Поликремний
Производственная цепочка поликремния начинается с диоксида кремния (кремнезема). Кремнезем широко распространен в природе в виде песка, кварца и глины. В результате карботермического восстановления диоксида кремния в дуговой печи при температуре 1800C получается технический (металлургический) кремний, который затем проходит очистку химическими (через хлорсиланы) или физическими (прямыми) методами.
В настоящее время наиболее распространен метод производства поликремния с использованием процесса и реактора Сименс (Siemens). Сименс-процесс - это процесс химического осаждения поликремния из газовой фазы (chemical vapor deposition, CVD)который протекает следующим образом. Нагретые до высокой температуры поликремниевые стержни-затравки помещаются в Сименс-реактор, имеющий охлаждаемый куполообразный корпус. В реактор подается газообразный трихлорсилан (ТХС). При прохождении через реактор ТХС разлагается на поверхности нагретых стержней-затравок с образованием поликремния. Когда стержни достигают нужного размера, они извлекаются из реактора и затем могут подвергаться дроблению.
В 2009 г. Сименс-процесс использовался на 80% действующих мощностей по производству поликремния.
Сегодня также ведутся разработки различных альтернативных технологий, основными потенциальными преимуществами которых является экономия времени и энергии, а, следовательно, и снижение себестоимости конечного продукта. К примеру, процесс производства поликремния в альтернативных реакторах осаждения (например, реакторе кипящего слоя Fluidized Bed Reactor, FBR) постепенно наращивает свою долю рынка, поскольку ожидается, что он позволит снизить себестоимость поликремния на 15-25% по сравнению с классическим Сименс-методом.
Еще одно развивающееся направление – прямая очистка технического (металлургического) кремния с получением улучшенного металлургического кремния (UMG), отвечающего требованиям т.наз. «солнечного качества». Эти технологии приобрели особую популярность в период острого дефицита поликремния и связанного с этим взлета цен на ПКК. Более 20 компаний разрабатывали собственные технологии прямой очистки. Хотя детали процесса в каждом случае могут отличаться, как правило, такие технологии подразумевают удаление примесей металлов и снижение содержания бора и фосфора. Чистота конечного продукта – свыше 99.99%. Но рыночный потенциал технологий прямой очистки сегодня существенно упал, поскольку они так и не смогли добиться желаемого качества продукта, а цены на поликремний снизились.
С другой стороны, производители поликремния по технологии Сименс также работают над совершенствованием процесса и снижением производственных затрат, прежде всего за счет сокращения энергопотребления и масштабирования производства. По мнению специалистов отрасли, ведущие производители, использующие Сименс-процесс, могут снизить себестоимость конечного продукта на 20-30% в течение ближайших 3-5 лет. Таким образом, маловероятно, что альтернативные технологии производства поликремния добьются серьезного преимущества над Сименс-методом с точки зрения себестоимости.
Кроме того, поскольку порядка 70% развивающихся проектов также планируют использовать технологию Сименс, ожидается, что она сохранит свои доминирующие позиции в течение ближайших пяти лет.
Пластины/Фотоэлементы
В настоящее время более 80% производимых в мире солнечных фотоэлементов (ФЭП) изготавливается на основе кристаллического кремния. В 2009 г. 34% ФЭП были изготовлены на основе монокристаллического кремния, 47% - на основе поли- или мультикристаллического кремния, 1,5% - в виде микрокристаллических кремниевых лент. Около 17% мирового рынка солнечных фотоэлементов сегодня составляют ФЭП, производимые в виде тонких пленок таких материалов, как аморфный кремний, теллурид кадмия, диселенид меди и индия (CIS) и других, нанесенных на различные подложки.
Технологии производства ФЭП
В основу технологий производства монокристаллического кремния и PV-пластин на его основе положены два метода:
* метод Чохральского (Czochralski method, CZ) – выращивание монокристалла кремния из расплава поликристаллического кремния, с последующим его распилом на пластины и их полировкой;
* метод бестигельной зонной плавки (Float-Zone method, FZ) – выращивание монокристалла по направлению перемещения узкой зоны его расплава, созданной индукционным нагревом, с последующим распилом на пластины и их полировкой.
Производство мультикристаллического кремния и PV-пластин основано на методе направленной кристаллизации с последующим распилом мультикристалла кремния на прямоугольные блоки и далее – на пластины.
