Усовершенствованная диагностика качества мультикристаллического кремния позволит управлять процессами получения кремния для солнечных батарей из отечественного сырья по более дешевой технологии. О новых разработках в этой области рассказал главный научный сотрудник Института геохимии им. А.П. Виноградова (ИГХ) СО РАН, д.ф.-м.н., профессор Александр Непомнящих на заседании Научного совета РАН «Фундаментальные проблемы элементной базы информационно-вычислительных и управляющих систем и материалов для ее создания» 25 ноября 2021 г. под председательством академика-секретаря Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН, академика РАН Геннадия​ Красникова.

Чтобы подчеркнуть актуальность темы, свой доклад Александр Непомнящих начал с впечатляющей панорамы развития солнечной энергетики в мире.


«Последние 20 лет солнечная энергетика развивается очень интенсивно, – рассказал профессор Непомнящих. – Каждый год рост объемов установленных мощностей превышает 15-20 %. В 2020 году введено более 130 ГВт мощностей».



При этом, по данным доклада Александра Непомнящих, если сравнивать с другими видами энергетики, максимальный объем роста установленных в 2020 году мощностей приходится на солнечную и ветровую энергетику – больше 70% от общих вводимых мощностей.



«Общие установленные мощности в солнечной энергетике превышают 700 ГВт, – продолжает профессор Непомнящих. – Если учитывать, что общий объем мощностей по энергетике во всем мире составляет порядка 7,5 ТВт, то уже сегодня солнечная энергетика по установленным мощностям – не по вырабатываемой энергии – занимает порядка 10%».

Для сравнения: по данным Системного оператора Единой энергосистемы (ЕЭС) России на июнь 2021 года в стране эксплуатировались солнечные электростанции общей установленной мощностью 1768 МВт, что составляет 0,72 % от общей мощности электростанций ЕЭС России. Относительно мировой солнечной энергетики эта величина составляет всего 0,2%.



По словам Александра Непомнящих, в 2000-е годы электроэнергия, вырабатываемая солнечными батареями, была неконкурентоспособной по цене, но за счет развития технологии получения кремния наблюдалось снижение ее стоимости. В итоге в 2020 году электроэнергия, вырабатываемая солнечными электростанциями, стала вполне конкурентоспособной.



«Я с 2000 года, когда реально началось развитие наземной солнечной энергетики, отслеживаю прогноз, который дает европейское сообщество, и почти всегда развитие происходит по среднему сценарию, и те прогнозы, которые давались раньше, постоянно сбываются, – рассказал Александр Непомнящих. – К 2025 году в мире будет вырабатываться уже порядка 250 ГВт солнечной электроэнергии».



Согласно данным, приведенным в докладе Александра Непомнящих, к 2025 году общая мощность установленных солнечных станций достигнет 2 ТВт, а это уже порядка 20% от общего объема выработки электроэнергии в мире».

Важно и то, что солнечная энергетика преодолела несколько присущих ей изначально недостатков. В частности, высказывались опасения, что вред от производства аккумуляторов, использование которых связывалось с солнечной энергетикой, обесценит ее экологическую выгоду.

«Сегодня основной рост солнечной энергетики идет за счет строительства больших солнечных станций, которые включаются в единую энергосистему, где не нужны накопители, – объяснил Александр Непомнящих. – Есть солнечные станции, скажем, в Китае и Австралии, мощностью 2 ГВт. У нас в Бурятии построена станция мощностью 45 МВт, и она работает в общей энергосистеме».

Сняты и опасения о том, что характеристики солнечных батарей будут быстро деградировать, как это происходит в космосе.

«Пока по наземной энергетике существенного снижения, по крайней мере при эксплуатации порядка 25 лет, не наблюдается, – рассказал Александр Непомнящих. – В батареях для космоса, конечно, наблюдается очень сильная деградация, поэтому сейчас в космосе в основном перешли на арсенид-галлиевые элементы, а по наземным модулям дается гарантия на 25 лет работы батареи без деградации. Массовое строительство солнечных станций для наземной энергетики началось с 1998 года, и пока деградации нет».

