Кремниевый прорыв

В лабораторных условиях казахстанские ученые получили сверхчистый кремний по уникальной технологии, обещающей в два раза снизить стоимость фотоэлементов, применяемых в гелиоэнергетике

Кремниевый прорыв

В глобальной экономической системе выживают только те инновации, последствия которых можно предсказать в ближайшем будущем. Исходя из этого постулата, все прорывные технологии можно разделить на две группы: образующие и разрушающие систему. У последних шансов на внедрение фактически нет при всей их перспективности. Еще в начале 80-х годов в СССР велись интересные разработки по электромеханическому воздействию на воду. В печати публиковались статьи, что с помощью электричества можно регулировать pН водного раствора, следовательно, без реактивов менять химические свойства воды. Но научные разработки в этом направлении не переросли в массовый продукт - слишком большая угроза для индустрии моющих средств. К системообразующим можно отнести, к примеру, производство персональных компьютеров или мобильную связь - они дали новые возможности, без инфраструктурных разрушений. В казахстанском Физико-техническом институте (ФТИ) вызревает технология, которая может совершить прорыв в гелиоэнергетике без ущерба для сегментов экономической системы. В лабораторных условиях ученые получили сверхчистый кремний по уникальной технологии, обещающей в два раза снизить стоимость фотоэлементов на мировом рынке.

Исцеляющий водород

Более 90% солнечных батарей сделано из кремния. На данный момент это наиболее оптимальный материал для преобразования солнечного света в электроэнергию. Другие материалы обладают или низким КПД, или высокой стоимостью. Промышленная гелиоэнергетика использует кремниевые фотоэлементы с КПД 14-16%. В опытном производстве из кремния выжимают 26% коэффициента полезного действия, но цена лабораторных образцов гораздо выше серийных фотоэлементов.

Из-за высокой себестоимости фотопреобразователи не могут конкурировать с традиционными энергоносителями. Килограмм кремния, пригодного для фотовольтаики, стоит 25 долларов и выше. В результате электроэнергия солнечных батарей примерно в три раза дороже, чем продукт атомных электростанций. Чтобы гелиоэнергетика вышла из разряда альтернативной, цена "солнечного" кремния должна быть снижена в три раза или во столько же раз повышен КПД фотоэлементов.

Обычный или металлургический кремний для производства фотоэлементов абсолютно непригоден. Он содержит высокую концентрацию примесей, не является полупроводниковым, так как обладает металлическим типом проводимости. Для фотоэлементов чистота кремния должна быть не ниже 99,99%, то есть один атом примеси на миллион атомов кремния. Такую продукцию на сегодняшний день на мировой рынок поставляют около 10 компаний - из США, Японии, ФРГ и Италии.

Несмотря на то, что спрос на полупроводниковый кремний неизменно растет, число производителей фактически не увеличивается. В основном из-за двух причин. Технология очистки металлургического кремния крайне сложная и дорогостоящая, стартовые инвестиции в производство превышают миллиард долларов. К тому же высоки риски. Получение полупроводникового кремния наукоемкий процесс, постепенно прогрессирующий. Велика вероятность, что в момент запуска производственной линии товар станет неконкурентоспособным.

Сегодня в год производится более 23 тыс. тонн полупроводникового кремния, две трети этой массы поглощает индустрия микроэлектроники и только 20% остается на фотоэнергетику. По большому счету этих объемов ей не хватает. В настоящее время спрос достигает 5-6 тыс. тонн в год при предложении 2300 тонн. Казахстанские разработчики надеются восполнить этот пробел.

"На основе проведенных исследований коллективом института разработана энергосберегающая и экологически безопасная технология производства моносилана и сверхчистого полупроводникового кремния, которая коренным образом отличается от традиционной дорогостоящей технологии Union Carbide. По оценкам экспертов, стоимость кремния полупроводникового качества, получаемого по нашему методу, будет более чем в два раза ниже мирового уровня", - утверждает директор Физико-технического института Научного центра химико-технологических исследований МОН Казахстана Болат Мукашев.

