Солнечный кремний (кремний солнечного качества)

Солнечный кремний (Solar Grade Silicon, SoG-Si) — поликристаллический кремний повышенной чистоты, предназначенный для производства фотоэлектрических преобразователей (солнечных элементов). По содержанию примесей этот материал занимает промежуточное положение между техническим (металлургическим) кремнием чистотой 98–99% и полупроводниковым (электронным) кремнием чистотой 9N–11N.

Требования к чистоте кремния солнечного качества

Солнечный кремний должен иметь чистоту не менее 99,9999% (6N), что соответствует содержанию примесей не более 1 ppm (части на миллион по массе). Для высокоэффективных монокристаллических солнечных элементов применяется материал чистотой 7N–9N (99,99999–99,9999999%).

Особые требования предъявляются к содержанию электрически активных примесей, влияющих на время жизни неравновесных носителей заряда:

Типичные характеристики солнечного кремния: удельное электросопротивление до 10 Ом·см, время жизни неравновесных носителей заряда до 25 мкс.

Методы получения солнечного кремния

Существует несколько промышленных методов получения кремния солнечного качества. Выбор технологии определяется требуемой чистотой конечного продукта, объёмами производства и экономическими факторами.

Сименс-процесс (Siemens Process)

Основной промышленный метод, обеспечивающий около 80% мирового производства поликристаллического кремния. Процесс включает три стадии.

Синтез трихлорсилана (ТХС). Металлургический кремний измельчают и обрабатывают хлористым водородом в реакторе кипящего слоя при температуре около 300°C:

Si + 3HCl → SiHCl₃ + H₂

Дистилляция ТХС. Трихлорсилан имеет низкую температуру кипения (31,8°C), что позволяет эффективно очищать его многоступенчатой ректификацией от примесей бора, фосфора и металлов.

Химическое осаждение из газовой фазы (CVD). Очищенный ТХС смешивают с водородом и подают в реактор колокольного типа, где на тонких кремниевых стержнях-затравках, нагретых электрическим током до 1100–1150°C, происходит осаждение высокочистого кремния:

SiHCl₃ + H₂ → Si + 3HCl

Стержни наращивают до диаметра 150–200 мм, затем извлекают из реактора и дробят на куски требуемого размера. Побочный продукт — тетрахлорид кремния (SiCl₄) — возвращают в процесс через гидрохлорирование.

Моносилановый метод

Альтернативный метод, основанный на термическом разложении моносилана (SiH₄). Преимущества: более низкая температура процесса (около 650–850°C при пиролизе), отсутствие хлорсодержащих соединений в продуктах реакции. Однако моносилан пирофорен и требует особых мер безопасности.

Металлургическое рафинирование

Доочистка технического кремния металлургическими методами — направленная кристаллизация, вакуумное рафинирование, обработка шлаками. Позволяет получить материал чистотой 4N–5N (99,99–99,999%), пригодный для мультикристаллических солнечных элементов с умеренным КПД. Метод значительно дешевле химических процессов, но не обеспечивает глубокую очистку от бора и фосфора.

Классификация поликристаллического кремния по чистоте

Применение кремния солнечного качества

Основная область использования SoG-Si — производство кристаллических фотоэлектрических преобразователей для солнечной энергетики. Из поликристаллического кремния изготавливают передовые материалы.

Монокристаллические слитки методом Чохральского (Cz) или бестигельной зонной плавки (FZ) для высокоэффективных солнечных элементов с КПД до 26%.

Мультикристаллические блоки методом направленной кристаллизации для элементов с КПД 18–22% при меньшей стоимости производства.

Кремниевые слитки распиливают на пластины (вейферы) толщиной 150–200 мкм, которые используют как подложки для формирования p-n переходов солнечных элементов. На кремниевых фотоэлементах построено около 95% современных солнечных модулей.

Помимо фотовольтаики, поликристаллический кремний высокой чистоты востребован в производстве силовой электроники, датчиков и специальных оптических элементов.

Формы поставки

Компания RusskijMetall.ru осуществляет поставки кремния солнечного качества в следующих формах:

• Куски (чанки) различных фракций после дробления поликристаллических стержней
• Гранулы (продукт FBR-технологии)
• Слитки поликристаллические
• Отходы и скрап монокристаллического производства (pot-scrap)

Условия поставки, объёмы и спецификации согласуются индивидуально по заявке. Для производства фотоэлементов также доступен монокристаллический кремний и кремниевые пластины различных типоразмеров.

Контроль качества и стандарты

Качество солнечного кремния контролируется методами:

• ИСП-ОЭС и ИСП-МС — определение содержания примесей на уровне ppb–ppm
• GDMS (масс-спектрометрия тлеющего разряда) — ультраследовой анализ
• Измерение удельного сопротивления четырёхзондовым методом
• Определение времени жизни носителей заряда

Спецификации на SoG-Si регламентируются стандартами SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International), в частности SEMI PV17 на поликристаллический кремний для фотовольтаики.