Мало сомнений, что солнечная энергетика и в дальнейшем будет развиваться опережающими темпами как в России, так и во всем мире. Однако в развитии солнечной энергетики в нашей стране есть одна существенная проблема.

«У нас сейчас достаточно много предприятий, которые делают солнечные элементы, – рассказывает Александр Непомнящих. – К примеру, одно из самых крупных в этой области предприятий, «Хевел» в Чувашии, планирует выйти к 2022-23 году уже на уровень выпуска солнечных батарей мощностью ГВт в год. Но все эти предприятия закупают сырье за рубежом».

Решить эту проблему наиболее эффективным образом могут разработки российских ученых.

Солнечные батареи изготавливают из моно- или мультикристаллического кремния. Сырьем для его производства обычно служит поликремний – вещество с мелкокристаллической структурой, из которого после расплавления выращивают моно- или мультикристаллы. Наиболее распространенной технологией получения поликремния в настоящее время служит так называемый Сименс-процесс. Однако кремний нужного для солнечной энергетики качества можно получить и в разы более дешевым способом – в результате глубокой очистки металлургического кремния. Такой материал называют UMG-кремнием (upgraded metallurgical-grade).

«В России кремний электронного качества не производится, – подчеркнул одну из главных проблем отечественной электроники Александр Непомнящих. – Производится металлургический кремний, но не UMG, а обычный технический. Есть два завода: один – под Иркутском в Шелехове, второй – на Урале, в Каменск-Уральском, но они выпускают именно металлургический кремний, который сегодня в мире производится в объеме более 2 млн тонн. Он используется в разных сплавах, прежде всего это, конечно, силумин для автомобилей, и в химической промышленности».

Из технического кремния, используя чистые исходные компоненты, можно получить нужное для солнечных батарей сырье методом дополнительной глубокой очистки в ходе самого процесса выплавки, а не с помощью сложного и дорогостоящего Сименс-процесса. Для микроэлектроники такой кремний не годится, а вот солнечные батареи из него делать можно. Эту технологию российская наука разработала еще в начале 2000-х годов, она запатентована, но внедрить ее в производство до сих пор не удалось. Повторяется все та же бесконечная история о невостребованности отечественных разработок.

«Мы пытаемся привлечь инвестиции для того, чтобы создать такое производство, но пока не получается, – сетует Александр Непомнящих, один из авторов патента на эту технологию. – Технология уже разработана и, самое главное, что мы были одними из первых в этой области, а сейчас уже за рубежом все это реализовано и производится UMG-кремний. А у нас нет производства, потому что это финансовоемкие технологии и отдача от них не очень быстрая, ну и в те годы, начало 2000-х, у нас солнечная энергетика вообще не развивалась. Считалось, что хватает нефти и газа. В результате в последнее время пошли правительственные программы по созданию солнечных станций, но все они пока производят из западного сырья, хотя отечественная технология готова и разработана».

В чем выгода этой технологии? В соотношении цены и эффективности получаемых фотоэлементов. При использовании 100-процентного металлургического UMG-кремния в качестве сырья для выращивания мультикремния можно получать фотоэлементы с КПД более 20 %. Рекорд на сегодня – 20,76%. Если сопоставлять с мультикремнием, полученным из поликремния, то разница не очень большая: наибольший КПД – 22,58 %. Правда, элементы из монокремния дают КПД порядка 25%, но встает вопрос цены.

«В 2009-2019 году цены на поликремний на рынке упали за счет роста производства, в основном в Китае, до 12-15 долларов за кг, но если говорить о производстве UMG-кремния, то это максимально порядка 5 долларов за кг, – рассказывает Александр Непомнящих. – Таково соотношение для исходного материала. А дальше идут процессы направленной кристаллизации: что для поликремния, что для UMG-кремния они практически ничем не отличаются, кроме скоростей роста. Скорости выращивание блока мульти- или монокристаллического кремния из UMG-кремния существенно ниже, поэтому за счет этого разница в стоимости немного нивелируется, но тем не менее все равно цены отличаются минимум в два раза».

