Кремний солнечной градации (SG) по содержанию электрически активных примесей занимает промежуточное значение между кремнием металлургической градации (MG) и кремнием электронной градации (EG). Существует гипотетический баланс между его ценой и уровнем качества, определяющим эффективность фотовольтаических систем (PV-систем), изготовленных с его применением. Например, соотношение цены 1 кк кремния к эффективности PV-систем, как 25$/14,5% в настоящее время считается удовлетворительным для производителей PV-систем, однако труднодостижимым для производителей кремния. По крайней мере, нет достаточно достоверных данных о возможности производства кремния SG по цене 25$/кг. Создание малозатратной технологии крупнотоннажного производства кремния SG – стратегически важная задача для PV-индустрии, рынок изделий который характеризуется нарастающим дефицитом.

Ценообразование поликристаллического кремния при существующей возможности автоматизации производства определяется в настоящем времени в основном тремя факторами: стоимостью сырья и расходных технологических материалов, энергетическими затратами, затратами на обеспечение экологической и технологической безопасности производства.

Влияние первых двух факторах на цену кремния определяется химизмом используемых процессов, термодинамикой и кинетикой химических реакций и теплофизическими свойствами используемых материалов, накладывающих определенные физико-химические ограничения на возможности совершенствования технологии с целью снижения цены продукта.

Влияние третьего фактора в значительной степени определяется возможностью исключения накопления крупнотоннажных побочных продуктов производства, часто образующих отвалы или жидкие отходы, не находящие сбыта и, тем самым, создающие неразрешимые экологические проблемы.

По мнению авторов многочисленных публикаций, совершенствование хлорсилановой технологии производства поликристаллического кремния за 50 лет её существования позволило в значительной степени снизить потребление энергии, затраты расходных материалов, обеспечило повышение выхода кремния с 12% до 60% от исходного сырья. Однако этот метод исчерпал возможности своего развития и не может обеспечить приемлемые ценовые показатели SG-кремния.

Фторидно-гидридная технология производства поликристаллического кремния, благодаря исследованиям Ethyl Co, получила индустриальное развитие на заводе MEMC в Пасадене, США. В течение 1999-2005гг. объем производства кремния по этой технологии вырос с 1400 до 2700 тонн в год. По информации MEMC технология обеспечивает ценовой уровень, приемлемый для кремния SG, при ориентации основного производства на кремний EG самого высокого качества. Проблемой MEMC является крупнотоннажное накопление побочного продукта, натрийалюмофторида NaAlF4 (около 4 тонн на 1 тонну кремния), который не находит полномасштабного применения, следовательно накапливается в отвалах.

Предлагаемая технология

Главным преимуществом фторидно-гидридной технологии является высокая селективность и экзотермический характер химических реакций, определяющие однородность получаемых продуктов, что обеспечивает высокий выход кремния из исходного сырья без значительных затрат энергии.

Предлагаемая технология изучена на лабораторном уровне и может быть обеспечена патентной защитой, заявленной совместно с потенциальным инвестором до реализации пилотной стадии проекта.

В течение 1999-2005гг. нами был выполнен анализ проблемных вопросов, связанных с индустриализацией фторидно-гидридной технологии и проведен большой объем экспериментальных работ, на основании результатов которых можно заключить следующее.

Полученные опытные образцы поликристаллического кремния по примесному составу соответствуют кремнию солнечной градации SG, что подтверждается протоколом испытаний Гиредмет № 9549.01 от 14 декабря 2001 года.

В соответствии с протоколом испытаний образцов поликристаллического кремния от 23 февраля 2003 года, выполненных бельгийским центром микроэлектроники IMEC, после модификации поликристалла кремния в монокристалл, разделения его на пластины и изготовления солнечных элементов, электрофизические параметры монокристалла (разброс удельного электрического сопротивления, время жизни неосновных носителей заряда) и электрические характеристики солнечных элементов (Isc, Voc, FF, Eff) соответствуют нормам для коммерческих образцов монокремния SG ND22 и pi 04.

Базовым процессом технологии является известный процесс гидрогенизации тетрафторида кремния SiF4 до моносилана SiH4 с применением гидрида кальция CaH2 в качестве донора водорода. Выбором конструктивных материалов и разработкой оригинальной конструкции аппарата гидрогенизации, решены основные проблемы, связанные с коррозионной стойкостью аппаратуры, устранением аварийных ситуаций, удалением побочного продукта производства.

Оптимизирован процесс получения тетрафторида кремния. Первоначальная ориентация на процесс получения SiF4 из побочного продукта переработки апатита – H2SiF6, посредствам перевода кремнифтористоводородной кислоты в кремнефториднатрия Na2SiF6 и последующим его термолизом, себя не оправдала из-за образования крупнотоннажных отходов фторида натрия NaF. Другой метод получения SiF4 реакцией газообразного HF с кварцитом SiO2, суспензированным в серной кислоте достаточно дорогой и не обеспечивает качество SiF4 по примесному уровню. Процесс получения SiF4 реакцией F2 с металлургическим кремнием требует получения газообразного фтора методом электролиза HF (расход электроэнергии 20 кВт ч на 1 кг F2), в связи с этим такой процесс невыгоден из-за высокой стоимости и большого потребления энергии.

Предлагаемая далее технология основана на экзотермических химических реакциях и обеспечивает приемлемый примесный состав продуктов, при низком уровне потребления энергии и выходе кремния от исходного сырья не менее 85%.

Исходным сырьем является кремний MG с содержанием основного продукта не менее 98% массы.