Кремниевая "лихорадка"

Группа СУАЛ стабильно занимает первое место по объемам производства кремния в России и шестое в мире, производя 70% отечественного кремния. Второй российский производитель, ОАО «Братский алюминиевый завод», принадлежащий Русалу, ежегодно вырабатывает около 20000 т. кремния, причем также направляет значительную часть своей продукции на экспорт.

 

Поликристаллический кремний – материал очень высокой чистоты, и вплоть до 2000-2001 гг. являлся основой только для производства полупроводников. Базой же солнечной энергетики были в основном отходы «электронной» индустрии: некондиционный поликремний, получаемый в цикле производства поликремния электронного. За последние годы ситуация во многом изменилась: свыше 60% общей потребности солнечной энергетики обеспечивает поликремний, специально произведенный для неё.

Солнечный кремний – материал с менее жесткими требованиями по чистоте, разница которой может колебаться от 99,999 до 99,99999 («электронная» чистота).[4]

Мировое производство поликристаллического кремния достигает 20 тысяч тонн в год, и, по некоторым оценкам, ежегодно увеличивается на 18-20%. Более 90% мирового рынка поликристаллического кремния контролируют 10 крупнейших компаний США, Японии, Германии и Италии. Мировой лидер по производству поликристаллического кремния солнечного качества - корпорация SGS AsiMI (создана совместно американской ASiMI и норвежской группой REC). Норвежской группе REC – Renewable Energy Corporation принадлежит также один из крупнейших производителей кремниевых пластин – Scan Wafer ASA.

После распада СССР, который выпускал около 12% мирового производства поликристаллического кремния Россия не имеет на сегодняшний момент серьёзных успехов в его производстве. На предприятиях выращивается монокристаллический кремний из высокочистого зарубежного сырья,[5] хотя производственные и научные базы существуют. Среди российских производителей поликристаллического кремния можно перечислить: Подольский химико-металлургический завод, Красноярский Горно-химического комбинат (г. Железногорск), ОАО «Химпром» г. Новочебоксарск, Усолье-сибирская группа НИТОЛ Иркутской области, предприятие ООО «Усольехимпром».

Со стороны Российского правительства были попытки решить проблему в рамках объявленных национальных проектов: «Кремний России», «Российская силиконовая долина», «Балтийская кремниевая долина», история которой началась в 1998 года, когда она получила одобрение РАН и продолжается до сих пор.

Существуют и новые проекты. В последнее время несколько компаний заявили о своем желании построить заводы по выпуску этой продукции. Например, заявление в прошлом году о решении Холдинга Олега Дерипаски «Базовый элемент» построить в Хакасии завод по выпуску полупроводниковых материалов на основе поликристаллического кремния.

 

Группа НИТОЛ инвестирует в 2007—2009 годах 400 млн. долл. в создание производства в Усолье на базе предприятия «Усолье-Сибирский силикон» и т.д.

Однако, по заявлениям экспертов, если русские компании и могут поделить растущий внутренний рынок, то рассчитывать на весомую долю на мировом рынке им не приходится. «На мировом рынке новая компания вряд ли сможет занять сильные позиции, отмечает он. С одной стороны, потребление растет на 5—7% в год, с другой — Китай активно наращивает производство и вытесняет с рынка других игроков, в том числе за счет демпинга.»[6]

Перспективы выхода на рынок у «российского кремния» могут появиться только с появлением новых малозатратных технологий.

Задаваясь вопросом сколько же и какие технологии производства солнечного кремния обсуждаются в прессе в настоящее время, в конце концов соглашается с высказыванием: «... Что касается технологии, то авторов здесь столько, сколько есть производств, умноженное на количество соавторов. ...Авторов здесь тьма – тьмущая.»[7]

Традиционно в России используется хлоридный (трихлорсилановый) метод получения поликристаллического кремния из технического кремния, который был разработан и реализован в промышленности еще в середине 50-х годов фирмой Siemens. И даже в перечисленных выше новых русских проектах предполагается использовать эту «старую» проверенную технологию.

Однако «трихлорсилановая» технология несет в себе первоначально заложенную экологическую опасность (порыв труб, разгерметизации, выбросы токсических веществ в атмосферу т.д.)

 

Дело в том, что все хлорпроизводные кремния и хлористый водород коррозионно агрессивны по отношению к конструкционным материалам и вызывают местную коррозию, приводящую к быстрому и катастрофическому разрушению оборудования.

 

По мнению экологов[8] даже если производство будет идти по доработанному «замкнутому» циклу, оно будет сохранять такие первоначальные черты как: высокая энергоемкость, низкий выход продукта и экологическую опасность. К тому же, транспортировка токсичного и летучего хлорсодержащего сырья сопряжена с риском разгерметизации и заражением всего живого в радиусе многих километров.

На сегодня в мире существуют и другие бесхлорные технологии. Среди них моносилановые технологии, использование которых имеет ряд преимуществ
- меньший расход энергии; отсутствие химически агрессивных побочных компонентов и.т.д. Моносилановые технологии, используются в разных странах. Среди них алкисилановые в Японии; восстановление кремния металлическим натрием (кальцием) и водородом в США. Последним способом производится свыше 3000 т. поликристаллического кремния в год очень высокой чистоты.[9] В России они находятся на уровне проектных испытаний.

Или, например, принципиально другой подход – получения чистого кремния, в том числе без cиланов и хлорсиланов.

 

Всероссийский НИИ электрификации сельского хозяйства представляет технологию, в которой в качестве исходных материалов используется металлургический кремний и этиловый спирт.[10] Разрабатываются технологические процессы производства, в которых экологически неприемлемые химические процессы заменяются на вакуумные, плазмохимические, электронно-лучевые и лазерные процессы.

Итак, что же является важным в определении жизнеспособности технологии?
- низкая энергоемкость;
- высокий выход чистого кремния;
- безопасность производства.

 
«Чистая» солнечная энергия из «чистых» источников
немного об опыте...

К лету 2008 года в Норвегии (г. Кристиансанд) компанией Elkem Solar будет выпущена первая партия сверхчистого «солнечного» кремния.

Представленная технология производства не имеет аналогов в мире. В основу берется чисто «металлургический» процесс восстановления SiO2 в плазме. Технология использует металлургический кремний и не отягощена токсичными трихлорсилановыми реакциями. И хотя чистота выпускаемого кремния уступает кремнию, полученному газовым трихлорсилановым путем, она находится в допустимых для «солнечного» кремния пределах.

Принципиальным здесь является то, что представленная к производству технология позволяет снизить расход электроэнергии, затраченной на получения одного килограмма кремния примерно в 5 раз в сравнении с действующими на сегодня производственными технологиями. Там где традиционно потребление энергии исчисляется в пределе 75-130 кВ/кг, новый норвежский вариант рассчитан на энергозатраты от 10 до 20 кВ/кг. Завод планирует выпуск 5000 тонн кремния в год, хотя его производственные мощности рассчитаны на последующее увеличения объёма продукции.[11]