Применение кремния в электротехнике
В настоящее время во всём мире производится порядка 15 тыс. тонн кремния ежегодно (Япония, США, Германия). Кремний является основным материалом твёрдотельной электроники. Это базовый материал микроэлектроники, который потребляет 80% полупроводникового кремния. Кремний составляет 70% от всех потребляемых микроэлектроникой материалов. Тем не менее, заметную долю в общем объёме выпуска полупроводниковых изделий составляет кремниевые дискретные приборы – это выпрямительные, импульсные, СВЧ диоды, биполярные, полевые транзисторы. И в отличии от германия, рабочая температура кремния в электронных компонентах лежит в диапазоне от -60 до +200 o C, это сыграло огромную роль в его применении, т.к. большинство современных процессоров работают на температурах до 100 o C. Монокристаллический кремний является основным материалом и для изготовления приборов силовой электроники – это мощные диоды, тиристоры, транзисторы, интегральные схемы. Они применяются при передаче электроэнергии на большие расстояния, в энергоёмких производствах, например, в металлургическом и химическом, в системах электропитания. Кремний широко применяется для производства фоточувствительных приборов, фотодиодов им фототранзисторов, разнообразных сенсорных устройств, прецизионных микромеханических систем. Важную роль кремний играет в быстроразвивающейся солнечной энергетике. Более 90% всех солнечных элементов изготавливаются из кристаллического кремния. Перспективным направлением является кремниевая оптоэлектроника. Здесь прежде всего следует отметить светоизлучающие приборы и фотодетекторы, интегрирование в кремниевую технологию.
Фундаментальными активными элементами являются транзисторы и диоды. Другие полупроводниковые приборы, такие как варикапы, тиристоры и симисторы — это модификации и тех же транзисторов, и диодов. Приборы с одним элементом называются дискретными. Соединив множество полупроводниковых элементов на одном кристалле, получают интегральную схему. Например, процессор и память компьютера являются интегральными схемами, состоящими из сотен миллионов транзисторов.
Заключение.
Несомненно, полупроводники стали неотъемлемой частью современной электроники. 80% всех электронных компонентов содержат полупроводники. Кремний стал незаменимым химическим элементом, благодаря своей распространенности. А современные технологии позволяют добывать и очищать кремний с минимальными затратами, из-за чего он стал еще и очень дешев в производстве. Ни одно современное производство не обходится без микропроцессорных систем управления, без компьютеров, и электроники в целом. Увидев всю важность этого химического элемента, можно без преувеличения сказать, что кремний, жизненно необходим для современного развивающегося мира.
Кремний — основной элемент развития солнечной энергетики Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»
Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Соколов Д.Ю., Баранов А.Н.
Промышленные методы получения и особенности свойств кремния для фотовольтаики
Энергетика будущего
Перспективы развития производства высокочистого кремния в российской Федерации
Кремний для солнечной энергетики
Тенденции и перспективы развития технологиии производства поликристаллического кремния для фотоэлектрических преобразователей
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Текст научной работы на тему «Кремний — основной элемент развития солнечной энергетики»
Соколов Д.Ю., Баранов А.Н. ®
Д.т.н., профессор кафедры металлургии цветных металлов. Иркутский национальный исследовательский технический университет, гр. АЗОСм-15-1. Иркутский национальный исследовательский технический университет,
КРЕМНИЙ — ОСНОВНОЙ ЭЛЕМЕНТ РАЗВИТИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Кремний — один из самых распространенных элементов в земной коре. По распространенности он занимает 2-ое место, следуя за кислородом, сталкивается основным образом в повторяющемся виде кислородных синтезов (силикаты, кварц и т.д.). Кремния находит следующее применение:
• сырьё для металлургических производств: компонент сплава (бронзы, силумин); раскислитель (при выплавке чугуна и сталей); модификатор свойств металлов или легирующий элемент.
• сырьё для производства более чистого поликристаллического кремния и очищенного металлургического кремния (в литературе «иш§-81»);
• сырьё для производства кремний органических материалов, силанов;
• иногда кремний технической чистоты и его плав железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях;
• для производства солнечных батарей;
Рассмотрим применение кремния в солнечной энергетике. Солнечная энергетика является одним из наиболее быстрорастущих секторов мировой энергетики. Одна из новейших областей применения чистого кремния — производство волоконных световодов для оптической связи.
