Моделирование и исследование технологии получения мультикристаллического кремния в индукционной печи с холодным тиглем

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Согласно статье 21 федерального закона № 35 — ФЗ «Об Электроэнергетике» [1], принятого Государственной думой 21 февраля 2003 года, одним из основных направлений государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики, являетсяподдержка использования возобновляемых источников энергии. К таким источникам энергии относятся энергия солнца, энергия ветра, энергия вод и так далее. На фоне глобальных проблем, связанных с использованием атомной энергетики (последние события в Японии, 11 марта 2011 года, атомная станция «Фукусима») и на фоне периодического удорожания традиционных источников энергии, таких как нефть, уголь, газ, можно ожидать, что в ближайшие годы эта поддержка будет только усиливаться. Кроме того, более 70% территории России это районы, где основными источниками электроэнергии* являются автономные топливные электростанции и альтернативой таким электростанциям могут выступать системы на основе солнечных электростанций: В пользу использования солнечной энергии выступает и тот факт, что среднегодовые суммы поступающего солнечного излучения, во многих районах России* больше, чем на территориях Германии и Испании, где уже массово применяют солнечные установки [2].

На сегодняшний день развитие использования возобновляемых источников, энергии затруднено без поддержки государства, поскольку стоимость 1 кВт-ч-энергии остаётся на высоком уровне, составляя порядка 35 центов за 1 кВт-ч [3]. Во многих странах, где электростанции от возобновляемых источников энергии включены в энергосистемы, принят тариф подачи (feed-in tariff) [4]. Потребители оплачивают услуги по предоставлению электроэнергии по специальным, заниженным тарифам. В частности, по программе Министерства энергетики США рост наземной фотоэнергетики за период с 2000 по 2020 год должен составить от 7 до.

15 ГВт/год. В этом случае примерно 15% энергии, вырабатываемой для-использования в жилых домах, будет получаться при помощи солнечных батарей. Препятствием к широкому использованию солнечных батарей является высокая стоимость ФЭП, поскольку около 80% общей стоимости составляет цена материала, на основе которого изготовлены ФЭП.

Наиболее актуальными материалами для ФЭП, на сегодняшний день являются кремний 81 и арсенид галлия СаАэ, причём последний представляет собой гетерофотопреобразователи со структурой' АЮаАБваАБ. КПД гетероструктурных ФЭП находится на уровне 35 — 40% [5], но дефицит и высокие затраты на производство галлия, (ва), делают не выгодным использованиеОэАб для производстваФЭП наземного применения. Сравнительно* дешёвым и наиболее перспективным материалом для изготовления ФЭП наземного применения является-кремний. Коэффициент полезного действия, промышленно выпускаемых кремниевых ФЭП находится на уровне- 15—20%, а ресурс работы достигает 20 лет [6]. На себестоимость кремниевых ФЭП' влияет цена исходного, материала — кремния электронного качества, с содержанием примесей, 10'6%-(здесь и далее массовые проценты), цена-которого, в 60 -1201 раз превышает стоимость килограмма металлургического кремния с содержанием примесей около 0,5%. Столь высокая' чистота кремния является излишней, так, как дляизготовления эффективных ФЭП наземного применения кремний может содержать электрически активных примесей в количестве до 10″ 3−10″ 4%. Кремний с таким содержанием" примесей называется солнечным кремнием.

В настоящее время для снижения стоимости, изготовления ФЭП' используются отходы кремния, образующиеся при производстве изделий микроэлектроники. Однако, ожидается, что в ближайшее время потребности в кремнии для фотоэлектрических преобразователей превысят то количество материала, которое может быть получено из отходов полупроводникового производства, в 2 — 4 раза. Это связано с тем, что рост промышленного производства солнечных элементов значительно опережает темпы роста производства кремния для микроэлектроники. Переход на сырье солнечного качества позволяет снизить себестоимость ФЭП.