Большинство производимых в настоящее время кремниевых PV-пластин имеют толщину 210-240 мкм (лучшие показатели – 180 мкм) и размер пластин 100Х100 мм (4 дюйма), 125Х125 мм (5 дюймов), 150Х150 мм (6 дюймов), 210Х210 мм (8 дюймов). Согласно прогнозам, к 2010 г. толщина пластин уменьшится до 150 мкм, что должно привести к снижению коэффициента расхода кремния с 9 г/Вт до 7,5 г/Вт в 2010 г:
Для производства фотоэлементов в виде тонких пленок используются различные модификации метода химического осаждения из газовой фазы (CVD). Основные виды тонкопленочных ФЭП изготавливаются на основе таких материалов, как аморфный кремний (a-Si), теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди и индия (CIS).
Рыночный потенциал различных технологий производства ФЭП
При сравнении различных технологий учитываются, прежде всего, такие факторы, как стоимость и эффективность. Эффективность фотоэлектрического преобразования солнечной энергии в электрическую в помощью полупроводниковых фотоэлементов оценивается коэффициентом полезного действия фотоэлемента (КПД).
Технологии производства ФЭП, использующие кристаллический кремний, в настоящее время преобладают; ожидается, что они сохранят свои доминирующие позиции и в ближайшее десятилетие. Эти технологии обеспечивают максимальные КПД фотоэлементов, производимых в промышленных масштабах (в среднем, 16%, лучшие образцы достигают КПД 25%; средний КПД должен подняться до 17.5% к 2010 г.):
В настоящее время ФЭП на основе поли- или мультикристаллического кремния занимают ведущие позиции на рынке. Хотя доля ФЭП на основе монокристаллического кремния продолжает снижаться, достигнув 34% в 2009 г., многие компании сегодня планируют начать производство высокопроизводительных ФЭП с селективными эмиттерами, спрос на монокристаллические кремниевые пластины может возрасти.
Тонкопленочные технологии позволяют снизить стоимость конечного продукта благодаря тому, что они используют небольшое количество кремния, либо используют вместо него другие материалы. В то же время, хотя лучшие образцы тонкопленочных модулей на некремниевой основе достигают КПД 26%, в среднем они уступают по эффективности (порядка 9%). С падением цен на поликремний, рыночный потенциал тонкопленочных технологий был существенно подорван, и, по прогнозам, в ближайшей перспективе они не смогут серьезно конкурировать с кристаллическими кремниевыми технологиями.
Хотя в настоящее время порядка 170 компаний развивают производство тонкопленочных модулей, только единицы смогли довести годовой объем производства до 100МВт. Кроме того, с точки зрения соотношения себестоимости и КПД, большинство производителей модулей на основе аморфного кремния не могут конкурировать с кристаллическими кремниевыми технологиями, а производители модулей CIGS испытывают серьезные технические трудности с наращиванием объемов производства. К тому же, в условиях мирового финансового кризиса банки и компании, занимающиеся строительством «солнечных электростанций», отдавали предпочтение более испытанным и доступным на рынке модулям на основе кристаллического кремния.
По данным Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), мировой объем мощностей по производству ФЭП в 2009 г. составлял порядка 24ГВт. По прогнозам EPIA, мощности вырастут на 30% в 2010 г., после чего годовые темпы роста снизятся до 20%, а мировой объем производственных мощностей в 2014г. достигнет 65ГВт. Мощности по производству модулей на основе кристаллического кремния будут расти со среднегодовыми темпами (CAGR) 22%, а мощности по производству тонкопленочных модулей ? с CAGR на уровне 25%, но доля последних так и не превысит 25% к 2014 г.:
Прогноз роста производственных мощностей: кристаллические кремниевые и тонкопленочные технологии (технологии с долей рынка менее 0,5% не представлены) Источник: EPIA
Что касается конкретных тонкопленочных технологий, по мнению аналитиков, модули на основе аморфного кремния (a-Si) сохранят лидирующие позиции в секторе тонких пленок и останутся наиболее вероятным выбором новых участников сектора по причине доступности сырья и производственного оборудования. Динамичный рост ожидает и другие тонкопленочные технологии, особенно CIGS:
В региональном плане Азия сохранит свои позиции мирового лидера по производству фотоэлементов и модулей, заложенные еще с развитием отрасли в Японии. Сегодня на первое место в регионе вышли Китай, Тайвань, Корея, Малайзия, Филиппины и Индия. В 2009 г. 75% мирового производства фотоэлементов пришлось на страны азиатского региона (только в Китае было произведено около трети всех ФЭП), 17% ? в Европе и 8% ? в США. По прогнозам, в ближайшем будущем этот расклад сил существенно не изменится.
Поиск
Реквизиты