Согласно мировой статистике ежегодный прирост продаж солнечных батарей и панелей в 2010-2015 гг. составляет порядка 35-45 % [1]. Прямое преобразование солнечного излучения в электрический ток осуществляется с помощью полупроводниковых фотоэлементов — солнечных батарей [2], основными материалами, для изготовления которых являются кремний и арсенид галлия (ОаЛв). Этот компонент обеспечивает более высокий КПД фотопреобразования — до 22 % , но он существенно дороже кремния. К тому же промышленное производство кремния в настоящее время является более освоенным. По этим причинам он и является основным материалом для изготовления солнечных батарей [3]. Объем кремния, используемого для производства солнечных элементов, составил в 2014 г. ~ 4 000 т. К 2020 г. для обеспечения потребностей рынка понадобится ~ 50 000 т. кремния солнечного сорта. В связи с устойчивым ростом спроса ведущие фирмы-производители кремния, солнечных батарей и модулей расширяют производственные мощности и выпуск указанной продукции. Нехватка кремния является одной из наиболее серьезных сдерживающих факторов роста мировой солнечной энергетики. На первых этапах развития отрасли ее доля в мировом потреблении кремния составляла 5-10 %, а в конце текущего десятилетия данный показатель увеличился ~ до 50 % [1]. В настоящее время количество скрапа, используемого для производства солнечных батарей, на рынке ограничено и составляет ~ 3 000 т. Дефицит кремния сказывается на увеличении его стоимости. Так, за период со второй половины 2004 г. по конец 2005 г. контрактная цена поликристаллического кремния увеличилась на 80 % и достигла 60 долл./кг, а в 2006 г. выросла до 80 долл./кг. Цена поликристаллического кремния на рынке наличного товара уже в начале 2006 г. достигала 140 долл./кг. При этом «солнечная» индустрия потребила почти 35 % всего проданного в 2009 г. поликристаллического кремния. Что касается увеличения объемов
® Соколов Д.Ю., Баранов А.Н., 2016 г.
производства технического кремния, то эта задача вполне осуществима, однако качество получаемого в электродуговой печи технического кремния даже после рафинирования не отвечает требованиям, предъявляемым к кремнию для солнечной энергетики, и требует более глубокой очистки. Добиваться повышения чистоты рафинированного кремния необходимо уже на первой стадии его производства (при карботермическом восстановлении), при этом необходимо уделять особое внимание подбору высокочистого рудного сырья и углеродистых восстановителей с низким содержанием золы.
Таким образом, для обеспечения потребностей в кремнии солнечного качества необходима разработка такой технологии получения высокочистого кремния, которая позволит получать дешевый материал в достаточном для потребителей количестве. Исследователи разных стран интенсивно работают в этом направлении.
1. Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии / К. Рейви. — М.: Мир, 1984. — 475 с
2. Бюллетень иностранной коммерческой информации, № 4-5 (9250- 9251), 17.01.2008.
Возможности аллотропной модификации кремния: революция в электронике и солнечной энергетике
Кремний, занимающий второе место по распространенности на Земле, играет ключевую роль в нашей повседневной жизни. От смартфонов до кардиостимуляторов, чипы на основе кремния являются неотъемлемой частью многих электронных устройств. Кроме того, кремний активно используется в производстве фотоэлектрических элементов, преобразующих солнечный свет в электричество.
Однако атомная структура кремния ограничивает его способность проводить электричество, что замедляет работу компьютеров и снижает эффективность солнечных панелей. В связи с этим возникает необходимость поиска подходящей замены кремнию, чтобы электронные устройства стали быстрее, дешевле и компактнее.
Модифицированный кремний как потенциальное решение
Несмотря на то что в течение многих лет предлагались различные элементы и соединения, сегодня становится очевидным, что решение может быть найдено в самом кремнии. Модифицированный кремний, обладающий определенными свойствами, мог бы, так сказать, «заменить сам себя».
Кремний может принимать несколько форм (или аллотропов), некоторые из которых могут стать настоящей революцией в области электроники и солнечных батарей.
Проблемы и ограничения современных кремниевых устройств
Кремний относится к полупроводниковым материалам, электропроводящие свойства которых находятся где-то между металлическими проводниками и изоляторами. В компьютерном чипе достаточно небольшого напряжения, чтобы переключить состояние кремния с проводника на изолятор. Это позволило создавать двоичную цифровую информацию с использованием единиц и нулей.
Эта способность контролировать поток электронов, наряду с его низкой стоимостью, стабильностью и высокой доступностью, сделала кремний наиболее подходящим материалом для электронных устройств на протяжении более шестидесяти лет.
Однако, как заявил Лью Ян Вун, физик-полупроводник из Цитадели, Военный колледж Южной Каролины, Чарльстон, электронные устройства на основе кремниевых чипов уже достигли своего рабочего пика, а скорость процессоров за последнее десятилетие более или менее стагнирует.
Когда дело доходит до солнечных панелей, перспективы кремния еще меньше. Это связано с тем, что кремний не очень хорошо поглощает свет. Согласно квантовой механике, электроны должны занимать один из ряда четко определенных энергетических уровней. Электроны на более низких энергетических уровнях остаются связанными со своими отдельными атомами. Электроны на более высоких уровнях движутся свободно, что позволяет им проводить ток через материал.
