Кремній минуле, сьогодення, майбутнє, нанотехнології nanonewsnet
Представлений короткий огляд про основне будівельному матеріалі сучасної електроніки - кремнії. Представлені історія дослідження його властивостей, методи отримання та найактуальніші перспективи його використання в майбутньому.
Що таке сонячна батарея. У Вікіпедії (її англомовному варіанті) вказується, що це пристрій, що перетворює енергію сонячного світла безпосередньо в електричну, вражаючі дії яких засновані на фотоефекті. Ще в 19 столітті А.Е.Беккерель - французький фізик - публікував роботи по сонячному випромінюванню, проводив пов'язані з цим дослідження в області хімії, електрики, гальваніки (див. Рис. 1).
Перша сонячна батарея з'явилася в 1883 році у вигляді селеновой підкладки покритої золотом. Її ККД склав близько 1%, а винахідник - Чарльз Фріттс - був американським дослідником.
Німецький же вчений Генріх Герц (див. Рис. 3), працюючи з відкритим резонатором, виявив, що при висвітленні цинкових розрядників ймовірність пробою іскри істотно зростає.
Систематично вивчив фотоефект український вчений Олександр Столетов (див. Рис. 4). Їм був виведений і перший закон фотоефекту, який свідчить, що кількість емітованих в результаті фотоефекту електронів пропорційно інтенсивності випромінювання, а не його частоті. Від частоти падаючого світла залежить енергія фотоелектронів.
Це вже постулював Ейнштейн (див. Рис. 5), додавши, що енергія поглинається квантами і енергія самого кванта йде як на іонізацію (розрив зв'язків), відрив електрона від атома, так і на повідомлення йому кінетичної енергії (див. Рис. 6) .
Мал. 6. Закон Ейнштейна.
Повертаючись з минулого в наші дні, першим, що спадає на думку при згадці про сонячних батареях, є кремній. Саме кремнію судилося стати матеріалом сонячної енергетики. Широке поширення в природі, легкість, відповідна ширина забороненої зони для поглинання енергії сонячного спектра.
У спрощеному вигляді сонячну батарею можна представити у вигляді «бутерброда»: вона складається з шарів кремнію, легованих для отримання p-n переходу (див.рис. 7).
Як відомо, контакт напівпровідників з різними типами провідності (електронною в n-типу і доречний в p-типу) створює потенційний бар'єр - зону об'ємного заряду, що утворюється в результаті дифузійного проникнення носіїв. В результаті світловий генерації нерівноважних носіїв заряду електрони поблизу переходу, які зробили перехід в зону провідності в p-матеріалі, заманюються полем об'ємного заряду в n-область. Точно також і дірки, що залишилися після переходу електрона в зону провідності в n-матеріалі, заманюються в р-область. В результаті з'являється додатковий негативний заряд в n-області і позитивний - в p-області. Знижується потенційний бар'єр і у зовнішній ланцюга з'являється напруга. Існують багатокаскадні сонячні батареї, які захоплюють більшу частину спектру за рахунок використання матеріалів з різними забороненими зонами.
У сучасній сонячної технології використовується кристалічний кремній. Всього існує три виробничих виду такого кремнію.
Монокристалічний вирощується методом Чохральського (рис. 5). Вихідний матеріал - подрібнений полікристалічний кремній, отриманий Сіменс-методом (CVD, chemical vapor deposition, процес хімічного осадження полікремнію з газової фази), про який розповімо нижче, - поринає в тигель і нагрівається до утворення розплаву.
Мал. 9. Зразок затравки, використовуваної в методі Чохральського (Wacker / Siltronic; Burghausen, Germany).
Потім в розплав занурюють затравочний кремнієвий стрижень (рис. 9) і починають його обертання, при цьому тигель обертається в протилежну сторону для перемішування розплаву і вирівнювання температури. Швидкість обертання і температура визначають величину діаметра кристала. Фронт кристалізації розташований над поверхнею розплаву, тобто кристал росте зверху-вниз. Готовий брусок розрізається на круглі пластинки (рисунок 10, 11).
ВУкаіни виробництво полікристалічного кремнію представлено компанією NITOL SOLAR в Тернополі області (рис. 12). А почалося все з будівництва декількох цехів в місті Усолье-Сибірське Тернополі області в середині 30-х років минулого століття.
Першою випущеної продукцією підприємства стала етилова рідина, потім - хлор, перекис водню, полівінілхлорид і багато іншого. Сьогодні виробнича діяльність NITOL SOLAR здійснюється на базі двох дивізіонів - «Хімія» і «Полікристалічний кремній». Дивізіони компанії інтегровані в єдиний виробничий ланцюжок. Дивізіон «Хімія» виробляє хлороводород і допоміжні продукти, які використовуються у виробництві трихлорсилану дивізіону «Полікристалічний кремній». Трихлорсилану є, в свою чергу, сировиною для виробництва полікремнію (ПКК).
Основою для отримання полікристалічного кремнію є кремнезем (діоксид кремнію). Методом карботермічним відновлення при Т = 1800 С отримують технічний кремній, який згодом піддається додаткової хімічної очистки. Карботермічним відновлення (рис. 13) включає в себе кілька хімічних процесів:
- отримання карбіду кремнію:
SiO2 + 3C = SiC + 2CO,
- отримання кремнію (кінцева стадія):
SiO2 + 2SiC = 3Si + 2CO.
Сумарна реакція така:
SiO2 + 2С = Si + 2CO.
Отриманий кремній необхідно додатково очистити. Після обробки сухим хлористим воднем, під тиском, в реакторах киплячого шару при температурі близько 300 С - металургійний кремній перетворюється в трихлорсилану SiHCl3 (рис. 14).
При проходженні через реактор ТХС розкладається на поверхні нагрітих стрижнів-запалів з утворенням полікремнію. В цьому і полягає Сіменс-процес, що забезпечує ще більшу чистоту отримуваного полікремнію (див. Рис. 15). Чистий полікремній розрізається на пластини, які використовуються в подальшому для виробництва сонячних батарей.
Сонячна енергетика продовжує розвиватися багато в чому завдяки кремнію. У різних країнах світу існують програми, що підтримують використання сонячних панелей для побутових потреб. Сонячні батареї використовуються на космічних станціях. Навіть досвідчені зразки літальних апаратів забезпечуються сонячними батареями на кремнії. Кремній дав ім'я всесвітньо відомої Кремнієвій долині. Це матеріал, без якого неможливо уявити собі сучасний світ.
- Німеччина - Q-Cells, SOLARWATT, Sunways, Solarwerk.
- Японія - Fuji Electric, Sharp Corporation, Mitsubishi Electric.
- США - Kyocera Solar, SunEarth Inc, American SunCo.
Стаття підготовлена і відредагована Філіпповим Ю.П. за матеріалами статті Клюєва П.В.
Будь ласка, оцініть цю статтю: