Сырье для солнечных батарей

Сегодня мы поговорим о том, откуда берется кремний для солнечных батарей, как производятся фотоэлектрические преобразователи (ФЭПы).

Прежде всего – что такое кремний?

Кремний — элемент главной подгруппы четвертой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 14 и атомной массой 28,09. Обозначается символом Si (лат. Silicium).

silicium-1

В аморфной форме — коричневый порошок, в кристаллической — тёмно-серый, слегка блестящий

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом, по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л.

Основные физические свойства:

  • плотность при 20 °С — 2,33 г/см3;
  • температура плавления 1440 °С;
  • температура кипения 2630°С.

По химическим свойствам кремний—металлоид;
по электрическим свойствам он относится к полупроводникам, но при 1000 °С становится хорошим проводником тока.

Практически весь кремний в природе находится в виде химических соединений.
Чаще всего кремний встречается в виде кремнезёма – соединений на основе диоксида кремния SiO2.
Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.
Самородный кремний диагностирован лишь в двух пунктах земного шара в очень малых количествах  (Новгородова М.И. Самородные металлы в гидротермальных рудах / М.И. Новгородова. – М.: Наука, 1983).

Таим образом, несмотря на то, что кремний является вторым элементом в земной коре, в чистом виде его нет для промышленного использования.

Производство и доведение до нужной кондиции для применения в фотовольтаике является технологически сложным  и  энергоемким процессом.

Поэтому одним из сдерживающих факторов еще более быстрого развития солнечной электроэнергетики, во всяком случае, в России, является дороговизна исходного материала – солнечного кремния.

Процесс изготовления солнечного кремния и создание пластин – исходного материала для ФЭПов, — проходит как бы 4 этапа производства:
1.       Горно-добывающее произодство.
2.       Металлургическое.
3.       Химическое.
4.       Электронное.
1.       Этап. Подготовка исходного сырья

Исходным сырьем для производства солнечного кремния является кремнезём, или диоксид кремния SiO2 (около 12 % массы земной коры в свободной форме и более 60% в составе других минералов в виде смесей и силикатов). Температура плавления кремнезема 1713 °С, плотность 2,65 г/см3.

Известно более двухсот разновидностей природного кремнезема: песок,  кварц , кварцит , горный хрусталь, опал  и  многие другие. Для выплавки кремния  и  его сплавов используют наиболее дешевые и  в то же время богатые кремнеземом материалы: кварцит,  кварц   и  кварцевый песок.

Главным минералом  кварцитов   и  большей части песчаников является  кварц  — широко распространенный минерал, представляющий собой более или менее чистый кремнезем SiO2.

SONY DSC
Кристалл кварца.

Основные виды горных пород, которые используются для производства кремния, это кварцит и кварцевый песок. Более широко используется кварцит.

kvarcit

Горная порода кварцит.

Перед выплавкой кремния  кварциты  дробят,  и  часть примесей удаляется с мелочью. Дробление совмещается с промывкой для удаления глинистых намазок, пылевидных наносов  и кальцийсодержащих корок.
Кварц или кварцит для плавки на технический кремний поступают в виде кусков размером 20—80 мм, которые должны обладать определенной механической прочностью. Механическая прочность зависит от содержания примесей в сырье.
Требование к кварцитам для изготовления кремния по содержанию SiO2 — не менее 97%.

Технический кремний получают восстановлением SiO2 углеродом в электродуговых печах.
Поэтому несколько слов об углеродных восстановителях.

Углеродистые материалы, применяемые в качестве восстановителя при выплавке кремния, должны обладать высокой реакционной способностью, достаточной механической прочностью, высоким электросопротивлением, содержать минимальное количество золы и быть дешевыми. Опыт промышленного производства кристаллического кремния показывает, что этими качествами обладают:

  • древесный уголь,
  • нефтяной кокс,
  • некоторые сорта малозольного каменного угля и
  • древесная щепа.

Однако нужно отметить, что полностью всем предъявляемым требованиям к восстановителю не удовлетворяет ни один из названных материалов. Только использование их в различных комбинациях позволяет создать наиболее благоприятные условия для протекания процесса восстановления кремния.
Древесный уголь измельчают до 80 мм, частицы менее 5 мм отсеивают.
Нефтяной кокс, имеющий относительно высокую электропроводность, измельчают до кусков не более 15 мм. Кокс крупностью менее 2 мм отсеивают.

Процесс получения кремния методом углеродного восстановления кремнезема в электродуговых печах является на данном этапе  самым распространенным промышленным способом.  Технологию выплавки кремния  и получения металлургического (другое название – технического)  кремния рассмотрим в следующем выпуске.

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс

6 комм. Сырье для солнечных батарей

  1. Здравствуйте! Нам необходимо научится и разработать дешовый кремний или его заменитель и выпускать мягкие тонкопленочные панели

  2. Петр Петрович:

    Благодарим за хорошую информацию.