При производстве слитков кремния, служащих исходным сырьём для изготовления подложек ФЭП наземного применения, наиболее экономически выгодной является плавка поликристаллического кремния солнечного качества с последующей направленной кристаллизацией расплава. Продуктами подобного передела кремния являются слитки квадратного или прямоугольного сечения со столбчатой структурой, получившей название мультикристаллической. Размеры столбчатых кристаллов значительно превышают размеры поликристаллов.

Основную массу блоков мультикристаллического* кремния получают в кварцевых тиглях, направленной, кристаллизацией расплава. Недостатком технологии является необходимость в использовании одноразовых тиглей из высокочистого кварца, стоимость которых нельзя не принимать во внимание при расчете себестоимости мультикристаллического слитка кремния и периодичность процесса. Альтернативным способом получения, мультикристаллического* кремния-является индукционная плавка в холодном тигле, позволяющая! совместить незагрязняющий индукционный метод нагрева с незагрязняющим способом плавки в гарнисаже и непрерывно-последовательной кристаллизацией расплава в слиток квадратного поперечного сечения характеризующегося крупноблочной мультикристаллической структурой и чистотой не ниже чистоты исходной шихты. Это позволяет значительно уменьшить себестоимость блоков кремния с незначительно меньшим, или таким же коэффициентом преобразования солнечного света в электричество.

В России, начиная с 2008 года после спада производства, развивается производство поликристаллического кремния. Его производят путём очистки металлургического кремния, получаемого в больших количествах в дуговых печах, используя сименс-процесс. Далее возможны два варианта: в первом случае поликристаллический кремний экспортируется и уже за пределами России производится, используя различные методы, мультиили монокристаллический кремний. Во втором случае поликремний используется для производства монокристаллического кремния методом Чохральского и полученный продукт так же отправляется за границу. И на этом участие России в дальнейшей технологической цепи заканчивается. Таким образом, получается, что в Российской промышленности производится либо полуфабрикат (поликремний), или же очень дорогой монокремний, но в обоих случаях весь полученный продукт экспортируется.

Естественно, что это влечёт за собой отставание в развитии в области солнечной энергетики. Поскольку вся наукоёмкая часть производства мультии монокристаллического, кремния находится за пределами России, тормозя развитие отечественного8 производства и технологии. Но с другой стороны, неудивительно, почему всё производство российского поликристаллического кремния ориентировано в основном на экспорт, поскольку в России нет промышленных мощностей, способных обеспечить массовое производство мультикристаллического" кремния для подложек ФЭП. Создание таких производств является актуальной задачей, поскольку именно так возможно обеспечить самостоятельность российской промышленности в области создания ФЭП.

Путь, по которому предлагается получать мультикристаллический кремний — это непрерывное литьё с использованием ИПХТ. На сегодняшний день только в Японии и во Франции [4] разрабатывается эта технология. Несмотря на большое количество патентов, эта технология остаётся закрытой, поэтому исследование и реализация её на сегодняшний день является актуальной задачей.

ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАШОННОЙ РАБОТЫ является разработка и исследование технологии получения слитков мультикристаллического кремния солнечного качества, путём непрерывно-последовательной кристаллизации расплава в индукционной печи с холодным тиглем. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ЗАДАЧИ, решаемые в работе: Анализ методов и оборудования для получения кремния, используемого при производстве подложек ФЭП;

• Исследование на математической модели тепловых и электрических параметров плавки, условий кристаллизации и отжига слитка кремния;

• Разработка экспериментального исследовательского стенда;

• Разработка технологии стартового нагрева кремния;

• Разработка технологии* непрерывно-последовательной плавки кремния, в индукционной печи с холодным тиглем с получением слитка прямоугольного сечения;

• Экспериментальное исследование энергетических характеристик непрерывно-последовательной плавки кремния и сравнение результатов с теоретическими исследованиями.

МЕТОДЫ' ИССЛЕДОВАНИЯ. В работе использовались теоретические и экспериментальные исследования, на основе методов математической физики, вычислительной математики и теории индукционного нагрева. Обоснованность допущений, принятых при численных исследованиях, проверялась на результатах физического моделирования.