В металлах, таких как медь, энергетические уровни атомов перекрываются, так что электроны могут постоянно свободно перемещаться. В полупроводниках, таких как кремний, электроны необходимо «подталкивать», чтобы достичь более высокого энергетического уровня.
В чипе энергия, необходимая для преодоления этой «запрещенной зоны» и, таким образом, выработки электроэнергии, может подаваться путем подачи внешнего напряжения. В фотоэлектрических элементах эта энергия поступает в виде фотонов света.
Некоторые части спектра, такие как инфракрасный свет, не обеспечивают достаточной мощности, в то время как другие части спектра обеспечивают слишком много энергии. Это означает, что около половины солнечного света тратится впустую.
И это ещё не всё. Кремний, используемый в качестве полупроводника, обладает особенностью, при которой для перехода электронов на более высокий энергетический уровень требуется точное соответствие импульса. Это усложняет процесс и делает менее вероятным. В результате, эффективность кремниевых солнечных панелей оказывается не такой высокой.
Альтернативные полупроводниковые материалы
Прямые полупроводники, в отличие от кремния, имеют, например, теллурид кадмия и арсенид галлия. Однако у этих материалов есть и свои недостатки – элементы, из которых они состоят, дорогие или токсичные, и если их не обрабатывать безопасно, они представляют опасность для окружающей среды.
Кремний на службе у компьютеров
Поиск замены кремнию в компьютерных чипах сталкивается с проблемами. Уже потрачены значительные средства на графен — материал, который не только превосходит сталь по прочности и легкости, но и способен переносить электроны по всей своей поверхности со скоростью, значительно превышающей скорость кремния.
Однако графен сложно производить в необходимых объемах. К тому же, он не функционирует как полупроводник. Идеальным решением было бы преобразовать обычный кремний, который нетоксичен, легко доступен и уже имеет свою промышленную базу, в материал с лучшими свойствами других материалов. Это показывает, что такое преобразование кремния возможно.
Кремний тоже может это сделать
Свойства элементов сильно различаются в зависимости от расположения отдельных атомов. Например, графен представляет собой двумерную решетку углерода. Различное расположение атомов углерода порождает разные формы: то блестящий алмаз, то матовый графит для производства карандашей.
Такие различные формы, или аллотропные модификации, не ограничиваются углеродом. Кремний тоже может это сделать. В нормальных условиях атомы кремния образуют в основном алмазоподобное кубическое расположение. Известно, что существует целый десяток альтернатив кремнию, каждая из которых обладает уникальными и потенциально полезными свойствами.
Улучшение свойств кремния
Тимоти Стробел из Института Карнеги в Вашингтоне входит в число исследователей, работающих над воплощением кремниевых мечтаний в реальность. В 2014 году он и его коллеги объявили, что им удалось создать первую новую аллотропную модификацию кремния, которая может преодолеть проблему запрещенной зоны, просто сжимая ее. Открытие произошло почти случайно: ученые сжали элементарный кремний и натрий вместе, чтобы сформировать блестящий голубоватый кристалл под названием Na4Si24.
Они хотели измерить электрическое сопротивление этого соединения. Для получения точных данных электроды приходилось прикреплять к кристаллу с помощью клея, который требовал нагрева. Они поместили материал в печь и измерили сопротивление. Но результаты оказались неожиданными.
Данные показали, что температуры всего 40 °C были достаточны для удаления ионов натрия из структуры и изменения электрических свойств. Это был неожиданный результат, так как подобные соединения образуют сети кремниевых клеток, из которых более мелкие атомы натрия не могут вырваться наружу даже при высоких температурах.
Но вместо клеток соединение Na4Si24 создавало коридоры, которые позволяли ионам натрия выходить наружу по мере повышения температуры. При нагревании до 100 °C количество натрия упало до менее чем одного атома на тысячу, создав действительно новую аллотропную модификацию кремния Si-24.
Прогресс в солнечной энергетике
Новый материал, близкий к материалу с возможностью прямого перехода запрещенной зоны, открывает новые горизонты для солнечной энергетики. Это позволит создавать более эффективные солнечные элементы, поскольку больше энергии будет достигать движущихся электронов напрямую.
Аллотропная модификация кремния Si24, которую можно производить в больших масштабах, может преобразовывать до 33% солнечной энергии в электричество, что значительно превышает текущий уровень в 25%. Джулия Галли из Чикагского университета обнаружила, что наночастицы аллотропа кремния под названием BC8 могут преобразовать до 42% солнечного света в электричество.
