания стержней служит качественный поликристаллический кремний. поверхность стержней — основ подвергают ультразвуковой чистке, травлению в консистенции кислот (к примеру, HF+ + HNO3), отмывке и сушке. К стержням — основам для получения качественного поликристаллического кремния предъявляются высочайшие требования по чистоте: они обязаны иметь удельное сопротивление по донорам >700 Ом·см и по бору >5000 Ом·см.

Из стержней изготовляют электронагреватели (к примеру, П-образной формы) и их нагрев производят пропусканием электронного тока. По мере роста поперечника стержней силу тока равномерно наращивают.

Выбор критерий водородного восстановления ТХС производят на базе хорошей связи последующих характеристик процесса:

ѕ сбалансированной степени перевоплощения SiHCl3 в Si, кристаллической структуры получаемых стержней,

ѕ температуры процесса,

ѕ энергозатрат,

ѕ мольного дела Н2: SiHCl3,

ѕ скорости осаждения кремния.

Хорошими критериями процесса восстановления считают температуру 1100-1150°С, мольное отношение Н2: SiHCl3 в границах 5 -15, плотность подачи ТХС 0,004 моль/(ч*см2). При температуре стержней ниже хорошей увеличивается степень перевоплощения ТХС в тетрахлорид кремния и миниатюризируется выход кремния. Повышение температуры приводит к существенному возрастанию энергозатрат. При рациональном мольном отношении Н2: SiHCl3 = 5 -15 стержни имеют плотную мелкокристаллическую структуру и относительно ровненькую поверхность. За пределами этих отношений появляется неровная поверхность, структура стержней становится крупнокристаллической с включениями газовых пор, которые при следующем плавлении поликремния в процессе выкармливания кристаллов приводят к бурлению и разбрызгиванию расплава.

количество стержней, устанавливаемых в разных промышленных реакторах, колеблется от 2 до 16, длина всякого стержня составляет до 2 м, конечный поперечник 150-250 мм. За счет обоюдного нагрева стержней скорость осаждения кремния в многостержневых аппаратах выше, чем в двухстержневых; скорость роста поперечника стержней добивается 0,5 мм/ч, энергозатраты составляют 3000 кВт ·ч/кг.

Для увеличения чистоты получаемого кремния создают кропотливую чистку водорода, реакторы делают из особых сталей, также защищают их поверхность от взаимодействия с газовой средой методом введения доп кварцевых (кремниевых) колпаков, отделяющих обскурантистский размер от стен реактора. Неплохой защитой стен реактора является покрытие их защитными пленками, к примеру полихлорсиланом.

1.6 Получение поликристаллических кремния из моносилана SiH4
Получение поликристаллических стержней кремния методом теплового разложения моносилана SiH4 делается по аналогичной методике при температурах 1000°С. Образующийся при разложении водород SiH4 (Г)->Si(T) + 2Н2 (Г) владеет высочайшей степенью чистоты и употребляется в сопутствующем производстве. Получаемый по данной нам технологии поликремний владеет наиболее высочайшей степенью чистоты, чем кремний, получаемый восстановлением ТХС.

Извлечение кремния из SiCl4 и SiJ4 производят восстановлением тетрахлорида кремния цинком или тепловой диссоциацией тетраиодида.

Получаемые поликристаллические стержни перед внедрением в действиях выкармливания монокристаллов способом Чохральского разламывают на комфортные для загрузки в тигель кусочки либо разрезают на мерные заготовки. Для процесса бестигельной зонной плавки стержни обрабатывают под подходящий поперечник шлифовкой. Удаление поверхностных слоев, обогащенных примесями и газами, не считая того, предутверждает разбрызгивание кремния из расплавленной зоны.

Современные технологические схемы получения поликристаллического кремния содержат в себе регенерацию и повторное внедрение всех компонент и товаров реакций восстановления (пиролиза), что улучшает технико-экономические характеристики процесса, понижает себестоимость получаемого кремния, делает процесс экологически наиболее незапятнанным.

