Проект цеха по производству мультикремния для солнечных элементов - Дипломная работа

Актуальность представленной тематики обусловлена высокими темпами развития солнечной энергетики и расширением географии использования фотоэлектрических систем. Изменение рыночных цен на энергию с учетом возмещения скрытых издержек, связанных с ее производством и использованием, станет одной из крупнейших проблем ближайших десятилетий. В министерстве энергетики США предсказывают, что уже в 2015 г. электроэнергия, производимая с помощью солнечной батареи, станет дешевле, чем электроэнергия, полученная из невозобновляемых источников, и, главное, цена на нее не будет расти. В связи с тем, что стоимость традиционных источников энергии стремительно растет, в настоящее время в регионах без стационарной сети электропитания вместо дизельных электрогенераторов все чаще применяют ФЭС. Тенденция развития материалов для солнечной энергетики показывает, что основным материалом для производства ФЭС на ближайшее будущее становится структурно-неоднородный кремний (поликристаллический, аморфный и, особенно, мультикремний), а не более дорогой монокристаллический, как было ранее.Расстояние до p-n перехода должно быть меньше глубины проникновения света (определяется по формуле 1/?, где ?-длина световой волны) На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт. У границы n-и p-слоев в результате перетечки зарядов образуются обедненные зоны с нескомпенсированным объемным положительным зарядом в n-слое и объемным отрицательным зарядом в р-слое. Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны р-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Электроны, генерируемые в р-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область (рис.2) [2]. Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в р-слой (рис.В природе кремний встречается в виде окислов (кремнезем (Si02)n), различных силикатов (солей кремниевых кислот). Кремний устойчив ко многим кислотам, нерастворим в воде, но легко растворяется в горячих растворах щелочей, а также в смеси фтористо-водородной и азотной кислот. Кремний обладает сравнительно высокой температурой плавления и в расплавленном состоянии отличается высокой химической активностью. Наиболее чистые материалы (кварц и графит), из которых обычно изготавливают тигли и нагревательные элементы, при высоких температурах взаимодействуют с кремнием. Технический кремний - блоки кремния поликристаллической структуры, полученного восстановлением из чистого кварцевого песка; содержит 98 % кремния, основная примесь - углерод, отличается высоким содержанием легирующих элементов - бора, фосфора, алюминия; в основном используется для получения поликристаллического кремния; в 2006-2009 гг. в связи с дефицитом кремниевого сырья солнечного качества предпринимались попытки использования этого материала для производства кристаллического кремния солнечного качества: для этого производилась доочистка технического кремния путем дробления по межкристаллитным границам и стравливания примесей, концентрирующихся на границах, затем производилась перекристаллизация одним из вышеупомянутых способов).1.2, для производства фотоэлектрических преобразователей пригоден крупноблочный мультикристаллический кремний, структура которого включает монокристаллические зерна размером не менее 2…5 мм (рис.6) [4]. Промышленное производство мультикремния включает два этапа: получение очищенного поликристаллического кремния как исходного материала и переработка его методом направленной кристаллизации (методом Бриджмена) с требуемыми параметрами.Классическая технология поликристаллического кремния основана на процессе водородного восстановления трихлорсилана, восстановления тетрахлорида кремния цинком и пиролиза моносилана, Большую часть кремния (около 80%) получают путем водородного восстановления трихлорсилана (ТХС). Достоинства этого процесса - легкость и экономичность получения ТХС, эффективность очистки ТХС, высокое извлечение и большая скорость осаждения кремния (извлечение кремния при использовании тетрахлорида кремния составляет 15%, а при использовании ТХС - не менее 30%), меньшая себестоимость продукции. Трихлорсилан обычно получают путем гидрохлорирования кремния: взаимодействием технического кремния с хлористым водородом или со смесью газов, содержащих хлористый водород, при температуре 260-400°С. Для повышения выхода ТХС температуру у процесса снижают, что приводит к значительному замедлению скорости реакции (5). Для определения концентрации доноров проводят один проход зоны в аргоне или вакууме и получают монокристалл n-типа, по удельному сопротивлению которого судят о чистоте по донорам (удельное сопротивление по донорам); для определения концентрации бора приводят 5 - 15 проходов зоны в вакууме, в результате чего получают монокристалл р-типа, по удельному сопротивлению которого судят о чистоте по бору (удельно

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Принцип работы солнечного элемента

1.2 Выбор материала для создания солнечных элементов

1.3 Технология мультикремния

1.3.1 Получение поликристаллического кремния водородным восстановлением трихлорсилана

1.3.2 Получение поликристаллического кремния карботермическим методом

1.3.3 Получение мультикремния методом направленной кристаллизации

2. Проектная часть

2.1 Расчет состава основного и вспомогательного оборудования для получения мультикремния

2.2 Расчет материального баланса

2.3 Разработка технологической планировки цеха по производству мультикремния

3. Экономическая часть

4. Охрана труда

5. Экология производства

Выводы

Литература солнечный кремний карботермический водородный

Актуальность представленной тематики обусловлена высокими темпами развития солнечной энергетики и расширением географии использования фотоэлектрических систем. Изменение рыночных цен на энергию с учетом возмещения скрытых издержек, связанных с ее производством и использованием, станет одной из крупнейших проблем ближайших десятилетий. В министерстве энергетики США предсказывают, что уже в 2015 г. электроэнергия, производимая с помощью солнечной батареи, станет дешевле, чем электроэнергия, полученная из невозобновляемых источников, и, главное, цена на нее не будет расти.

В связи с тем, что стоимость традиционных источников энергии стремительно растет, в настоящее время в регионах без стационарной сети электропитания вместо дизельных электрогенераторов все чаще применяют ФЭС. Методика использования в нашей стране ФЭС уже давно разработана для всех районов, в т.ч. для Сибири и Дальнего Востока. Это не только позволяет снизить экологическую нагрузку на экосферу, но и экономически выгодно.

Наиболее используемым материалом для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии в настоящее время является кремний. Его широкое применение обусловлено достаточно большой шириной запрещенной зоны и практически неограниченными природными запасами. Из него изготавливается более 90% полупроводниковых устройств. Сейчас возобновляемые источники дороги, но, по мере их развития и совершенствования, будет неизбежно снижаться их себестоимость. Тенденция развития материалов для солнечной энергетики показывает, что основным материалом для производства ФЭС на ближайшее будущее становится структурно-неоднородный кремний (поликристаллический, аморфный и, особенно, мультикремний), а не более дорогой монокристаллический, как было ранее. В стоимости каждого КВТ*ч электроэнергии 90% составляет цена материала, необходимого для производства ФЭС.

В данной работе спроектирован цех для получения мультикремния солнечного качества и показана его экономическую эффективность. Работа состоит из теоретической, проектной, экономической и экологической частей. В теоретической части показаны основные принципы работы солнечного элемента и методы производства кремния для его производства, проведено сравнение технологии и сделан вывод в пользу получения кремния карботермическим восстановлением. В проектный части работы рассчитан материальный баланс и показан проект цеха полного цикла для получения мультикристаллического кремния из кварцевого песка. В экономической части рассчитано количество работников цеха, эффективность цеха, найдена точка безубыточности предприятия. В экологической части рассмотрены меры защиты окружающей среды, персонала, и материального имущества на производстве, а также перечислены действия, необходимые в случае возникновения ЧС про производстве.