Поликремния Бизнес ярко светит

Чтобы удовлетворить растущий спрос на солнечной энергии, новые заводы поликремния строятся с беспрецедентной скоростью, и некоторые новые технологии будут играть важную роль в расширение мощностей.

В 1980 году Джон Шумахер был занят разработкой в кипящем слое процесса для производства поликристаллического кремния для полупроводников. Многие другие участвуют в подобных проектах в рамках нажать на Министерством энергетики США (DOE; Вашингтон, округ Колумбия; <A HREF = "http://www.doe.gov" целевых = "_blank" относительной = "NOFOLLOW" > <www.doe.gov />), чтобы разработать менее энергоемких альтернативы популярным процесс Siemens - химического осаждения паров (ССЗ) технологии, названной по имени компании, развил его. Большинство проектов были заброшены, когда МЭ выдернула вилку по программе, а затем поликремния бизнеса наступили трудные времена из-за избыточных мощностей и падение производства полупроводников.

Сегодня ветеран предприниматель semiconductorindustry вернулся на трек с его процесса в кипящем слое. Шумахер компании. Пик ВС Силиконовой корпорации (Salem, OR; WWW. Peaksunsilicon.com) является строительство опытно-промышленной установки для проверки его модернизация процесса до его коммерциализации в 2011 году.

Он не одинок. Главным образом благодаря сильной мирового спроса на солнечной энергии, производители поликремния добавив потенциала беспрецедентными темпами (см. врезку). Хотя большинство новых возможностей использования метода Siemens, несколько компаний занимаются "и развивающихся fluidizedbed (FB) процессов, а другие работают с так называемыми обновления металлургического маршрутов, а более дешевые альтернативы как Siemens и FB технологий. (DOE поддерживает фотоэлектрические (PV) развития в рамках своей программы использования солнечной энергии технологий в области энергетики, но большая часть средств направлена на снижение фотоэлектрических элементов и расходов системы производства и повышения эффективности преобразования солнечной, которые выходят за рамки данной статьи.)

Процесс Siemens была рабочая лошадка полупроводниковой промышленности в течение десятилетий. Она начинается с реакции металлургического кремния класса (около 99% чистоты) и хлористого водорода составляет около 600 ° F до 500 фунтов на квадратный дюйм в форме смеси хлорсиланов. Трихлорсилан получается из смеси путем дистилляции (других соединений из вторсырья), и внес с избытком водорода в колпаке с чистой кремниевой нити, которые нагревается примерно до 1100 ° C. При этой температуре и давлении в несколько баров, поликристаллического кремния на депозиты нитей в форме стержней. Роль H ^ 2 югу ^ является предотвращение гомогенной нуклеации кремния, который будет создавать пыль в реакторе.

Альтернативой для кремния трихлорсилана осаждения силана (SiH ^ ^ 4 к югу). который позволяет экономить энергию, потому что температура осаждения Si составляет около двух третей у SiHCl ^ ^ 3 к югу. Пока силана не нашел широкого применения, поскольку она более сложно работать, и самовоспламеняется на воздухе. Однако, в настоящее время используется одна компания для коммерческого процесса Siemens и по крайней мере два кипящем слое процессов.

Поликремния стержней создан в реакторе Siemens разбиты и переплавка в тигле. На следующем этапе, Чохральского (Cz) процесса, затравочного кристалла вводится в расплав и постепенно снимается с производства одного кристалла или слитка, что меры, на несколько дюймов в диаметре и нескольких футов в длину. Затем, кристаллы нарезанные для получения пластин для полупроводников и фотоэлектрических преобразователей.

Кремния, полученных методом Cz имеет чистоту до 11 девяток (99,99999999999%), по сравнению с примерно 99% для металлургического кремния класса, говорит Ричард Winegarner, президент консалтинговой компании Сейдж Concepts, Inc (Хелдсберг, Калифорния; WWW. sageconceptsonline.com). Тем не менее, чистота шесть девяток достаточен для фото voltaics, говорит он, так что около 60% производства солнечных элементов производится менее дорогостоящий процесс Бриджмена слитка роста. Это литья, в которых расплавленный кремний поступает в верхнюю часть одноразовой судном и медленно охлаждается и кристаллизуется в виде течет вниз.

Кипящего слоя

В типичном процессе FB, кремния осаждение происходит при атмосферном давлении в вертикальном столбе. Чистый кремний семян гранул около 100 мкм диаметром. вводятся в верхней части колонны и кремнийсодержащих закачка газа вверх от нижней. Как гранул растут и набирают вес, постепенно падать и удаляются из нижней части колонки в виде частиц примерно 1 мм диаметром.