Рассмотренный процесс осаждения поликристаллического кремния употребляется также для получения на его базе поликристаллических труб на углеродных оправках. Вследствие высочайшей чистоты и прочности эти трубы используются заместо кварцевых в печах высокотемпературных действий (выше 1200°С) в технологии полупроводниковых и микроэлектронных устройств. Кремниевые трубы не подвержены просаживанию либо иной деформации в течение пары лет эксплуатации, невзирая на неизменное температурное циклирование меж 900 и 1250°С, тогда как кварцевые трубы имеют ограниченный срок службы при тех же действиях.

Потребление поликристаллического кремния электрической индустрией составляет несколько тыщ тонн в год.

Для получения кремния высочайшей чистоты поликристаллические стержни подвергают кристаллизационной чистке способом зонной плавки в вакууме. При всем этом кроме кристаллизационной чистки кремния от нелетучих примесей (в большей степени акцепторов) происходит значимая чистка его от летучих доноров за счет испарения их из расплавленной зоны. Так, опосля 15 проходов расплавленной зоны со скоростью 3 мм/мин, получают монокристаллы кремния р-типа электропроводности с остаточной концентрацией примеси наименее 1013 см-3 и удельным сопротивлением (по бору) наиболее 104 Ом*см.
2. Создание монокристаллов кремния
Создание монокристаллов кремния в главном производят способом Чохральского (до 80-90% потребляемого электрической индустрией) и в наименьшей степени способом бестигельной зонной плавки.

2.1 способ Чохральского
Мысль способа получения кристаллов по Чохральскому заключается в росте монокристалла за счет перехода атомов из водянистой либо газообразной фазы вещества в твердую фазу на их границе раздела (Рис. 2.1.1).

Рис. 2.1.1 Кристаллизация по Чохральскому

поликремний установка солнечная энергетика

Применительно к кремнию этот процесс быть может охарактеризован как однокомпонентная ростовая система жидкость — жесткое тело.

Скорость роста V определяется числом мест на поверхности возрастающего кристалла для присоединения атомов, поступающих из водянистой фазы, и чертами переноса на границе раздела.

2.2 установка для выкармливания монокристаллического кремния
Установка (Рис. 2.2.1) состоит из последующих блоков
· печь, включающая в себя тигель (8), контейнер для поддержки тигля (14), нагреватель (15), источник питания (12), камеру высокотемпературной зоны (6) и изоляцию (3, 16);
· механизм вытягивания кристалла, включающий в себя стержень с затравкой (5), механизм вращения затравки (1) и устройство ее зажима, устройство вращения и подъема тигля (11);
· устройство для управления составом атмосферы (4 — газовый вход, 9 — выброс, 10 — вакуумный насос);
· блок управления, состоящий из процессора, датчиков температуры и поперечника возрастающего слитка (13, 19) и устройств ввода;

ѕ доп устройства: смотровое окно — 17, футляр — 2.

ѕ

Рис. 2.2.1 установка по выращиванию способом Чохральского

2.3 Разработка процесса
Затравочный монокристалл высочайшего свойства опускается в расплав кремния и сразу вращается (Рис. 2.3.1). Получение расплавленного поликремния происходит в тигле в инертной атмосфере (аргона при разрежении ~104 Па.) при температуре, некординально превосходящей точку плавления кремния Т = 1415°С. Тигель вращается в направлении обратном вращению монокристалла для воплощения перемешивания расплава и сведению к минимуму неоднородности распределения температуры. Выкармливание при разрежении дозволяет отчасти очистить расплав кремния от летучих примесей за счет их испарения, также понизить образование на внутренней облицовке печи налета порошка монооксида кремния, попадание которого в расплав приводит к образованию изъянов в кристалле и может нарушить монокристаллический рост.

Рис. 2.3.1 процесс роста монокристалла

Сначала процесса роста монокристалла часть затравочного монокристалла расплавляется для устранения в нем участков с завышенной плотностью механических напряжений и недостатками. Потом происходит постепенное вытягивание монокристалла из расплава.

