Исходным сырьем для производства поликристаллического кремния является диоксид кремния (кремнезема). Кремнезем широко распространен в природе в виде песка, кварца и глины. Для получения поликремния солнечного качества рассматривается несколько различных подходов:

- традиционные подходы, основанные на переводе металлургического кремния в форму трихлорсиланов и моносиланов с последующей очисткой и восстановлением;
- подходы, основанные на доочистке металлургического кремния до необходимой чистоты;
- подходы, основанные на получении кремния из особо чистого кварца путем его восстановления с последующей доочисткой.

 

Наиболее распространенным является первый из приведенных подходов. Первая стадия получения поликристаллического кремния заключается в реализации карботермического восстановления диоксида кремния в дуговой печи при температуре около 2100°К. В результате получается технический (металлургический) кремний.

В настоящее время, наиболее распространенным является метод производства поликремния с использованием процесса и реактора Сименс (Siemens). Сименс-процесс – это процесс химического осаждения поликремния из газовой фазы (chemical vapore deposition, CVD). В этом процессе U-образные слитки поликремния получают водородным восстановлением трихлорсиланов (ТХС) при высокой температуре. При этом поликремний осаждается на стержни-затравки, помещеные в Сименс-реактор  имеющий охлаждаемый куполообразный корпус.

В 2008 году различные модификации Сименс-процесса использовались более чем на 90% действующих мощностей по производству поликремния. К таким производителям относятся Hemlock, Wacker Chemie, Italy MEMC, Tokuyama Soda и др.
Необходимо отметить, что, несмотря на свою распространенность и отлаженность техпроцесса, Сименс-процесс является очень энергозатратной технологией. Кроме того, использование в качестве промежуточного сырья ТХС связано со значительными экологическими рисками производства. Класс опасности ТХС согласно классификации ООН – 4.3. В связи с этим существуют определенные ограничения по расположению таких предприятий и удаленности их от населенных пунктов.

Для нивелирования представленных недостатков Сименс-процесса на протяжении многих лет ведутся разработки различных альтернативных технологий получения поликремния. К таким подходам относится процесс производства поликремния в реакторах кипящего слоя (Fluidized Bed Reactor, FBR), постепенно наращивающий долю рынка (Рис. 5). При этом основными преимуществами его является экономия времени и энергии, а, следовательно, снижение себестоимости конечного и увеличение конкурентной способности произведенного поликристаллического кремния. Активно развиваются в данном секторе рынка поликристаллического кремния такие компании как MEMC USA (США), REC (Норвегия), UCC, Wacker Chemie (Германия) и др.

 

Альтернативой распространенным «хлорным методам» получения поликремния выступает технология прямой очистки технического (металлургического) кремния с получением улучшенного металлургического кремния (Metallurgical Grade). На сегодняшний день более 20 компаний работают в этом направлении. Среди них такие как Elkem Solar (Норвегия), Dow Corning (Бразилия), Timminco (Канада) и др. Необходимо отметить, что в настоящий момент альтернативные технологии занимают достаточно малую часть рынка, однако согласно прогнозным ожиданием (Рис. 5) доля произведенного по данным технологиям поликремния будет расти впечатляющими темпами. 

 

 

Производство поликристаллического кремния для нужд солнечной энергетики неуклонно растет. Так если потребление в 2006 году кремния в данном секторе энергетики составило более 23 тыс. тонн, то в 2008 – более 46 тыс. тонн. При этом такой показатель как расход кремния на Вт установочной мощности за тот же период снизился с 10 до 8.7 г/Вт. Такая динамика полностью отвечает росту установленных мощностей солнечных модулей и систем. При этом ожидаемый в 2009 году рост производства кремния солнечного качества составит более 30 % по сравнению с 2008 годом (до значения 70 тыс тонн/г). Таким образом, наблюдавшийся до 2007 года дефицит кремния для нужд фотовольтаики был полностью погашен в 2008 году. Открытие же новых предприятий (подобные планы озвучены такими компаниями как DC Chemical (Корея), LDK (Китай), Нитол (РФ)) приведет к перенасыщению рынка, что является особенно очевидным в связи с наблюдаемым падением роста устанавливаемых мощностей солнечной энергетики.

Сегодня стоимость одного килограмма поликристаллического кремния «солнечного качества» осталась практически на уровне 2006 года и достигает суммы в 200 долларов. Однако ожидаемое перенасышение рынка неизбежно должно привести к снижению стоимости данного материала.

• Нитол Солар (Усолье-Сибирское, Иркутской обл.) — Мощности по производству ТХС 10000 т/год.
• ОАО «Химпром» (Новочебоксарск, Чувашия, входит в группу «Ренова») — Мощности по производству ТХС 5000 т/год.

На стадии развития находится еще один проект по производству ТХС - ОАО «Силан», г. Данков, Липецкой обл. Инвестиционный проект подразумевает вертикально интегрированного производства элементов солнечной энергетики. Проект представляет собой модернизацию цеха ТХС на базе мощностей ОАО «Силан» (Данковский химический комбинат, Липецкая обл.).

 

На момент начала 2009 года в РФ реально действует 2 предприятия по выпуску поликремния:

• Нитол Солар * — в январе 2008 г. запущена пилотная линия по производству поликремния мощностью 200 тонн. Проектная мощность (к 2010 г.) — 3700 тонн.
• "Горно-химический комбинат"* (ГХК, г. Железногорск, Красноярский край) — промышленное производство (200т) запущено в сентябре 2008 г. Планируемая мощность завода - 2000 тонн к 2011-12 г.г.

На стадии проекта находятся целый ряд возможных призводителе поликристаллического кремния:

• Русский кремний» (Абакан, Хакассия, компания БАЗЭЛ) — Планируемая мощность завода - 3000 тонн к 2010 г.
• ОАО «Химпром» (Новочебоксарск, Чувашия) — планируемая мощность производства поликремния для солнечной энергетики — 5000т к 2011 г.
• «Солнечная Энергия» (ОАО «Силан», г. Данков, Липецкой обл.) — Проект включает запуск  (в 1-2-м квартале 2009 г.) завода по производству поликремния на базе мощностей ОАО «Силан» (Данковский химический комбинат, Липецкая обл.).

 

Планируемая мощность производства - 1000т поликремния с перспективой увеличения до 2500т.

• Балтийская Кремниевая Долина» (г. Сосновый Бор, Ленинградской обл.) — проект производства поликремния по технологии, использующей облучение в ядерных реакторах. Планируемая мощность – 5000т поликремния к 2012 г.
• ОАО «Химпром» (Волгоград) — планируемая мощность производства поликремния — 2500т к 2011 г.
• Кемеровский «Химпром» (компания Сибконкорд)— планируемая мощность производства поликремния — 3000т к 2010 г.
• Томский проект (Томская ОЭЗ) — создание производства поликремния в рамках Томской особой экономической зоны.

Ситуация на Российском рынке монокристаллического кремния (пластин) практически не изменилась с 2006 года. Все предприятия работают на давальческом сырье, так как нет исходного материала – поликристаллического кремния. В основном поставщиками для российских заводов поликристаллического кремния являются иностранные партнеры. Таким образом, получается, что отечественное выращивание монокристаллов кремния – часть зарубежной цепочки производства солнечных батарей.

Крупнейшим производителем монокристаллического кремния является Подольский Химико – металлургический завод, мощность которого рассчитана на производство 37 тонн монокремния в месяц или 444 тонн в год .