Производство поликремния. «Усолье-Сибирский Силикон»

Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. И в России наибольший теоретический потенциал, более 2000 млрд. тонн условного топлива (т.у.т.), имеет солнечная энергия. Несмотря на такой большой потенциал в новой энергетической программе России вклад возобновляемых источников энергии определен в очень малом объеме - 15-19 млн. т.у.т.

Энергосберегающие технологии для солнечного дома являются наиболее приемлемыми по экономической эффективности их использования. Их применение позволит снизить энергопотребление в домах до 60%. В качестве примера успешного применения этих технологий можно отметить проект "2000 солнечных крыш" в Германии.

В США солнечные водонагреватели общей мощностью 1400 МВт установлены в 1,5 млн. домов. В Германии разработана новая технология прозрачной теплоизоляции зданий и солнечных коллекторов с температурой 90-500 °С.

Солнечные электростанции могут быть использованы как для решения локальных энергетических задач, так и глобальных проблем энергетики. При КПД солнечной электростанции (СЭС) 12% все современное потребление электроэнергии в России может быть получено от СЭС активной площадью около 4000 кв.м, что составляет 0.024% территории.

Одной из наиболее перспективных технологий солнечной энергетики является создание фотоэлектрических станций с солнечными элементами на основе кремния, которые преобразуют в электрическую энергию прямую и рассеянную составляющие солнечной радиации с КПД 12-15%. Лабораторные образцы имеют КПД 23%. Мировое производство солнечных элементов превышает 50 МВт в год и увеличивается ежегодно на 30%.

Содержание кремния в земной коре составляет 29,5% (8.10 т) и превышает содержание алюминия в 3,35 раза. В Земле содержится 15,2% кремния по массе, что соответствует фантастической массе 9,08.10 т. Солнечный кремний с чистотой 99,99% стоит столько же, сколько уран для АЭС, хотя содержание кремния в земной коре превышает содержание урана в 100000 раз.

Мировые достоверные запасы урана оцениваются в 2763000 т. Урановый топливный цикл, включающий производство гексафторида урана, значительно сложнее и опаснее хлорсиланового способа получения солнечного кремния. Учитывая рассеянность и малое содержание урана в земной коре по сравнению с кремнием, трудно понять, почему урановое топливо для ядерных реакторов и кремний для солнечных электростанций имеют одинаковую стоимость. Существуют несколько причин, объясняющих такую ситуацию. В развитие технологии и производства урана вложены миллиардные средства, которые выделялись, в основном, по военным программам и объемы производства урана в 6 раз превышают объемы производства солнечного кремния.

Основной материал для производства кремния - кремнезем в виде кварцита или кварцевого песка, составляет 12% от массы литосферы. Большая энергия связи 81-0 - 464 кДж/моль обуславливает большие затраты энергии на реакцию восстановления кремния и последующую его очистку химическими методами - 250 кВт.ч/кг, а выход кремния составляет 6-10%.

Трихлорсилан полупроводникового качества предназначен для производства поликристаллического кремни, из которого в свою очередь получают монокристаллический кремний, используемый для производства компонентов электронной техники. Сегодня практически одним единственно реально используемым для получения поликристаллического кремния способом является, так называемый «Сименс процесс» с использованием высокочистого трихлорсилана в качестве исходного сырья. Многочисленные работы по поиску альтернативных технологий получения кремния для фотоэлементов, несмотря на оптимистические заявления, пока далеки от практической реализации. В России в настоящее время производство трихлорсилана полупроводникового качества отсутствует.

По экспертным оценкам Европейской Ассоциации Фотоэлектрической Индустрии (ЕР1А) уже к 2040 году объем вырабатываемой электроэнергии на основе фотоэлектрического преобразования энергии Солнца достигнет 25% мирового объема вырабатываемой электроэнергии.

Более 70 стран имеют программы развития солнечной энергетики, общей чертой которых является приоритетность задачи снижения стоимости вырабатываемой энергии до величины, конкурентоспособной с электроэнергией, вырабатываемой традиционными способами. Мировое потребление кремниевой продукции в настоящее время в пересчете на годовое потребление поликристаллического кремния достигает 20 тыс. тонн в год.

Годовая потребность России в кремнии для электроники оценивается в настоящее время примерно в 200 тонн.

По данным японских компаний производство и мировые потребности в поликристаллическом кремнии будут постоянно расти, при этом решающими будут качественные показатели предлагаемых на рынок кремниевых продуктов.

Ряд крупнейших производителей электронных компонентов уже приняли решение о строительстве новых или реконструкции действующих предприятий и объявили о планах финансирования этих проектов («Siemens», «IBM», «Toshiba», «NEC», «Hyundai», «Samsung» и ряде более мелких производителей.) Такое положение дает основание прогнозировать постоянный рост производства изделий электронной техники в обозримом будущем.

Три страны (США, Япония, Германия) полностью овладели мировым рынком поликристаллического кремния. Ведущие фирмы этих стран (Нemlock, Wacker, Ticujava, Soda, Mitsubishi, Маterials) довели технологию получения поликремния до высокой степени совершенства, включая количественные и качественные показатели. Себестоимость поликремния на указанных фирмах ниже 30 долларов за килограмм.

В условиях столь жесткой конкуренции выживают только те предприятия, которые владеют совершенной технологией и выпускают поликремний высокого качества при низкой себестоимости. Отсюда должно быть ясно, что, организуя производство поликристаллического кремния в России, необходимо опираться на технологию, показатели которой ни в чем не уступают показателям вышеупомянутых фирм и вводить сразу большие мощности (более 1000 т/год), чтобы иметь низкий уровень себестоимости.

Основным критерием, показывающим, что такая технология современная и конкурентоспособна, является наличие замкнутого цикла по водороду и хлору. При этом замкнутый цикл по хлору означает, что в составе производства поликремния обязательно должно быть собственное производство трихлорсилана с тем, чтобы образующийся при производстве поликремния хлористый водород возвращался на производство трихлорсилана. Это приводит к существенному снижению себестоимости технического трихлорсилана и значительно повышает его чистоту.