Для получения монокристаллов кремния способом Чохральского создано и обширно употребляется высокопроизводительное автоматическое оборудование, обеспечивающее воспроизводимое получение бездислокационных монокристаллов поперечником до 200 — 300 мм. С повышением загрузки и поперечника кристаллов стоимость их получения миниатюризируется. Но в расплавах большенный массы (60-120 кг) нрав конвективных потоков усложняется, что делает доп трудности для обеспечения требуемых параметров материала. Не считая того, при огромных массах расплава понижение цены становится незначимым за счет высочайшей цены кварцевого тигля и уменьшения скорости выкармливания кристаллов из-за проблем отвода сокрытой теплоты кристаллизации. В связи с сиим с целью предстоящего увеличения производительности процесса и для уменьшения размера расплава, из которого делается выкармливание кристаллов, интенсивное развитие получили установки полунепрерывного выкармливания. В таковых установках делается доборная непрерывная либо повторяющаяся загрузка кремния в тигель без остывания печи, к примеру методом подпитки расплава водянистой фазой из другого тигля, который, в свою очередь, также может временами либо безпрерывно подпитываться жесткой фазой. Такое усовершенствование способа Чохральского дозволяет понизить стоимость выращиваемых кристаллов на 10-ки процентов. Не считая того, при всем этом можно проводить выкармливание из расплавов маленького и неизменного размера. Это упрощает регулирование и оптимизацию конвективных потоков в расплаве и избавляет сегрегационные неоднородности кристалла, обусловленные конфигурацией размера расплава в процессе его роста.

2.4 способ бестигельной зонной плавки
Выкармливание кристаллов кремния способом бестигельной зонной плавки (БЗП) производят на базе одновиткового индуктора (типа «игольного ушка»), внутренний поперечник которого меньше поперечника начального поликристаллического стержня и кристалла (Рис. 2.4.1). Во всех современных системах зонной плавки употребляется стационарное положение индуктора, а поликристаллический стержень и возрастающий монокристалл передвигаются. Скорость выкармливания кристаллов способом БЗП в два раза больше, чем по способу Чохральского, благодаря наиболее высочайшим градиентам температуры.
Из-за технических проблем выращиваемые способом БЗП кристаллы кремния (их поперечник доведен до 150 мм) уступают по поперечнику кристаллам, получаемым способом Чохральского. При бестигельной зонной плавке легирование выращиваемого кристалла, как правило, проводят из газовой фазы методом введения в газ-носитель (аргон) газообразных соединений легирующих примесей. При всем этом удельное сопротивление кристаллов может изменяться в широких границах, достигая 200 Ом·см. При выращивании в вакууме получают монокристаллы с весьма высочайшим сопротивлением — до 3·104 Ом·см. Для получения такового материала во избежание загрязнений не используют резку либо обдирку стержня поликристаллического кремния. Остаточные доноры, кислород, углерод и томные сплавы убирают из кремниевого стержня пятикратной зонной чисткой в вакууме. К недочетам способа БЗП относится значимая круговая неоднородность распределения удельного сопротивления (20-30%) получаемых кристаллов, которую можно уменьшить внедрением трансмутационного легирования.
Монокристаллы кремния, получаемые способом БЗП, составляют около 10% общего размера производимого монокристаллического кремния и идут в главном на изготовка дискретных устройств, в особенности тиристоров большенный мощности.
1 — Держатель
2 — Обмотка нагревателя
3 — Монокристаллический кремний
4 — Затравочный монокристалл
5 — Держатель
6 — Расплавленная зона
7 — Стержень из поликристаллического кремния

Рис. 2.4.1 способ бестигельной зонной плавки

В таблице 2.4.1 приведены сравнительные свойства способов Чохральского и БЗП.