Роль силицена
В феврале 2015 года Деджи Акинванде из Техасского университета в Остине создал первый функциональный транзистор из силицена, одной из самых экзотических форм кремния. Силицен, подобно графену, обладает многими желательными свойствами благодаря своей двумерной структуре.
Несмотря на то, что структура силицена деформируется, его ячеистая гексагональная структура содержит дополнительные несвязанные электроны, которые могут двигаться быстрее, чем в кубической решетке обычного кремния. Это уменьшает тепловыделение и позволяет разместить больше транзисторов в одном пространстве.
Перспективы исследований
Несмотря на то, что это только начало исследований, первый работающий транзистор уже является подтверждением принципа. Однако есть еще ряд препятствий, которые нужно преодолеть, прежде чем эти новые транзисторы смогут появиться в смартфонах.
Например, двумерность силицена, которая позволяет достигать высоких скоростей электронов, приводит к его быстрому распаду. Поэтому транзистор работал всего несколько минут. Кроме того, процесс изготовления сложен и требует вакуумного оборудования и специальных знаний. Но то, что силиценовый транзистор работал, пусть и непродолжительное время, уже является значительным прорывом.
Перспективы использования аллотропных модификаций кремния
Аллотропные модификации BC8 и Si24, обладающие свойством прямого перехода, могут стать ключевыми элементами в развитии будущей электроники. Их использование может открыть путь к интеграции оптических и электронных компонентов в единый чип, что сегодня представляется мечтой.
Такой гибридный чип мог бы передавать сигналы как с помощью света, так и с помощью электронов, что значительно увеличило бы скорость и объем передаваемых данных.
Однако, несмотря на перспективность этих идей, еще слишком рано делать точные прогнозы о том, как новые формы кремния будут использоваться на практике.
Около десяти лет назад профессиональное сообщество с большим интересом отнеслось к возможностям квантовых точек — крошечных кристаллов обычного кремния, в которых квантовая механика сильно проявляется в увеличении поглощения света. Однако, поскольку никому не удалось заставить их производить электроэнергию, интерес к ним заметно снизился.
Если структуры, такие как силицен, BC8 и Si24, окажутся пригодными для производства солнечных батарей и чипов, это усилит веру в дальнейшее использование кремния.
Автор: Tien Nguyen: Super silicon bros. New Scientist, 2015, No 3048, стр. 30-41
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Кремний использовали для создания высокоэнергетичного излучения
Команда исследователей из Техасского университета в Остине и Калифорнийского университета в Риверсайде создала систему из нанокристаллов кремния и органических соединений, которая может поглощать излучение, а затем испускать его на более высоких длинах волн — и наоборот. Технология поможет в лечении рака, создании солнечных батарей и квантовых вычислительных устройств. Статья об этом опубликована в журнале Nature Chemistry.
Кремний — один из самых распространенных материалов на планете и важная составляющая многих применяемых сегодня материалов, начиная от полупроводников в электронных устройствах и заканчивая солнечными элементами. При всех своих способностях, однако, у кремния возникают сложности при преобразовании света в электричество. Этот материал может эффективно преобразовывать фотоны красной области в электричество, но при попадании на него синих фотонов, которые несут в два раза больше энергии, кремний рассеивает большую часть их энергии в виде тепла. Новое исследование открывает способ повысить эффективность работы кремниевых панелей, совмещая его с углеродным материалом, который преобразует синие фотоны в красные. Последние, в свою очередь, кремний может преобразовывать в электричество. Этот гибридный материал можно также настроить для работы в обратном направлении — тогда он будет принимать красный свет и преобразовывать его в синий. Эта технология поможет в лечении рака (высокоэнергетичное излучение способствует образованию свободных радикалов) и в совершенствовании квантовых вычислений. В качестве нужной органической молекулы ученые использовали антрацен. Но простая комбинация этих материалов не позволяет достичь нужного эффекта. Чтобы осуществить необходимый процесс, команда ученых соединила кремний с антраценом с помощью специальных молекул, которые были способные передавать энергию между двумя частями системы.
Затем исследователи направили в раствор целевого соединения лазерный луч. Они обнаружили, что нанокристаллы кремния могут быстро переводить энергию окружающих молекул в триплетное состояние. Затем, благодаря процессу, называемому триплет-триплетным переносом энергии, состояние с низкой энергией преобразуется в высокоэнергетическое. Это приводит к излучению фотона на более короткой длине волны или с более высокой энергией, чем первоначально поглощенная. В ходе экспериментов ученым удалось перевести свет с длиной волны в 488–640 нм в ультрафиолетовое излучение с длиной 425 нм. Другие высокоэффективные процессы такого рода, называемые Ап-конверсией фотонов, ранее основывались на токсичных материалах. Поскольку новый подход использует исключительно нетоксичные материалы, он может найти применение в медицине, биовизуализации и экологически устойчивых технологиях.