История прорывной технологии началась еще в 70-х годах прошлого столетия. В алма-атинском Институте физики высоких материй изучали наноструктуры различных материалов. Научный сотрудник института Марат Тамендаров обнаружил интересный эффект. Оказалось, что атомы водорода садятся на оборванные связи в кристаллической решетке кремния и нейтрализуют электрическую активность дефектов. После серии экспериментов подтвердилась информация о том, что водород улучшает свойства кремниевых структур.

"Мы первые в мире наблюдали прямую водородную пассивацию дефектов в кремнии. После обработки в низкоэнергетической водородной плазме кремний повышал свои свойства полупроводника. Об этом было сообщено в научной статье еще в 1978 году, - вспоминает Тамендаров. - В институте разработали специальный агрегат для облучения кремниевых пластинок ионизированным водородом. Когда я был в Москве, взял несколько фотоэлементов у знакомых коллег на заводе "Квант", там делали солнечные батареи для советских космических аппаратов. Эти фотоэлементы имели КПД 5-6%. В Алма-Ате пластинки обработали в водородной плазме и отправили материалы обратно. Там все были потрясены - КПД фотоэлементов повысился в два раза. Многие не могли поверить, что водород способен так повысить эффективность полупроводникового кремния".

От рисовой шелухи к металлургическому шлаку

Чем чище кремний, тем он дороже. Это связано с технологией очистки. Второй по распространению на планете элемент (кремний составляет 25% земной поверхности) проходит как минимум четыре фазы обработки, прежде чем стать полупроводниковым. Сначала из кварцитов получают металлургический кремний. Его производят около миллиона тонн ежегодно - цена на кремний с чистотой 98,5-99,5% колеблется от 1,5 до 2,5 доллара за килограмм. И только около 2% этой массы идет на дальнейшую переработку для получения на завершающем этапе полупроводникового материала.

Металлургический кремний переводят в газовую фазу химических соединений. В настоящее время газофазная очистка является единственным способом получения кремния с чистотой 1 атом примеси на миллион и более атомов кремния. Уменьшение концентрации примесей на 5-6 порядков повышает стоимость материала в 20-40 раз.

Методы водородной пассивации среди советских ученых вызвали огромный интерес. Без существенных энергозатрат повысить качество кремния еще никому не удавалось. Но пока в СССР шли бурные дебаты о перспективах нового открытия, предприимчивые американцы получили патент на метод водородной пассивации. Кстати, на основе этого метода была разработана технология "смарт-карт" - нанесение нанослоев полупроводникового кремния на другие поверхности.

"Мы стали искать новые способы получения полупроводникового материала, чтобы не идти традиционным путем очистки металлургического кремния, а сразу из сырья получать чистый кремний. В 80-х годах стали разрабатывать технологию выделения кремния из рисовой шелухи. В ней содержится до 80% кремния. Но в связи с перестройкой наши исследования перестали финансировать. В Союзе интерес к кремниевой тематике как-то снизился. В области микроэлектроники мы безнадежно отставали от Европы, США и Японии, и, наверное, государственные чиновники не верили в прорыв в этой области", - говорит Марат Тамендаров.

Но отчаиваться он не стал и продолжал поиск средств для экспериментальной установки по производству очищенного кремния. На одной из научных конференций специалисты по металлургии предложили Марату альтернативу рисовой шелухе - шлаки фосфорной промышленности, в них содержание кремния не меньше. Этого "добра" в Южном Казахстане скопилось миллионы тонн. При производстве тонны фосфора образуется до 10-11 тонн силикатных шлаков, и на протяжении десятков лет опасные для здоровья отходы промышленности фактически не утилизировались. Для Тараза и Шымкента побочные продукты крупных заводов представляют серьезную экологическую угрозу.

В новообразовавшемся Физико-техническом институте изучили химсостав отходов. Оказалось, что это оптимальное сырье для производства солнечного кремния, чистота которого должна соответствовать четырем девяткам после запятой. Идея Тамендарова приобрела дополнительный бонус - утилизация вредных отходов и законченный в теории проект производства. Правда, весомый бонус пришлось продвигать более семи лет. Казахстанский Физико-технический институт рассылал предложения по производству кремния во всевозможные инстанции, но отечественные чиновники реагировали вяло.

