Кремниевый копир

Эпитаксия как новый процесс изготовления пластин для фотоэлектрических систем
29.12.2021
Марина Бабль

Компания NexWafe, основанная сотрудниками немецкого исследовательского института, добилась того, что производство пластин стало значительно дешевле, эффективнее и экологичнее, и тем самым сделала большой шаг в переходе к современным методам получения энергии.

Ещё не так давно ситуация в солнечной индустрии Европы выглядела довольно мрачно. Высокие производственные затраты, упадок новаторского духа и широкий поток информации о новых технологиях - не удивительно, что накопленные в отрасли компетенции и капитал постепенно уплывали в направлении Китая. Примерно тогда же, около шести лет назад, доктор Франк Зибке и доктор Штефан Ребер основали NexWafe с целью организовать производство более качественных и дешёвых кремниевых пластин для фотоэлектрических систем.

Ребер много лет работал в Институте солнечных энергетических систем Общества имени Фраунгофера (Fraunhofer ISE), уделяя особое внимание кремнию и его обработке, а Зибке пришёл с многолетним опытом работы в солнечной отрасли. Сильная команда. Тем не менее найти европейских инвесторов было непросто, вспоминает Зибке, который сейчас занимает пост финансового директора компании: «В то время инвесторы были настроены довольно скептически». Но новоиспечённых соучредителей это не останавливало. Сегодня в NexWafe работает около тридцати сотрудников, и, похоже, компания способна произвести революцию в мировом производстве кремниевых пластин с помощью инновационного процесса, защищённого патентом.

Пластины - тонкие листы кремния - являются основным компонентом каждого фотоэлектрического элемента. На их долю приходится около 70% стоимости фотоэлемента при традиционных технологиях производства. Частично это связано с большим количеством переделов. Сначала из хлорсилана производится поликристаллический кремний высокой чистоты. Затем он плавится, и из расплавленной массы выращиваются крупные кристаллы, известные как слитки. Их разрезают на отдельные пластины с помощью тонких проволочных пил и наконец полируют. На все эти производственные операции уходит много энергии. Во время плавления кремния слитки загрязняются кислородом, что в свою очередь снижает эффективность фотоэлектрических элементов. Когда кристаллы распиливают, много материала теряется в виде пыли. Если пластины получаются слишком тонкими, они ломаются.

Проще - лучше

В отличие от традиционных производителей NexWafe работает с технологией, называемой эпитаксией, которая позволяет превращать хлорсилан в кремниевые пластины сразу, избегая промежуточных этапов. Всё начинается с одной пластины. Она подвергается химическому и электрическому травлению, в результате чего на поверхности получается тонкий высокопористый слой. Последующий нагрев приводит к появлению на нём сплошной плёнки. «Структура похожа на готический собор, - объясняет Зибке. - Крыша поддерживается несколькими колоннами, внутри много свободного пространства». Далее в процессе высокотемпературной эпитаксии кремний вырастает на плёнке слой за слоем, так что сверху образуется новая пластина, которая является точной копией исходной. Затем пластины разделяются, и исходную заготовку можно использовать повторно.


Благодаря малой толщине монокристаллические пластины получаются гибкими

Сотрудники Fraunhofer ISE уже много лет исследуют процессы эпитаксии и разработали технологию непрерывного производства пластин, которую сейчас осваивает NexWafe. Каждая производимая пластина идентична заготовке, на которой она выращена. В сравнении с традиционными методами производства эпитаксия позволяет получать более тонкие (50, 100 мкм вместо 170 мкм) кремниевые заготовки, содержащие меньше примесей. Отсюда - существенная экономия времени и средств. Объём выбросов CO2 при производстве примерно на 70% ниже.

Путь в мейнстрим

В настоящее время инновационная технология испытывается и оптимизируется на опытном заводе во Фрайбурге (Германия), где находится штаб-квартира NexWafe. Команда NexWafe продолжает тесно сотрудничать с институтом Fraunhofer ISE. На 2024 год планируется запустить массовое производство в Биттерфельде.

В прошлом году инновационное предприятие привлекло доктора Давора Сутиджу, чтобы он помог перейти от лабораторных испытаний к коммерческому этапу. Сутиджа имеет многолетний опыт работы в ведущих технологических компаниях. Под его руководством в декабре компания NexWafe получила финансирование в объёме 10 млн евро. Из них один миллион поступил от Общества имени Фраунгофера.

Планы NexWafe вызвали большой интерес со стороны потенциальных клиентов и инвесторов со всего мира. Сегодня даже «суперлига кремниевых модулей», то есть группа крупнейших поставщиков солнечных панелей, поддерживает производство высокоэффективных монокристаллических пластин n-типа, подобных тем, которые собирается выпускать NexWafe. «Это подтверждает, что мы работаем над правильной технологией, и даёт нам шанс сыграть большую роль в формировании будущего фотоэлектрического рынка. Теперь нам нужно держать руку на пульсе, распознавать тенденции и следовать им», - говорит Сутиджа. Например, сегодня в отрасли наблюдается тенденция перехода на пластины большего размера. Поэтому NexWafe планирует в следующем году внести соответствующие изменения в свои производственные системы.

Над новыми способами производства пластин, которые значительно отличаются от обычного процесса выращивания из расплава и распиливания слитков, работают также две американские компании, но они продвинулись не столь далеко, как NexWafe. «Многолетние интенсивные исследования в Fraunhofer ISE обеспечивают невероятно прочную научную основу для нашей компании, чего не хватает конкурентам. Мы не были бы там, где находимся сегодня, без поддержки Fraunhofer ISE, - подчёркивает Сутиджа. - Речь не только об успехе нашей компании, но и о гораздо большем: это успех глобального перехода к новым методам получения энергии».

Источник: Fraunhofer magazine

Читайте другие наши материалы