ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЕ ПРОИЗВОДСТВО ПОЛИКРЕМНИЯ

ОПИСАНИЕ ИНВЕСТИЦИОННОГО ПРОЕКТА

Проект направлен на создание высокоэффективного экологически безопасного наукоемкого производства поликристаллического кремния (ПКК).

Используемые в промышленности технологии получения кремния и последующего производства из него солнечных элементов являются экологически небезопасными, не дающими высокий выход продукта, энергозатратными, и как следствие повышающими стоимость вырабатываемой солнечными элементами электроэнергии.

СПОСОБЫ РЕШЕНИЯ       

Авторским коллективом разработан принципиально новый экологически безопасный способ плазмохимического получения высокочистого поликристаллического кремния солнечной градации (5N — 99,999 %) из металлургического кремния, создана лабораторная установка и проведены предварительные испытания, демонстрирующие положительные возможности указанного способа.

По сравнению с используемыми в настоящее время в промышленности технологиями (трихлорсилановая, моносилановая) и разрабатываемыми альтернативными способами (алкоксисилановый; восстановление SiO) обеспечит:

—   экологическую и взрывобезопасность (не будут использоваться токсичные и взрывоопасные вещества, применяемые для образования плазмы газы (аргон и водород) используются при пониженном давлении (в вакууме), за счет чего достигается безопасность их применения);

—   снижение энергоемкости (до 30—40 кВт-ч на 1 кг поликремния против 200 кВт-ч/кг) и температуры процесса (до 600° С против 1000—2500° С);

—   доступность сырья, в качестве исходного сырья будет использоваться кварцевый песок (цена 200-1500 руб./т, цена 2009 г.) или технический кремний, который доступен в больших количествах при цене 65—80 руб./кг (цены 2009 г.), используемые дополнительные реагенты — вещества общепромышленного назначения, также доступные на рынке.

—   цикличность процесса (технологическая схема организуется по замкнутому циклу, вследствие чего значительно снижаются затраты на приобретение и утилизацию вспомогательных веществ);

—   низкую себестоимость производимого поликремния (технология основывается на способе прямого получения кремния из кварцита, минуя энергозатратные стадии металлургического восстановления кремния, получения, очистки и восстановления хлорсодержащих кремниевых соединений до кремния);

—   получение конденсата кремния в виде пленки (при определенных параметрах процесса), что может составить основу гибких фотогальванических элементов.

Требуется проведение опытно-конструкторской работы по разработке опытно-промышленной установки производительностью 10 кг поликристаллического кремния в сутки, отработки технологическим режимов, масштабирования созданной пилотной установки и проектирования промышленного оборудования.

Экологические аспекты производства кремния

В мировой практике наиболее освоены в промышленных масштабах два основных способа производства поликристаллического кремния высокой степени чистоты, основанные на использовании трихлорсилана и моносилана. Хлорсилановая технология солнечного кремния, разработанная несколько десятков лет тому назад, до сих пор практически не изменилась. Схема производства кремния по трихлорсилановой (ТХС) технологии выглядит следующим образом:

•    доставка токсичного и летучего хлорсодержащего сырья (четыреххлористого кремния) по железной дороге. Загрузка-перевозка-выгрузка сопряжена с риском разгерметизации и смертельным заражением всего живого в радиусе десятков километров. Сюда же надо включить и экологический вред, наносимый при производстве самого четыреххлористого кремния из ядовитого хлороводорода;

•    в производстве используется водяной пар, который при возможном прорыве трубы теплообменника и контакте с хлорпроизводными кремния приведет к взрыву с выбросом в атмосферу огромного количества токсичных веществ;

•    технология криогенного разделения продуктов реакции опасна для персонала и оборудования. Металл при температуре жидкого азота (-196 °С) теряет пластичность и есть вероятность разрушения оборудования;

•    при синтезе трихлорсилана возможны выбросы в атмосферу не менее 500 кг/ч парогазовой смеси без очистки (установка санитарной обработки абгазов может не справится);

•    в реакторе синтеза трихлорсилана в качестве катализатора используются медные опилки, что приводит к образованию большого количества токсичных медьсодержащих отходов. Коэффициент полезного действия реактора не более 10% и почти весь не прореагировавший хлористый водород уйдет в атмосферу;

•    энергоемкость производства превышает 500 МВт, отвод тепла от оборудования и последующее охлаждение оборотной водой может осуществляться только с помощью градирен. Туман от них при соединении с хлористым водородом, выделяющимся из трубы, образует соляную кислоту, уничтожающую растительность.

Если КПД ТХС-технологии составляет около 10%, то остальная часть (90%) -отходы, утилизация которых может составить большую проблему.

Уже по этим недостаткам (а их намного больше) можно сделать вывод о проблемах, связанных с производством кремния по ТХС-технологии: высокая энергоемкость, низкий выход кремния (6-10%), экологическая и коррозионная опасность.

Все это приводит к тому, что в настоящее время разрабатываются альтернативные технологии получения поликристаллического кремния,

обеспечивающие с одной стороны экологическую безопасность, а с другой снижение себестоимости производимого кремния.

Как правило, данные технологии сводятся к исключению стадии образования ядовитых летучих кремнийорганических соединений. Например, способы прямого получения кремния из кварцита (плазмохимический способ получения кремния) или металлургического кремния (способ глубокой очистки кремния по технологии замкнутого цикла) в одну стадию.

В тоже время необходимо отметить, что сам производимый кремний является основой для улучшения глобальной экологической ситуации. Ведь самый экологический безопасный и практически неисчерпаемый источник энергии — это солнце, а кремний, применяемый для производства солнечных батарей — ключ к этому источнику.

Солнечные энергетические системы (СЭС) могут производить экологически чистую энергию в течение миллионов лет, они бесшумны, не потребляют топлива, работают в автоматическом режиме и затраты на их обслуживание так же незначительны, как затраты на обслуживание электрических трансформаторных подстанций. Проблема территории, необходимой для установки СЭС, может быть легко решена за счет использования фасадов или крыш зданий, ферм, торговых центров, складов, крытых автостоянок. Разрабатываются технологические процессы производства компонентов СЭС, в которых экологически неприемлемые химические процессы травления и переработки заменяются на вакуумные, плазмохимические, электронно-лучевые и лазерные процессы.

 поликристаллический кремний
поликристаллический кремний

Вот почему во многих ведущих странах принимаются программы стимулирующие переход с не возобновляемых экологически вредных источников энергии (атомная энергия, энергия сжигаемых углеводородов) на использование энергии солнца. Так Европой принято решение по резкому сокращению потребления углеводородов, поскольку три четверти выбросов углекислого газа в атмосферу — это продукты использования именно углеводородного топлива. В том же углеводородном «ключе» ЕС принял решение довести долю возобновляемых источников энергии в своем энергопотреблении к 2020 году до 20% с нынешних 7%. Речь идет о солнечной энергии, ветровой и т.д.

Фактически Европа приняла решение о постепенном отказе от углеводородной энергетики вообще. При этом не предполагается широкого возврата к ядерной энергетике. Европа взяла курс на технологическую революцию. В течение 13 лет должен быть совершен рывок в развитии не- углеводородных технологий. Солнечными батареями станут оснащаться едва ли ни все новостройки.

Ссылка на основную публикацию