  3. Добрый день, Айдар!
    Я из Молдовы и у нас в Кишиневе еще в прошлом году сдана в эксплуатацию фотоэлектрическая станция мощностью 100 квт.
    Так до настоящего времени идут судебные разбирательства по вопросу законности ее подключения к сети, о размере тарифа на поставляемую в сеть эл. энергию, и тд. Ситуация такова, что эл. энергию поставляет потребителям одна монопольная компания и ей очень невыгодно появление конкурентов в виде PV-электростанций. Далее,при значительном увеличении мощности подключенных солнечных эл. станций, возникают проблемы балансирования мощности в сети и тд. Еще на стадии принятия Закона о ВИЭ, в 2007 году,под давлением лобби монополиста, в законе появилась статья, согласно которой, к распределительной сети, можно подключать PV-станции мощностью 10квт. и более. Это значит, что все PV-станции с меньшей мощностью могут быть только автономными. Т.К. удельная стоимость (Евро/Ватт) и, следовательно, срок окупаемости черезмерно велики, массового внедрения автономных PV источников энергии не наблюдается. В этом году, под давлением общественности, собираются ввести поправку в Закон о ВИЭ, где будет разрешена, для частных пользователей, установка PV-станций подключаемых к сети мощностью 2 квт.При этом ограничение мощности не менее 10 квт ,подключаемых к сети, остается для мелких генерирующих PV-станций.
    Такова обстановка в данной области у нас.
    А насчет лыжных прогулок и способов получения сверхчистого кремния,я считаю, что это не те темы, на которые стоит тратить время. Например, мы видели как бедуины (в ОАЭ,Египте и тд.) смотрят телевизор с солнечным электропитанием, сидя на верблюде, шагающем по пустыне. Вряд ли они знают, что такое фотон, электрон, чистый кремний с тремя девятками после запятой и т.д. Но они с радостью используют плоды научно-технического прогресса. Еще один пример; Если бы внедрение мобильных телефонов начиналось с изучения технологии изготовления микрочипов и ЖК дисплеев, то на сегодня, в стране было бы не более нескольких сотен тыс. мобильников.
    Поэтому, я предлагаю обсудить такие вопросы ; как внедрять солнечные и ветросолнечные энергоустановки в тех районах,где нет эл. сетей и возникает необходимость в сезонном завозе горючего для местных микроэлектростанций. Кто, как и на какие средства будет создавать соответств. инфраструктуру (подготовленные кадры, спец. оборудование, приборы и т.д.)для монтажа, и поддержания в рабочем состоянии солнечных, ветросолнечных или микрогидросолнечных энергоустановок.Хорошо бы проанализировать, как это организовано в Китае. Они начинали также с нуля , а сейчас далеко впереди всех.
    По моему мнению,на данном начальном этапе, наиболее реальный способ внедрения и пропаганды солнечного электричества — это внедрение в отдаленных деревнях и селах страны, уличного освещения. Эти автономные модули включающие столб, фотоэлектрическую панель,программируемый контроллер, светодиодный светильник и аккумулятор, довольно надежны и не требуют регулярного обслуживания.Это, конечно не решит полностью проблему освещения улиц,
    но получив широкое распространение, послужит массивной наглядной агитацией за солнечное электричество. Несколько типов указанных модулей уличного освещения производят и Российское фирмы.
    Если Вы сможете состыковать этих производителей,спонсоров и местные власти отдаленных районов страны и из этого получится что-то конкретное — будет замечательно для всех; и для местного населения, и для бизнесменов, и для Вас лично! С пожеланием будущих успехов, Федор.

  4. arnas:

    Для начяла ивените за руский язык, наделаю много ошибок, потому что он мне не родной, и я общяюсь на другом языке. У нас в стране первая електостанция заработала в 1892 году ( только 121 год назат, а мы без неё жить уже не умеем ). Интерсно когда в Росий ? Но ето не важно. Мы научились делать електричество, но кто мне можеть ответить на такой вапрос: Сколько нашый електростанции вырабатывает кВ и сколько мы используем? Разница и очень внушителная пропадает. Интересно былобы увидеть в конкретных циврах. Електростанций имеет очень болшую инерцию, и выработать столько електроенергий сколько употребляем невозможно, тогда надо думать о каких то накопителях, которые позволяли исползовать всю енергию ( если нечитать КПД накопителя). А с накопителями у нас болшая болшая проблема. Химические акумуляторы очень дорогие и недолговчные. Если решить ету проблему, то мыполучм много почти безплтной енергий. Скажем енергия от солнечных батарей не очень нужна днём (когда она есть) и очень нужна ночю когда ее нету. Ну пока хватить хоть мыслей ещё много. Очень трудно писать, когда на клвиятуре нету кирилцы.

  5. Сайпудин:

    Очень хорошо,что для жителей данного населённого пункта есть электричество, и творческий подход совместить это с дизель генератором на тот случай,если солнца буде не хватать. С моей точки зрения — имея возможность, можно было бы пойти дальше т.е. установить ветряк на те же 100 кВт. На тот случай,когда не хватает солнца,а ветер всё же есть,а если нет и того и другого — вот тут и запустить дизель. Желаю вам максимум удобств в ваших творениях.

  6. Максуд:

    Спасибо за информацию, благодарен что написали, есть кои какие идеи, но всё упирается на финансы, будут новости сообщу. Максуд

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>