Jak powstają tabliczki krzemowe

Jak powstają tabliczki krzemowe?

Z życia serwisanta fotowoltaiki – Jak powstają tabliczki krzemowe do paneli fotowoltaicznych?

Fotowoltaika to technologia, która przekształca światło słoneczne w energię elektryczną, wykorzystując zjawisko fotowoltaiczne. Kluczowym elementem tego procesu są panele fotowoltaiczne, zbudowane z wielu połączonych ze sobą komórek fotowoltaicznych, wykonanych z półprzewodników. Wśród różnych materiałów półprzewodnikowych krzem (Si) jest najbardziej popularny, stanowiąc bazę dla około 90% paneli słonecznych na świecie. Proces produkcji tabliczek krzemowych, które są podstawą ogniw fotowoltaicznych, jest wieloetapowy i technologicznie skomplikowany. Tematy produkcyjne są zdecydowanie w kręgu moich największych zainteresowań. Dzisiaj zatem przyjrzymy się dokładnie, jak powstają tabliczki krzemowe. Od wydobycia surowca, przez jego obróbkę, aż po gotowy produkt, który trafia do producentów paneli.

1. Wydobycie surowego krzemu. Jak powstają tabliczki krzemowe?

Krzem to jeden z najobficiej występujących pierwiastków w skorupie ziemskiej, stanowiący około 28% jej masy. Surowcem wykorzystywanym do produkcji krzemu o wysokiej czystości jest kwarc (SiO2). Jest on wydobywany w kopalniach piaskowca i innych formacjach skalnych. Kwarc zawiera krzem w postaci tlenku krzemu, który musi zostać przekształcony w czysty krzem metalurgiczny.

Proces redukcji kwarcu odbywa się w piecach łukowych, w których krzemionka (SiO2) reaguje z węglem w bardzo wysokiej temperaturze (powyżej 2000°C). To natomiast prowadzi do wytrącenia czystego krzemu i tlenku węgla:

SiO2+2C→Si+2CO

Uzyskany w ten sposób krzem metalurgiczny ma czystość na poziomie około 98-99%. Jest to surowiec, który musi zostać poddany dalszym procesom oczyszczania, aby nadawał się do zastosowań w elektronice i fotowoltaice.

2. Oczyszczanie krzemu do klasy solarnej

Do produkcji paneli fotowoltaicznych niezbędny jest krzem o bardzo wysokiej czystości (tzw. krzem solarny), zawierający zaledwie 1 atom zanieczyszczeń na miliard atomów krzemu (czystość 99,9999%). Oczyszczanie krzemu odbywa się poprzez metodę chemicznej redukcji chlorowców, w wyniku której powstaje czterochlorek krzemu (SiCl4). W kolejnym kroku, czterochlorek krzemu jest poddawany procesowi destylacji frakcyjnej, a następnie redukcji wodorem do krzemu polikrystalicznego:

SiCl4+2H2→Si+4HCl

Po tym procesie uzyskuje się krzem klasy solarnej (Solar Grade Silicon, SGS). Jest on gotowy do dalszej obróbki w kierunku produkcji monokryształów lub krzemu polikrystalicznego.

3. Metoda Czochralskiego: wzrost monokryształów krzemu

Jedną z najczęściej stosowanych metod produkcji monokrystalicznych tabliczek krzemowych jest metoda Jana Czochralskiego. Została wynaleziona przez polskiego naukowca Jana Czochralskiego w 1916 roku. Piszą o nim wiele razy ale możecie też posłuchać o nim w Naszym podcascie na YouTube.

Jak powstają tabliczki krzemowe? Proces ten polega na wzroście pojedynczego kryształu krzemu z roztopionego surowca.

Kroki procesu:

Topienie krzemu: Krzem klasy solarnej jest podgrzewany do temperatury powyżej 1420°C w kwarcowym tygielku, aż ulegnie całkowitemu roztopieniu.
Zarodkowanie kryształu: Do roztopionego krzemu wprowadza się zarodek monokrystaliczny krzemu. Zarodek ten jest powoli wyciągany w górę, jednocześnie obracając się wokół własnej osi.
Wzrost kryształu: W miarę wyciągania zarodka, atomy krzemu z roztopionego surowca krystalizują wokół niego, tworząc coraz większy monokryształ o określonej strukturze. Proces ten jest precyzyjnie kontrolowany, aby uzyskać kryształ o jednorodnej strukturze.

W ten sposób powstaje monokryształ krzemu w formie walca o średnicy od 150 do 300 mm i długości dochodzącej do 2 metrów.

4. Cięcie i formowanie tabliczek krzemowych. Jak powstają tabliczki krzemowe?

Monokryształy krzemu uzyskane metodą Czochralskiego są następnie przycinane na odpowiednie kawałki. Pierwszym krokiem jest cięcie walca krzemowego na płaskie segmenty. Do tego celu używa się pił drutowych, które mogą precyzyjnie przecinać twardy krzem na bardzo cienkie wafle. Grubość wafli krzemowych, które są wykorzystywane w panelach słonecznych, wynosi zazwyczaj od 160 do 200 mikrometrów.

Aby zwiększyć wydajność cięcia, stosuje się często zaawansowane metody takie jak piły diamentowe. Po cięciu, każda tabliczka krzemowa jest poddawana wstępnej obróbce chemicznej i mechanicznej, która usuwa wszelkie nierówności i defekty powierzchniowe. W trakcie procesu cięcia powstają również odpady w postaci pyłu krzemowego, który jest często poddawany recyklingowi i ponownie wykorzystywany w produkcji.

5. Trawienie i oczyszczanie powierzchni

Po cięciu tabliczek krzemowych następuje proces trawienia chemicznego, który ma na celu dalsze oczyszczenie powierzchni oraz nadanie jej odpowiednich właściwości strukturalnych. Trawienie odbywa się w kąpielach chemicznych, najczęściej w roztworach kwasu fluorowodorowego (HF) i azotowego (HNO3), które skutecznie usuwają zanieczyszczenia i wygładzają powierzchnię wafli. W niektórych przypadkach do powierzchni tabliczek dodawane są specjalne tekstury, które poprawiają zdolność absorpcji światła słonecznego, co zwiększa wydajność ogniw fotowoltaicznych.

6. Pakowanie i transport tabliczek krzemowych

Gotowe wafle krzemowe są następnie dokładnie sprawdzane pod kątem wad i zanieczyszczeń. Każda tabliczka musi spełniać rygorystyczne normy jakościowe, aby mogła być wykorzystana w produkcji ogniw fotowoltaicznych. Następnie wafle są pakowane w specjalnie zaprojektowane pojemniki, które chronią je przed uszkodzeniami mechanicznymi oraz zanieczyszczeniami podczas transportu. Zabezpieczone tabliczki krzemowe są wysyłane do fabryk, gdzie zostaną przekształcone w gotowe ogniwa słoneczne.