Основные преимущества для утверждал FB процессов над операции партии Siemens в том, что они меньше, эквивалентного пропускной способности и используют намного меньше энергии, и кремния бусины могут быть собраны постоянно без закрытия реактора. "Кипящем слое реактора может работать непрерывно в течение нескольких месяцев", говорит Смит Arnie, вице-президент по технологии для Fluor Корпорация 'с энергетической и химической промышленности группы (Алисо Вьехо, Калифорния; <A HREF = "http://www. fluor.com "целевых =" _blank "относительной =" NOFOLLOW "> www.fluor.com </ A>), ведущий строитель поликремния растений. Кроме того, в форме, гранулированных продуктов может быть дозированной и обрабатываться более эффективно для следующего шага, чем кремний стержней, которые разбиты на куски.

Кипящем слое, потребляют меньше энергии, чем метод, Siemens, поскольку теплообмен является гораздо более эффективным, так как газы нагреваются. В контрастностью, в реакторе Siemens только стержень с подогревом (электрически), а стены реактора охлаждается, чтобы избежать гомогенной нуклеации кремния.

Компании, которые могут иметь самые опыта эксплуатации кипящего слоя для производства поликремния является MEMC Электронные Материалы (Санкт, МО; <A HREF = "http://www.memc.com" целевых = "_blank" относительной = "NOFOLLOW" > <www.memc.com />), крупнейшим производителем кремниевых пластин. MEMC использует FB технологии производства гранулированного кремния с 1990 года. Процесс, который использует смесь силана и водорода (для предотвращения гомогенной нуклеации кремния), была приобретена у корпорации Ethyl (Ричмонд, VA), которая разработала и на коммерческую основу в 1980-х.

Кроме того, завод FB, находится в городе Пасадена, штат Техас. MEMC имеет завод в Мерано, Италия, который использует процесс Siemens. Компания расширяет и возможности для увеличения общей вместимостью до 15000 тонн в год к концу 2010, что примерно на 6000 m.tVyr в конце 2007 года.

Другим процессом, который использует FB силана (плюс H ^ 2 ^ к югу) в качестве газа-носителя в коммерческих помощью возобновляемых источников энергии корпорации (REC, Осло, Норвегия; WWW. Recgroup.com) в Moses Lake, штат Вашингтон. Планируется запуск в начале следующего года, 6500-м / год завод (рис. 1, стр. 8) будет более чем вдвое превышает емкость поликремния на месте, где РЭЦ два растения, которые делают поликремния в процессе Siemens, а также использованием силана. Во-вторых, с таким же количеством Завод строится и планируется завершить в 2010 году.

собственности силана REC и FB процессов на основе технологии я унаследовал от Юнион карбид корпорации (UCC, теперь дочерней Dow Chemical °), которая первоначально управляла Moses Lake растений. Компания производит силана каталитической реакции диспропорционирования трихлорсилана в силана. UCC начал работать над процессом FB в 1980-х, но не на коммерческую основу. REC говорит энергопотребления свой процесс так же мало, как 10% у трихлорсилана процесс, основанный на Siemens.

В кипящем слое процесс, который использует для производства трихлорсилана гранулированных поликристаллического кремния была разработана Wacker Chemie AG (Мюнхен, Германия, <a target="_blank" href="http://www.wacker.com" rel="nofollow"> www.wacker.com </ A>). Компания пилотируемых процесса и в настоящее время начала производства на заводе в 650-mt/yr Burghausen, Германия. Wacker, secondlargest кремния в мире производитель, в настоящее время использует процесс Siemens для большинства ее производства поликремния. Компания разработала процесс FB конкретно служить солнечной энергетики.

Wacker также внесла изменения в процессе Siemens в целях повышения эффективности с целью получения поликристаллического кремния по более низкой цене для солнечной энергетики. Компания изменила шаг осаждения кремния увеличить выпуск продукции и разработала стержневого процесса дробления, что позволяет избежать необходимости последующей очистки поверхности методом химического травления.

