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

3 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. 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.

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>