Таблица 2.4.1

Параметр

Чохральского

способ БЗП

Наибольший поперечник пластинки, мм

150-400

200

Удельное сопротивление p-типа, Ом*см

0.005-50

0.1-3000

Удельное сопротивление n-типа, Ом*см

0.005-50

0.1-800

Содержание кислорода, атом/см2

10-100

<10

Содержание углерода, атом/см2

10

<10

3. Оборудование для получения поликристаллического и монокристаллического кремния
3.1 Блок конденсации хлорсилана 221ХПТ012
Блок конденсации хлорсиланов (Рис. 3.1.1) (БКХ) предназначен для конденсации хлорсиланов из парогазовой консистенции (ПГС), отходящей от установок водородного восстановления (УВВ) и конверсии тетрахлорида кремния (ТХК) в трихлорсилан.

Рис. 3.1.1 Блок конденсации хлорсилана

БКХ разрабатывается с целью использования теплообменного оборудования, исключающего неконтролируемое обоюдное проникновение сред в технологический тракт установки. БКХ предназначен для установок водородного восстановления кремния.

Технические свойства (см. приложение 1)

3.2 Блок регенерации водорода 221 ХПТ 013
Блок регенерации водорода (Рис. 3.2.1) (БРВ) предназначен для выделения водорода из парогазовой консистенции (ПГС), выходящей из блока конденсации хлорсиланов (БКХ) с следующим возвратом его в технологическую линию производства поликристаллического кремния на ЗПК ГХК. БРВ относится к продукции единичного производства.

БРВ разрабатывается с целью обоюдной увязки БКХ1 (Блок конденсации хлорсиланов), БКХ2, и БК3 (блока конденсации) в составе технологической полосы, обеспечивающей ведение процесса с минимальными затратами и требуемыми высококачественными показателями выделения из ПГС водорода.

В состав продукции заходит вполне собранный блок, включающий в себя аппараты, относящиеся к 1-ой группе сосудов и подлежащие ведению Госгортехнадзора Рф.

Рис. 3.2.1 Блок регенерации водорода

Система БКХ соответствует требованиям сохранности по ГОСТ 12.2.003-91 и «Правил устройства и неопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» (ПБ03-576-03) и «Общих правил взрывобезопасности для взрывопожароопасных хим, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств» (ПБ09-540-03).

Категория взрывоопасности и группа взрывоопасных консистенций ПГС в БКХ согласно систематизации ГОСТ Р51330.11-99 соответствует:

ѕ по водороду — 11С-Т1,

ѕ по трихлорсилану — 11С-Т3.

Система БКХ отвечать требованиям сохранности в течение всего срока службы блока. Зарубежных аналогов нет.

3.3 Блок конденсации 221 ХПТ014
Блок конденсации (Рис. 3.3.1) (БК3) предназначен для конденсации хлорсиланов из парогазовой консистенции (ПГС), выходящей из установок переработки хлоридов (УПХ), с следующим возвратом компонент в технологическую линию производства поликристаллического кремния. Вид климатического выполнения УХЛ4 по ГОСТ 15150. БК3 относится к продукции единичного производства.

БК3 разрабатывается с целью обоюдной увязки БКХ1 (Блок конденсации хлорсиланов), БКХ2 и БРВ (Блок регенерации водорода) в составе технологической полосы, обеспечивающей ведение процесса с минимальными затратами и требуемыми высококачественными показателями выделения из ПГС водорода.

Рис. 3.3.1 Блок конденсации

В состав продукции заходит вполне собранный блок, включающий в себя аппараты, относящиеся к 1-ой группе сосудов и подлежащие ведению Госгортехнадзора Рф.

Как видно из перечисленного оборудования БК3, в нём применены 2 типа теплообменников на различных стадиях остывания ПГС.

Система БК3 соответствует требованиям сохранности по ГОСТ 12.2.003-91 и «Правил устройства и неопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» (ПБ03-576-03) и «Общих правил взрывобезопасности для взрывопожароопасных хим, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств» (ПБ09-540-03).

ѕ по водороду — 11С-Т1,

ѕ по трихлорсилану — 11С-Т3.

Система БК3 отвечает требованиям сохранности в течение всего срока службы блока. Зарубежных аналогов нет.