Для регистрации параметров плавки использовался информационно-измерительный комплекс, созданный на базе модульной системы сбора данных. В теоретических исследованиях использованы математические модели индукционной плавки в холодном тигле (ИПХТ) и разработанные на их основе программные комплексы, реализованные в среде коммерческого пакета ANS YS. Достоверность разработанных математических моделей определялась путём сравнения результатов натурных и численных экспериментов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

• Математические модели электромагнитного и теплового полей индукционной печи с холодным тиглем для плавки кремния;

• Критерии выбора частоты источника питания;

• Технология стартового нагрева;

• Результаты исследований параметров индукционной печи с холодным тиглем для плавки кремния.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ И ПРАКТИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТОВ. Достоверность научных положений, результатов и выводов диссертации подтверждена экспериментально, путём использования современной измерительной аппаратуры. НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

• Разработан программный комплекс, включающий трёхмерные модели электромагнитного и теплового полей с модулем кристаллизации;

• Разработана технология стартового нагрева кремния в холодном тигле;

• Определены тепловые и электрические характеристики непрерывно-последовательной плавки кремния в индукционной печи с холодным тиглем с получением слитка мультикристаллического кремния солнечного качества.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ:

• Разработана прикладная программа для автоматизированного проектирования индукционных тигельных печей (свид. о регистрации программы для ЭВМ № 2 010 614 087) — г.

• Разработана прикладная программа для расчета теплового состояния ванны расплава при зонной плавке в индукционной печи с холодным тиглем (свид. о регистрации программы для ЭВМ № 2 011 612 615).

• Сформулированы критерии выбора частоты источника питания индукционной печи с холодным тиглем при непрерывно-последовательной направленной кристаллизации расплава кремния;

• Выработаны рекомендации по. проектированию индукционной' печи с холодным тиглем для получения мультикристаллического кремния, которые способствуют увеличению электрического КПД процесса.

• Разработанырекомендации по организациистартового нагрева кремния.

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы используются в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете (СПбГЭТУ) «ЛЭТИ» в учебном процессе по дисциплинам: «Моделирование электротехнологических процессов», «Фундаментальные основы высокочастотной электротехники и электромагнитной обработки материалов».

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВРАБОТЫ. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на Международном семинаре по индукционному нагреву-НЕ8−10 (Падуя, Италия, 2010) — на XII международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (21−23 июня 2010 г., Самара, Россия) — на международном молодежном форуме «ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ» (19−13 сентября 2011, Санкт Петербург), на семинаре по возобновляемым источникам энергии (март 2010, Ганноверский университет, Германия), на внутривузовских научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ 2009 — 2011 год.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том* числе одна в журнале из перечня, рекомендованного ВАК, 1 статья в другом журнале, 4 работы в научно-технических конференциях, зарегистрированы две прикладные программы.

СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 78 наименований, и приложения. Основная часть работы изложена на 118 страницах машинописного текста. Работа содержит 50 рисунков и 8 таблиц.

Все результаты работы представлены в статье «Получение кремния солнечного качества с использованием непрерывной индукционной плавки в холодном тигле», опубликованной в издании включённого: в перечень ВАК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработан программный комплекс, включающий электромагнитную, тепловую и кристаллизационную модель в трёхмерной постановке .

2. Разработана, и исследована технология стартового нагрева кремния. Выработаны рекомендации по ведению стартового нагрева.

3. Исследованы тепловые и энергетические характеристики индукционной, печи с холодным тиглем при непрерывно-последовательной направленной кристаллизации расплава кремния.

4- Разработаны прикладные программы для анализа и автоматизированного проектирования индукционных тигельных печей.

5. Выработаны рекомендации по проектированиюиндукционной иечи с холодным тиглем-для получения! мультикристаллического кремния.

6. Сформулированы критерии выбора частоты источника питания для индукционной печис холоднымтиглемпри непрерывно-последовательной направленнои кристаллизации расплава кремния.

На основании результатов, полученных вработе, целесообразнопродолжить исследования в следующих направлениях:

• Исследование формы фронта кристаллизации, а также высоты и формы мениска с учётом магнитогидродинамических явлениях в расплаве;

• Разработка системы подогрева слитка мультикристаллического кремния.