Таким образом, технология получения мультикремния из UMG-кремния позволяет получать солнечные элементы, которые будут в разы дешевле традиционных, изготовленных из поликремния, уступая им в эффективности всего 1-2%.

Следует сказать, что в настоящее время на мировом рынке складывается ситуация, особенно благоприятная внедрению новой технологии.



«Когда только начинала развиваться наземная солнечная энергетика, использовался в основном скрап (обрезки – прим. ред.) от микроэлектроники, – рассказал Александр Непомнящих. – Затем, в 2006-2008 годах, начался резкий рост цены из-за нехватки поликремния для получения монокристаллического кремния, причем спотовая цена доходила почти до 500 долларов за кг. Ну а после 2012 года начался спад за счет того, что были введены большие производственные мощности, прежде всего в Китае, и за счет этого резко упала стоимость поликремния. Еще в прошлом году стоимость одного кг поликремния на рынке была на уровне 12-15 долларов за кг. Отсюда, соответственно, уменьшение стоимости солнечных элементов и модулей».



«Ситуация резко изменилась в конце 2020 года, – подчеркнул ученый. – Причин тут несколько. С одной стороны, в КНР сгорел один из самых крупных заводов, и Китай сократил выпуск поликремния и, соответственно, поднял цены. Кроме того, в условиях пандемии из-за повышенного спроса образовался дефицит электроники, для ликвидации которого требуется больше сырья. Поэтому за этот год цены на поликремний выросли на 300 %. Это, естественно, приводит и к росту стоимости солнечных элементов».



Все это усилило интерес к куда более дешевому UMG-кремнию. На 2020-21 год объемы производства кремния для солнечной энергетики уже составляют порядка 640-660 тыс. т, и к 2025 году вырастут еще почти в 2 раза. По словам Александра Непомнящих, если посмотреть на типы производимого в мире кремния, то основную долю, порядка 70 %, составляет поликремний, получаемый по Сименс-процессу, но, начиная с 2016 года, постоянно увеличивается и доля UMG-кремния. Этому способствует и рост цены на поликремний. Эта цена может снова выйти на уровень если не 2012 года, когда она достигла максимума, то 2008 года, когда стоимость мультикристаллического кремния, полученного из UMG-кремния и из поликремния, отличалась в 4 раза.



Разумеется, у всякого преимущества есть обратная сторона. Дело в том, что содержание примесей в UMG-кремнии все-таки существенно выше, чем в поликремнии, а потому внедрение этой технологии в практику делает очень важным вопрос анализа и диагностики производимого материала. Но это как раз та проблема, которую может решить наука.

Для этого была создана широкая кооперация научных учреждений, в которую вошли ИГХ СО РАН (Иркутск), ИрНИТУ (Иркутск), ИФП СО РАН (Новосибирск), ИПТМ РАН (Черноголовка), ИФТТ РАН (Черноголовка), НИФТИ ННГУ (Нижний Новгород).

Учеными был применен комплекс методов химического анализа на основе новейших методов масс-спектрометрии, измерения электрофизических характеристик, структурных исследований методами электронной спектроскопии, компьютерного зрения и других технологий ИИ, который позволяет характеризовать мультикремний, а также судить о взаимодействии примесей при росте мультикремния. Это дает возможность контролировать качество продукции и управлять процессом направленной кристаллизации на основе знания закономерностей влияния примесей и дефектов на рост кристаллов.



В частности, в настоящее время изучается возможность на основе измерения контраста изображения границ зерен получить общую картину по всему кристаллу, что в практическом плане позволит анализировать блок мультикристаллического кремния в целом, а такие блоки уже выращиваются массой до тонны.

«Примеси – это плохо, но я уже привел разницу: концентрация примесей в UMG-кремнии по некоторым компонентам на порядок или два выше, чем в поликремнии, а разница в эффективности фотоэлементов, изготовленных из этих материалов, – 1%. При этом разница в цене огромная».

Подготовил Леонид Ситник, редакция сайта РАН