3.4 установка водородного восстановления кремния 221 УП 200
установка водородного восстановления (Рис. 3.4.1) кремния создана для производства поликристаллического кремния способом водородного восстановления хлорсиланов.

Рис. 3.4.1 установка водородного восстановления

Индивидуальности установки:

ѕ установка создана для работы в критериях автоматического производства по схеме замкнутого цикла с конденсацией товаров реакции;

ѕ автоматическое управление действием обеспечивается оснащением установки контрольно-измерительными устройствами, средствами автоматизации, запорно-регулирующей и отсечной арматурой. Вероятен переход на ручное управление;

ѕ стержни-основы крепятся к верхнему днищу реактора, что автоматом обеспечивает их параллельность и исключает электронное замыкание друг на друга либо на корпус. Подача основ на установка и разгрузка готовых стержней механизированы с применением контейнера, устанавливаемого на пространство нижней части реактора;

ѕ установка быть может применена в режиме конверсии на армированных графитовых нагревателях.

Технические свойства (см. приложение 2)

3.5 Установка выкармливания монокристаллов кремния 221 УМК 090
В ростовой установке «Кедр» (Рис. 3.5.1) использован термический узел из углекомпозитпых материалов (УКМ), разработанный спецами ФГУП «Красмаш» вместе с ФГУ11 «Институт термохимии» и Красноярским научным центром СОРАН, делая упор на опыт профессионалов ФГУП «ГХК» и ФГУП «Институт ГИРЕДМЕТ».

Рис. 3.5.1 установка выкармливания монокристаллов кремния

Обеспечено автоматическое управление, начиная с вакуумирования камеры установки и заканчивая остыванием кристалла, подобраны режимы и сотворена программка автоматического управления действием.

Индивидуальности установки выкармливания монокристаллов кремния:

ѕ установка дозволяет работать с термическими узлами под тигли 18» (457 мм), 20» (508 мм) и при комплектации плавильной камерой увеличенного поперечника с термическим узлом под тигель 22» (558 мм);

ѕ система управления имеет современный и вполне русифицированный интерфейс и обеспечивает выкармливание монокристаллов в автоматическом режиме, начиная с шага вакуумирования;

ѕ компактный источник силового питания имеет модульное выполнение и дозволяет перебегать на термо узлы большей мощности и устанавливать донные нагреватели;

ѕ термо узлы могут изготавливаться из композитных материалов на базе углерода и графита.

По отдельному заказу установка может компоноваться: устройством для съема и транспортировки кристалла, устройством загрузки тигля, устройством догрузки, площадкой обслуживания.

3.6 Станок калибровки монокристаллов кремния 221 СКС 250
Индивидуальности станка (Рис. 3.6.1):

ѕ отличительная изюминка станка заключается в том, что заготовка устанавливается в вертикальном суппорте и в процессе обработки {перемещается} по вертикальной оси, при всем этом шпиндельные головки остаются недвижными;

ѕ станок собран по модульному принципу все узлы станка прошли долголетние тесты в системах, применяемых на заводе-изготовителе;

ѕ в главном выполнении станок имеет автономную гидростанцию, расположенную со станиной.

Рис. 3.6.1 Станок калибровки

По особенному заказу шпиндель изделия быть может обустроен тормозной муфтой и механизмом деления, что дозволяет проводить снятие продольной лыски.

Также по особенному заказу шлифовальные шпиндели могут быть установлены на поперечные салазки, имеющие автоматический привод и подачу на один двойной ход вертикального суппорта. Оснащение таковым приводом дозволяет проводить квадратирование слитка.

