Кремниевая мануфактура
Пластины для массового производства солнечных элементов в основном изготавливаются из монокристаллического и поликристаллического кремния. Первый получают вытягиванием медленно вращающейся заготовки из расплава по методу Чохральского. Эта сложная и энергозатратная технология позволяет иметь практически бездефектные подложки, пригодные для производства полупроводниковых микросхем и фотоэлектрических модулей с высоким КПД.
Море энергии
Высококачественный поликристаллический кремний традиционно производят осаждением из газовой фазы по методу компании Siemens. В этом процессе слитки поликремния получают водородным восстановлением трихлорсилана при высокой температуре: поликремний осаждается на стержнях-затравках в куполообразном реакторе, охлаждаемом снаружи. Это тоже весьма сложное и энергозатратное производство - на получение килограмма поликристаллического кремния уходит не менее 100 кВт·ч электроэнергии. Да к тому же ещё и потенциально опасное производство, связанное с применением ядовитых газов. Однако именно переводом в газовую фазу и обратно обеспечивается сверхвысокая чистота материала - 99,9999%. Это значит, что на каждый миллион атомов кремния приходится лишь один атом постороннего элемента.
Сырьём для Siemens-процесса служит технический (металлургический) кремний, который широко используется, например, в производстве алюминиевых сплавов для двигателей внутреннего сгорания. Чтобы его выплавить, диоксид кремния (кремнезём, кварцин, халцедоны и другие минералы) восстанавливают с помощью угля или кокса в большой дуговой электрической печи при температуре около 1800 °C. Такая печь разогревается целую неделю, после чего работает непрерывно. Производство технического кремния - тоже очень энергозатратный процесс.
В поликристаллических пластинах на границах кристаллитов сосредоточены дефекты, где происходят потери энергии, из-за чего эффективность фотоэлектрических элементов падает. Понятно, что в солнечной энергетике лучше использовать монокристаллический кремний, выращенный по методу Чохральского. Но сырьём для его производства служит именно высококачественный поликристаллический кремний. Три производственных передела, необходимых для получения кремниевых монокристаллов, в сумме требуют просто огромных энергозатрат.
Сделать быстрее и дешевле
Учёные постоянно ищут и пробуют новые методы производства высококачественного кремния и уже добились в этом значимых результатов. Например, чтобы избежать применения Siemens-процесса, разрабатываются разнообразные способы химической очистки технического кремния от углерода, остающегося после его восстановления из кремнезёма с помощью кокса и угля. При этом через расплав кремния продуваются различные газовые реагенты, связывающие примеси.
В качестве альтернативы технологии Siemens создан метод получения поликристаллического кремния в реакторе кипящего слоя. Частички кристаллической затравки, поддерживаемые во взвешенном состоянии газовым потоком, постепенно обрастают со всех сторон свежим кремнием. Крупинки, достигшие требуемого размера, непрерывно выводятся из зоны реакции. Так образуется тёмно-серая кремниевая крошка. После её расплавления и застывания в ванне получается поликристаллическая заготовка, готовая к разрезке на пластины.
И хотя при производстве кремния в кипящем слое используются те же химические реакции, что и в Siemens-процессе, оно оказывается гораздо выгоднее благодаря намного большей поверхности осаждения и соответственно лучшему расходованию реакционной смеси. Такой метод позволяет сэкономить время и энергию и, следовательно, снизить себестоимость продукции.
Взамен методу Чокральского предложена технология перекристаллизации поликристаллической заготовки в монокристаллическую методом зонного расплавления в среде инертного газа. Кремниевый стержень, подвешенный вертикально, разогревается снизу индукционной катушкой до температуры плавления. Приведённый в контакт с холодным затравочным кристаллом, материал стержня принимает его ориентацию и также снизу начинает кристаллизоваться. Тем временем катушка медленно поднимается вверх, за ней следует и зона расплавления. Сверху от нагревателя поликристаллический кремний постоянно превращается в расплав, а снизу из этого расплава постоянно формируется монокристаллический слиток. Размеры, скорость движения и мощность нагревателя подобраны так, чтобы материал успевал прогреваться, но не вытекал из зоны расплава.
Диаметр стержня, обрабатываемого таким образом, ограничен силой поверхностного натяжения расплава и обычно не превышает 150 мм. Для легирования кремния с целью придания ему нужной электронной проводимости в реактор вводят такие газы, как фосфин или диборан. Кстати, этот метод помогает не только перекристаллизовать, но и дополнительно очистить заготовку от примесей - они в основном остаются в расплаве и концентрируются на конце слитка. Кроме того, поскольку расплав не входит в контакт с ванной (как в методе Чохральского), он не загрязняется посторонними веществами.
Обойдёмся без опилок
Кремниевые заготовки (моно- и поликристаллические) распиливают на пластины с помощью тончайших алмазных проволок. При этом не менее 33% полупроводникового материала превращается в пыль: пластины в солнечных элементах могут иметь толщину от 150 до 200 мкм, а ширина распила обычно равна 100 мкм. Чтобы исключить операцию разделения заготовки на пластины, изобретены различные методы вытягивания кремниевой ленты из расплава.
Сквозь ванну с расплавом пропускается натянутая лента из углеродного материала, выдерживающего нагрев до высоких температур, с кремниевыми затравками для правильной ориентации кристалла. И когда углеродная лента медленно выходит наверх, на ней с обеих сторон оказывается кремниевое покрытие, которое нужно отделить. Полученные таким образом заготовки разрезают на прямоугольные пластины. Их поверхность обрабатывают для подготовки к формированию полупроводниковой структуры, контактных площадок и рельефа, снижающего световые отражения. По основным электронным параметрам кремниевая лента пока уступает пластинам, вырезанным из монокристаллических заготовок, но зато обходится существенно дешевле.
Некоторые компании надеются наладить непрерывное производство кремниевой ленты с тем, чтобы заодно экономить на попеременных операциях нагревания и охлаждения ванны с расплавом.
Читайте другие наши материалы