Многие из будущих успехов в фотогальванические, вероятно, будет включать более дешевыми методами обработки поликремния, чем нынешний метод нарезки отдельных пластин из кристаллов. Например. Wacker создала совместное предприятие для производства пластин с Schott солнечной GmbH (Alzenau, Германия; <a target="_blank" href="http://www.schottsolar.com" rel="nofollow"> www.schottsolar.com < />), пластины производителя. Schott разработала края определены фильм кормили роста процесс, называемый ГЭП, в котором кремний шихты вытащил из расплаве кремния в форме восьмиугольной полую трубку. Лазерного затем вырезает пластин. Процесса существенно снижает материальные потери и обеспечивает более эффективное использование кремния.

Е. поликремния корпорации (Chatham, NJ; <a target="_blank" href="http://www.aepolysilicon.com" rel="nofollow"> www.aepolysilicon.com </ A>) также разработала FB процесс, который использует трихлорсилан. 1 ,800-т / год завода планируется начать опытно-промышленную эксплуатацию в конце этого года и промышленного производства на 2009 год.

FB Пик Солнца процесса (рис. 2) отличается от других тем, что он использует tribromosilane кремния осаждения. Это получается в результате реакции металлургических класса кремния с водородом и кремния tetrabromide (SiBr4), образуя смесь SiBr4 и три bramosi переулок (SiHBr3). очищенным путем дистилляции. SiHBr3 разлагается около 800 ° C и давлении окружающей среды внести кремния. Отходящие газы дистилляции и осаждения подвергаются вторичной переработке.

Шумахер говорит, что его процесс производит электронные класса кремния tennines чистоты. Он признает, что бром стоит дороже, чем хлор, но, в отличие от трихлорсилана и моносилана, он не имеет однородной задачи нуклеации. "Это замкнутый процесс без потерь", говорит он.

Пик ВС строит завод 50-100-ton/yr пилот и планирует запустить два 5000-тонных / год промышленных установок в 1 201. Шумахер предполагает, что капитальные и эксплуатационные затраты на новый завод примерно на одну треть меньше, чем эквивалентные объекты Siemens.

Металлургический маршруты

Металлургический класса кремния, исходным материалом для принятия солнечных и полупроводниковых класса поликремния, как правило, имеет чистоту около 99%. Обновлен материал, который сказал, чтобы быть пригодными для непосредственного использования по производству солнечных элементов, что позволяет избежать затрат на переработку в газовой фазе, будут доступны к концу года из Elkem Солнечная (Осло, Норвегия; <A HREF = "http:/ / www.elkem.no "целевых =" _blank "относительной =" NOFOLLOW "> www.elkem.no </ A>).

Elkem отказывается предоставить подробную информацию о своей технологии, кроме того, что он использует то, что в основном обычных металлов методы обработки для очистки металлургического кремния: обработка шлака, выщелачивание и затвердевании. В результате слитки пилил на кирпич около 10 кг.

Солнечная качества кремния производится из промышленных предприятий демонстрация показала, типичных примесей только один 0,5 ppmw фосфора и 0,4 ppmw бора (критическая загрязняющих веществ), с общей металлических примесей

Корпорация Dow Corning (Мидленд, ИМ, <a target="_blank" href="http://www.dowcorning.com" rel="nofollow"> www.dowcorning.com </ A>) и Becancour кремния, дочерняя Timminco ООО (Becancour, Квебек; WWW. timminco.com), которые уже производят солнечные класса металлургического кремния маршрутов. В обоих случаях, по большей части, продукт должен быть смешаны с традиционными поликремния в качестве исходного сырья для достижения хороших характеристик солнечной ячейки. Тем не менее, Timminco говорят, что они улучшили качество своих кремния за счет снижения содержания фосфора в 0,8 промилле по объему и бора в 3 промилле по объему, так что некоторые клиенты имеют возможность использовать его без смешивания.

В радикальный переход от существующей технологии, Mayaterials, вкл. (Ann Arbor, MI; <a target="_blank" href="http://www.mayaterials.com" rel="nofollow"> www.mayaterials.com </ A>) разрабатывает процесс производства кремния из сельскохозяйственных отходов, содержащих относительно чистых форм кремнезема, используя собственные хлора процесса. Цель 3 года, DOE под эгидой проекта заключается в разработке солнечных кремний марки за $ 25/kg, говорит Ричард М. Лайне, генеральный директор. Процесс все еще находится на ранней стадии развития, говорит он, но до сих пор компания сняла минеральных примесей в ряде низкотемпературных ступеней (производства поликремния будут позже). Он добавляет, что начальные данные являются перспективными, с чистоты промежуточных уже около 5 девяток.

Джеральд Паркинсона

Ответственный редактор