3.7 Станок раскроя слитков ленточно-отрезной 221 УЛП 250

Рис. 3.7.1 Станок раскроя слитков

Индивидуальности станка:

ѕ станок обустроен поворотным столом, позволяющим разворачивать обрабатываемый кристалл на 180 градусов для отрезки обратных концов;

ѕ по особенному заказу может оснащаться приспособлением для закрепления монокристаллов в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

4. Мировой Рынок поликремния
4.1 Обзор мирового рынка поликремния
недостаток поликристаллического кремния на мировом рынке, вызванный бурным развитием солнечной энергетики, уже издавна не является новостью. Солнечная энергетика (фотовольтаика) — одна из более оживленно развивающихся отраслей мировой промышленности. на данный момент наиболее 95% всех выпускаемых солнечных батарей сделаны на базе кремниевых технологий.
Мировой Спрос на поликремний вырастает с каждым годом. Главный его пользователь — производители солнечных батарей. Рынок солнечных батарей, по данным Европейской ассоциации фотоэлектрической индустрии (European Photovoltaic Industry Association, EPIA), рос в крайние 10 лет со средней скоростью 25-30% в год (Рис. 4.1.1). Аналитики предсказывают таковой же рост в протяжении по последней мере последующих пяти-семи лет: солнечная электроэнергетика как кандидатура нефтегазовой на муниципальном уровне поддерживается правительствами США (Соединённые Штаты Америки — Энтузиазм к выпуску поликремния в Рф разъясняется низкой себестоимостью производства, обеспеченной дешевый электроэнергией и сырьем.

Рис. 4.1.1 Суммарные мировые мощности «солнечных» генерирующих средств

К 2031 г. в мире планируется иметь совокупную установленную мощность электрогенераторов на солнечной энергии 1700ГВт. Если сейчас солнечная энергетика занимает 1% в общемировом балансе произведенной электроэнергии, то к 2030 г. эта толика обязана возрасти до 10%, а в 2040 г. до 30%.

Причины роста мирового рынка:

ѕ неисчерпаемость энергии Солнца

ѕ экологичность

ѕ муниципальная поддержка отрасли

ѕ сетевой паритет к 2012-2014 годам в странах Запада — равенство цены «солнечного» электро энергии и электро энергии, приобретенного за счет обычных источников

4.2 Главные производители поликремния

В истинное время главными глобальными производителями поликремния являются последующие компании (размер производства за 2007 год):

ѕ Hemlock (США (Соединённые Штаты Америки — Создание поликремния в 2008 г.

4.3 Прогноз производства поликремния в мире до 2010 г.
В истинное время размер мирового рынка поликремния около 30 000 тонн. К 2010 году объём его производства составит около 100000 тонн. На ближайшую перспективу — пять-десять лет — технико-экономически обоснованной кандидатуры пластинам из моно- и мультикремния в фотовольтаике нет. Муниципальная Политика продвинутых стран в области возобновляемых энергоресурсов гарантирует темпы роста мощностей солнечной энергетики не ниже 15% в год.

Рис. 4.3.1 Прогноз производства поликремния в мире до 2010 г.

Главным фактором, сдерживающим развитие фотовольтаики, является недостаток поликремния, обусловленный высочайшей капиталоёмкостью производственной базы. Прогноз производства поликремния солнечного сорта до 2010 года лежит в спектре 60—70 тыщ тонн в год, а спектр спроса 70—90 тыс. тонн.

5. Русский Рынок поликремния
Создание поликремний впрямую соединено со спросом на солнечные элементы и модули. По воззрению профессионалов, в Рф солнечная энергетика имеет большенный потенциал развития. Беря во внимание характеристики инсоляцииИнсоляция — (лат. insolatiо выставляю на солнце) облучение солнечной радиацией земной поверхности. Инсоляция измеряется в калориях (либо джоулях) на единицу площади (1 см2) и в единицу времени (минутка, день). характеристики инсоляции будут разными на горизонтальных, наклонных и вертикальных плоскостях при одних критериях светлого неба. Инсоляция изменяется от высоты Солнца над горизонтом, от широты и высоты местности. От величины инсоляции зависят климатические условия, циркуляционные процессы, влагооборот на Земле. разных регионов Рф, фотоэнергетика может стать настоящей кандидатурой обычным источникам энергии в Южном Федеральном окружении, на юге Сибири и Далекого Востока. например, Краснодарский край и большая часть Сибири по инсоляции (4,0-4,5 кВт ч/м2 денек) сравнимы с югом Франции и центральной частью Италии, где солнечная энергетика на данный момент развивается бурными темпами.

