Rafinacja krzemu na potrzeby fotowoltaiki

I Wyjazdowa Sesja Naukowa Doktorantów
Politechniki Łódzkiej
Kwiecień 17 – 19, 2011; Rogów - Polska
RAFINACJA KRZEMU NA POTRZEBY FOTOWOLTANIKI
Doktorant: Jarosław Komorowski
Promotor: Piotr Kula
* Instytut Inżynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Łódzka, Polska
e-mail: [email protected]
Streszczenie:
Wraz z rozwojem przemysłu na świecie zapotrzebowanie na energie ciągle wzrasta. Złoża
paliw kopalnych z których otrzymuje się większość energii cięgle maleją i za około 120 lat ulegną
wyczerpaniu a do tego czasu ich cena będzie nieustannie wzrastać. Dlatego też podejmowane
są próby pozyskania energii ze źródeł odnawialnych i zastąpienia nimi paliw kopalnych. Energia
ze źródeł odnawianych może pochodzić z wiatru, wody, biomasy, biogazu, z wnętrza ziemi oraz
ze słońca. W niniejszej pracy przedstawiono metody rafinacji krzemu w celu późniejszego
wykorzystania go do budowy paneli słonecznych umożliwiających przetworzanie energii słonecznej
na energię elektryczną. Istnieje wiele metod wytwarzania krzemu nadającego się do późniejszego
zastosowania go na baterie słoneczne. Proces otrzymywania krzemu słonecznego rozpoczyna się od
przekształcenia kwarcu SiO2 znajdującego się w piasku na krzem o czystości do 99,5% w procesie
metalurgicznym. Następnie w celu dalszego oczyszczenia krzemu metalurgicznego do czystości
wynoszącej ponad 99,9999% Si stosuje się dwie metody rafinacji. Pierwszą z nich jest metoda
chemiczna drugą natomiast metalurgiczna. Metoda chemiczna jest obecnie powszechnie stosowana
w przemyśle na całym świecie. Posiada jednak wady tj. wysokie koszty spowodowane dużą
energochłonnością oraz czasochłonnością procesu produkcji monokrystalicznych wlewków
przekształcanych w późniejszych etapach na panele słoneczne czy nawet na płytki procesorów
komputerowych. Druga metoda to metoda metalurgiczna rafinacji krzemu do postaci krzemu
fotowoltaicznego nad którymi prowadzone są badania. Jak na razie z powodzeniem rafinowano krzem
metodami Kyropoulosa, Bridgmana, topienia strefowego, płukania w kwasach, wprowadzania
dodatków o wyższym powinowactwie do zanieczyszczeń występujących w krzemie i obniżonego
ciśnieniu. Opisywana w pracy metoda niskociśnieniowej reaktywnej rafinacji gazowej z systemem
prostopadłego czyszczenia strefowego jest połączeniem kilku metod mających na celu rafinacje
krzemu metalurgicznego do postaci krzemu słonecznego. W metodzie wykorzystano komorę
próżniową w której znajduje się naparowany krzem na płytce molibdenowej podłączonej do źródła
wysokiego napięcia umożliwiającego zdalne regulowanie nagrzewania podłoża i stopienie osadzonego
krzemu. Dodatkowa grzałka znajdująca się nad powłoką krzemową umożliwia wytworzenie frontu
krystalizacji. Przemieszczający się front krystalizacji od powierzchni krzemu do podłoża
molibdenowego spycha zanieczyszczenia do podłoża zostawiając na powierzchni oczyszczony krzem.
Oprócz przemieszczającego się frontu krystalizacji rafinacji sprzyja wytworzona w komorze próżnia
oraz dodatki stałe i gazowe powodujące ekstrakcję zanieczyszczeń w ciekłym krzemie. Efektem
końcowym metody będzie otrzymanie krzemu o czystości 99,9999% Si nadającego się
do zastosowania w przemyśle fotowoltaicznym.
I Wyjazdowa Sesja Naukowa Doktorantów
Politechniki Łódzkiej
Kwiecień 17 – 19, 2011; Rogów - Polska
SILICON REFINING FOR PHOTOVOLTAICES INDUSTRY
PhD Student: Jarosław Komorowski
Supervisor: Piotr Kula
*Institute of Materials Science and Engineering, Faculty of Mechanical Engineering,
Technical University of Lodz, Poland
e-mail address: [email protected]
Abstract:
Energy consuption on the world continues to grow together with industry development. The
energy is mostly obtained from fossil fuels, which deposits constantly decreases. In the perspective of
120 years these fuels are going to be exhausted and it is inevitable that prices will continue to grow.
Therefore many attempts are being made to obtain energy from renewable sources and replacing fossil
fuels by renewed energy. Renewed energy sources can come from wind, water, biomass and biogas
from the earth and also from the Sun. In this work was shown a method of refining silicon in order to
later use it to build solar panels for solar energy conversion into electricity. Currently, there are many
methods for producing silicon suitable for later use in solar panels. The process for preparing silicon
solar starts with the transformation of quartz SiO 2 contained in the sand for silicon with a purity of
99.5% in the metallurgical process. Then, in order to further purify of metallurgical grade silicon to a
purity of more than 99.9999% Si two methods are used for silicon refining. The first one is the
chemical and the second is metallurgical one. Chemical method is used in industry worldwide .
However, it has disadvantages such as high costs due to high energy-consuming and time-consuming
process of monocrystalline ingot manufacturing transformation in the later stages of the solar panels or
even computer processors production. Another possibility is metallurgical method transformation
silicon to silicon photovoltaic form on which research is conducted. There are known successful
methods of refining silicon such as Kyropoulos, Bridgman, zone melting, washing in acid, the
insertion of additives with a higher affinity for the contaminants present in the silicon and low pressure
method. The low-pressure refining method with orthogonal zone melting system is a combination of
several ones of metallurgical grade silicon into solar silicon. The method uses a vacuum chamber in
which the vapor-deposited silicon on the molybdenum plate is connected to a high voltage source that
allows remote heating control of the substrate to obtain the molten silicon. An additional heater
located above the silicon layer can produce solid / liquid interface. Crystallization front moving from
the surface of silicon into the molybdenum substrate pushes the pollution into the ground direction and
leaves the surface of purified silicon. The fact of usage in a single process moving solid / liquid
interface, reduced pressure and additives with a higher affinity for contaminants causes extraction of
inpurities of liquid silicon.. The final result will be the method of obtaining silicon with a purity of
99.9999% Si suitable for use in the photovoltaic industry.