Кремниевые порошки и газы

"Для изготовления опытно-промышленной установки нам требовалось около миллиона долларов, и все говорили, что это очень большие деньги, - говорит Болат Мукашев. - Но, сами посудите, на мировом рынке килограмм солнечного кремния стоит около 30 долларов. Мы его можем производить тоннами - продажа гарантирована, так как гелиоэнергетика развивается огромными темпами и единственное, что ее тормозит - дорогие фотоэлементы. По нашим подсчетам - сегодня это проверено - наш кремний как минимум в два раза дешевле, нежели существующие в настоящее время предложения на рынке. Оборудование можно окупить в течение двух-трех лет. Далее - чистая прибыль и расширение производства".

Увидев пассивность чиновников, Мукашев и Тамендаров оформили заявку на грант в Международный научно-технический центр, который создавали специально для финансирования ученых из СНГ, работавших на военную промышленность. В 1997 году было подготовлено обоснование "Разработка научных основ производства кремния из отходов фосфорной промышленности". Проблема утилизации актуальна для всего мира, где производится фосфор. Американцы на предложение казахстанских ученых откликнулись. Через год Департамент энергетики США выделил ФТИ грант в размере 250 тыс. долларов на разработку лабораторной установки.

За два года сотрудники Физико-технического института провели проектные работы и изготовили лабораторную установку для опытно-промышленных испытаний. Переплавили несколько килограммов металлургических шлаков и получили два материала: порошок поликристаллического кремния и газ моносилан - сырье для выращивания монокристаллов кремния. На мировом рынке цена моносилана достигает 350 долларов за килограмм.

"Наша технология получения полупроводникового кремния полностью исключает стадии карботермического и хлорсиланового переделов, - объясняет Мукашев. - Нами синтезированы дешевые и высокоактивные соединения, которые позволяют получать моносилан с рекордно высоким выходом - более 80%. Это осуществляется методом кислотного гидролиза без каких-либо катализаторов, при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении, с использованием безвредных и стабильных химреагентов".

Также "шлаковая технология" позволяет получать технический кремний повышенной чистоты - 99,998% исходного материала для дешевого "солнечного" кремния. И это только начало! Отвалы промышленных производств содержат редкие элементы в концентрациях, пригодных для переработки с целью их извлечения. В этом направлении казахстанские ученые проводят активную работу. Технология позволяет также использовать и синтетические шлаки, что расширяет возможности управления примесным составом кремния.

Лабораторные образцы поликристаллического кремния и моносилана проверили в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США. Отзывы положительные. И только после этого кремниевыми технологиями института заинтересовались в родном отечестве. В прошлом году в рамках Государственной программы по развитию кремниевой промышленности в Казахстане Фонд науки МОН выделил ученым 60 млн тенге для создания пилотной полупромышленной линии. Уникальное оборудование производится в России на заводе "Изотерм" в Брянске. Осенью этого года производственная линия мощностью 2 тонны поликристаллического кремния в год должна поступить в институт.

Правда, спасение гелиоэнергетики от кремниевого дефицита может быть отложено на неопределенный срок. Для запуска производства требуются дополнительные расходы на строительство инженерных коммуникаций. Этот вопрос пока повис в воздухе.

Статьи по теме:
Казахстан

От практики к теории

Состоялась презентация книги «Общая теория управления», первого отечественного опыта построения теории менеджмента

Тема недели

Из огня да в колею

Итоги и ключевые тренды 1991–2016‑го, которые будут влиять на Казахстан в 2017–2041‑м

Казахстан

Не победить, а минимизировать

В Казахстане бизнес-сообщество призывают активнее включиться в борьбу с коррупцией, но начать эту борьбу предлагают с самих себя

Международный бизнес

Интернет больших вещей

Освоение IoT в промышленности позволит компаниям совершить рывок в производительности