5.1 Развитие поликремния в СССР (Союз Советских Социалистических Республик, также Советский Союз — Создание началось в 1957 г. В конце 90-х гг. выполнялось около 1150 тонн/год (это составляло примерно 12% мирового выпуска того времени). Компании производившие поликремний во времена СССР (Союз Советских Социалистических Республик, также Советский Союз — компании

Размещение

Мин-во

разработка

Мощность в СССР (Союз Советских Социалистических Республик, также Советский Союз — цвет мет СССР (Союз Советских Социалистических Республик, также Советский Союз — Создание поликремния на Красноярском ЗЦМ.

В 1997 г. прекращено Создание ТХС и поликремния на ЗТМК

В 1998 г. прекращено Создание поликремния на ДХМЗ

В 2003 г. прекращено Создание поликремния на ПХМЗ

В Рф, опосля ликвидации в 2003 г. крайнего производства поликремния на Подольском ХМЗ, не осталось работающих производств.

5.2 Создание поликремния в Рф

В Рф в истинное время озвучен ряд проектов строительства заводов поликремния, но выпуск по состоянию на начало 2009 года фактически отсутствует. Это приводит к тому, что монокристаллический кремний на русских предприятиях выращивается из ввезенного сырья либо делается по толлинговой схеме (с следующим возвратом продукции поставщику сырья).

сейчас в Рф получены 1-ые партии поликремния (бывалые), также планируются и осуществляются проекты производства поликремния. Главные потенциальные производители поликремния в Рф (неполный список) приведены в табл. 5.2.1.

Таблица 5.2.1

Наименование

Форма собств/

собственник

Размещение

Тип

пр-ва

Стадия проекта

Примеч.

1

ОАО (форма организации публичной компании; акционерное общество) Подольский ХМЗ

Личное/ «Союзконтакт»

Наша родина, Моск. обл.

Siemens реактор

Проектная

1 стадия-600 тонн

2

ОАО (форма организации публичной компании; акционерное общество) «НитолСолар»

Личное/ «НИТОЛ»

Наша родина, Усолье-Сибирское, Иркутская обл.

Siemens реактор

Тесты оборуд. и тех. процесса

1 стадия

600-800

Тонн

3

ООО «Российский кремний»

Личное/ «БАЗЭЛ»

Наша родина, Абакан

Siemens реактор

Предпроектная

2500-5000

тонн/год

4

ЗПК, ФГУП ГХК

Госудаственное/ ФААЭ

Наша родина, Железногорск, Красноярский край

Siemens реактор

Тесты оборуд. и тех. процесса

1 стадия

200-500 тонн/год

5

Ренова-Оргсинтез

Личное / Ренова

Наша родина, Новочебоксарск

Siemens реактор

Предпроектная

до 3000 тонн к 2010 г.

6

ООО «Солнечная энергетика» Solar Energy LLC

Личное/ «Пром. Инвесторы»

Наша родина, Липецкая обл. Данков

Siemens реактор

?

2500 тонн

7

Балтийская кремниевая
равнина — ПОЛИ^Ш

Личное/ адм. Лен. обл

Ленинградская обл.
г. Сосновый Бор

Siemens
реактор

?

?

6. Создание инноваторского кластера солнечной энергетики
6.1 Актуальность проекта

Своевременные деяния страны по развитию ядерных технологий в СССР (Союз Советских Социалистических Республик, также Советский Союз — издавна в Рф не были реализованы проекты подобного масштаба

Потенциал солнечной энергетики сравним с атомной. Мировой Рынок солнечной энергетики оживленно развивается. Наша родина — Величавая энергетическая держава — на нём не представлена.

«Солнечный» кластер — комплекс крупномасштабных встроенных производств в солнечной энергетике на местности Красноярского края. При полной крупномасштабной реализации данного проекта у Рф покажется возможность стать не только лишь ядерной, да и солнечной державой.
]]>