ИРН AP08856059 Разработка металлургических методов получения кремния для солнечной энергетики

ГФ ИРН AP08856059

Конкурс: ГФ по ННТП на 2020-22 гг. со сроком реализации 27 месяцев (МОН РК)

Тема: «Разработка металлургических методов получения кремния для солнечной энергетики»

Цель: Разработка технологии последовательной очистки MG-Si до SoG-Si физико-химическими методами, без использования дополнительных этапов традиционной очистки в газовой фазе и получение кремния качества SoG-Si, чистотой не менее 99,9998% пригодного для создания фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). А также создание тестовых солнечных элементов из полученного кремния.

Актуальность: В настоящее время альтернативная энергетика Республики Казахстан позиционируется в качестве одного из векторов развития энергетического комплекса, о чем свидетельствует проводимая на уровне государства работа по формированию нормативной правовой базы и мер поддержки в этой области. В республике, с целью перехода к «зеленой экономике», принята Концепция по переходу Республики Казахстан к «зеленой экономике». В концепции задекларировано постепенное увеличение доли возобновляемой энергии в общем объеме вырабатываемой электроэнергии: 3% к 2020 году, 30% к 2030 году и 50% к 2050 году. Для того чтобы стать конкурентоспособным государством на рынке солнечной фотоэнергетики, Казахстану, как обладателю богатой сырьевой базы, необходимо разработать и внедрить современные технологии на всех этапах производства ФЭП, от кварца до фотоэлектрических панелей и станций.

Руководитель: Мукашев Болат Нигматович - Академик НАН РК, доктор физико-математических наук, профессор, лауреат государственной премии, Заслуженный деятель Республики Казахстан, Scopus ID 7003788260,  WoS Researcher ID: AAD-3698-2020 Orcid 0000-0002-1391-2733, Publons  3371474

Исполнители:

1. Серикканов Абай Серикканович, - к.ф.м.н., Scopus ID 6508321334, WoS Researcher ID AAD-3708-2020, Orcid 0000-0001-6817-9586 , Publons 3366700

2. Мить Константин Александрович - к.ф.м.н., Scopus ID 9432881600, Orcid 0000-0002-0078-6723, Google Scholar

3. Турмагамбетов Тлеужан Сабиржанович - PhD, WoS ResearcherID AAG-1687-2020, Scopus ID 26665214200, Orcid 0000-0001-8929-5519  

4. Невмержицкий Иван Сергеевич – руководитель сектора испытания осветительных приборов ФТИ, Orcid 0000-0003-4352-8684,  Publons 3374523 

5. Павлов Артем Александрович - инженер с производства ТОО «МК «KazSilicon», Scopus ID 56898538500

6. Тараканова Светлана Николаевна – техник высшей категории ФТИ

7. Вдовиченко Евгений - инженер-метролог ФТИ

8. Шегебай Салтанат – младший научный сотрудник ФТИ, Orcid 0000-0002-0518-8140, google scholar,   Publons 3940291   

Краткий отчет и достигнутые результаты

Плавку кремния проводили на индукционной печи «Параллель» ИПТ-100-2,4-0,075-Г-УХЛ4 мощностью 100 КВт с графитовым тиглем емкостью 60 литров.

Для проведения процесса шлаковой очистки металлургического кремния был подготовлен металлургический участок, включающая подготовку индукционной печи Параллель к работе. Подготовлен графитовый тигель для проведения плавок и графитовая изложница для розлива металлургического кремния. Проверены и подготовлены электрические компоненты печи, установлен тигель и сделана футеровка тигля в печи.

Пробоподготовка для проведения химического анализа проводилась по следующим этапам: а) дробление и истирание; б) автоклавное разложение кремния смесью кислот.

Метод автоклавного разложения кремния смесью кислот основан на растворении кремния смесью азотной и фтористоводородной кислотами. Для растворения анализируемых проб кремния используются кислоты марки «осч» и деионизованная вода.

Результат хим. анализа показал, что содержание примесей Al, Fe, Ca, In, Ga, As, B, P типично для металлургического кремнияданной марки.

UMG кремний представляет собой металлургический кремний, прошедший предварительную очистку. В данном случае это кремний после проведения плавок по шлаковому рафинированию с целью снижения примесей бора и фосфора. Всего было проведено 9 плавок. Полученный кремний подвергался анализу аналогично анализам для металлургического кремния — рентгенофлуоресцентный анализ на спектрометре РЛП 21 и анализ на содержание примесей бора и фосфора на оптическом спектрометре с индуктивно-связанной плазмой (ICP-OES) «Optima 2000DV».

По результату проведенных плавок можно сделать следующие выводы – наиболее действующими шлаковыми смесями по очистке кремния от примесей фосфора являются шлаковые смеси, содержащие карбонат натрия – плавки №3 и №9, а также многокомпонентная шихта, содержащая помимо кислотных и основных оксидов (SiO2, CaO, MgO) амфотерный оксид (Al2O3) и фторид (CaF2) – плавка №8. Снижение примеси бора в этих плавках составило более чем в 3 раза. Проведенная экспериментальная плавка №10 со шлаковой смесью №4, содержащая карбонат натрия с более длительной выдержкой в 30 минут перед выливкой слитка в изложницу позволило сократить содержание бора в более чем 7 раз. Аналогичные плавки с длительной выдержкой при температуре выше температуры плавления кремния будут выполнены и для многокомпонентной смеси №9.

Таблица 1 – Анализы кремния после проведения шлакового рафинирования. Результаты химического анализаэкспериментальных плавок, проведенные на рентгенофлуоресцентном спектрометре РЛП 21 и спектрометре Optima 2000DV. Также для сравнения указано содержание примесей в исходном кремнии.

Наименование пробы

Al

Fe

Ca

In

Ga

As

B

P

μg/g

Кремний Кр0

1277

1551

1821

11

43

-

31

27

Плавка № 1

(смесь 1)

44

3890

708

5

111

-

12

58

Плавка № 2

(смесь 2)

148

980

3379

1

28

-

12

37

Плавка № 3

(смесь 3)

1295

2029

785

2

13

0,2

9

27

Плавка № 4

(смесь 5)

184

2509

3396

8

96

0,074

9,5

56

Плавка № 5

(смесь 6)

1802

2880

1018

14

84

0,384

11

43

Плавка № 6

(смесь 7)

202

2542

921

8

70

0,053

11

49

Плавка № 7

(смесь 87)

624

1868

1119

4

51

1,5

11

41

Плавка № 8

(смесь 9)

593

1862

900

1,5

46

2,5

9

34

Плавка № 9

(смесь 4)

30

2296

400

2,8

52

2,2

7

35