Возобновляемые источники энергии неизбежно будут замещать уголь, нефть, газ и уран в производстве электроэнергии, теплоты, жидкого и газообразного топлива. В странах ЕЭС доля ВИЭ в производстве энергии должна возрасти с 6% в 2000 г. до 12% в 2010 г. На Саммите на Окинаве (Япония) в июле 2000 г. лидеры "Большой восьмерки" создали международную специальную группу советников для подготовки решений по достижению существенных изменений в развитии мировой возобновляемой энергетики. В докладе, подготовленном этой группой и утвержденном лидерами "Большой восьмерки" на Саммите в Генуе в июле 2001 г., поставлена задача за десять лет с помощью ВИЭ обеспечить энергией 1.8 млрд. человек в мире, и предложена концепция электрификации сельского хозяйства развивающихся стран.
Одним из видов ВИЭ является «солнечная» энергетика. Темпы роста и планы развития «солнечной» энергетики, которые намечают промышленно развитые страны, впечатляют масштабностью (рис. 1). К 2031 г. в мире планируется иметь совокупную установленную мощность электрогенераторов на солнечной энергии 1700 ГВт (для сравнения: в 2004 г. — 1256 МВт, см. рис. 1, вставка). Если сегодня солнечная энергетика занимает менее 1 % в общемировом балансе произведенной электроэнергии, то к 2040 г. эта доля должна возрасти до 30 %. Стоимость 1 кВт • ч электрической энергии, полученной с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), остается довольно высокой по сравнению с традиционными видами электроэнергии (рис. 2), хотя дальние прогнозы оптимистичны (рис. 2, вставка).
В 2005 г. было произведено ФЭП суммарной мощностью 1656 МВт (в том числе 1500 МВт на кремнии, 165 МВт на других материалах; рост объема производства составил 30% по отношению к 2004 г.). В 2006 г. произведено 2400 МВт (рост производства — 45 %). После 2004—2005 гг. солнечная индустрия стала развиваться быстрыми темпами. Общий валовый доход отрасли (с учетом внутриотраслевых продаж) в 2005 г. составил ~12 млрд долл. США, а общая условно чистая (до уплаты налогов) прибыль — ~2,7 млрд долл. США. В 2006 г. общий валовый доход составил ~ 19 млрд долл. США, а условно чистая прибыль — ~ 5,7 млрд долл. США. Следствием этого бума явился сохраняющийся до настоящего времени дефицит исходного сырья для производства ФЭП.
Первоначально (до 2000—2001 гг.) сырьевой базой солнечной энергетики являлись отходы «электронной» индустрии: некондиционный (off-grade) поликремний, получаемый в цикле производства поликремния электронного качества — куски слитков с повышенным содержанием лимитирующих примесей, например углерода (7—8 % от общего произведенного количества поликремния), а также верхние и нижние конусы выращенных слитков кремния «электронного» качества (~ 10 % от общего количества выращенных кристаллов).
Теперь источники сырья изменились: свыше 60 % общей потребности обеспечивает поликремний, специально произведенный для солнечной энергетики двумя путями:
- по традиционной, но «упрощенной» технологии (либо прутки поликремния, полученные осаждением из трихлорсилана (ТХС) в «сименсовских» реакторах, либо гранулы поликремния, полученные пиролизом моносилана в реакторах вихревого слоя конструкции МЕМС);
- по технологиям, специально разработанным для производства «солнечного» поликремния.
По-прежнему используется некондиционный поликремний «электронного» качества (14 % потребности), а также верхние и нижние конусы и тигельные остатки слитков кремния «электронного» качества (18—20 % от потребляемого количества).
Основные производители поликремния, которым принадлежит свыше 90 % рынка, перечислены в табл. 1, в табл. 1 приведен пример балансового расчета, который производят для оценки потребности в сырье для производства заданного количества ФЭП.


Производство кремния (в тоннах) в период с 2000 по 2005 г.


Баланс производства и потребления (в тоннах поликремния) в солнечной энергетике период с 2000 по 2005 г.


Несмотря на невысокую точность такого расчета, очевидно, что дефицит сырья на рынке, впервые появившийся в 2004 г., в дальнейшем будет расти. Подобные оценки проведены до 2010 г., когда ожидаемый «дефицит» вырастет по разным оценкам до ~8—10 тыс. т (рис. 1).

    Нетрадиционной технологии получения полупроводникового кремния
   Перспективы солнечной энергетики тесно связаны с проблемами разработки новых малозатратных технологий получения поликристаллического кремния для фотоэлектрических преобразователей. В настоящее время основным фактором, определяющим эти перспективы, является уровень научно-технических достижений в области технологии кремния, поскольку более 50% стоимости солнечных кремниевых батарей приходится на исходный материал для изготовления фотоэлектрического преобразователей. Известные современные технологии получения поликристаллического кремния характеризуются как энергоемкие, экологически грязные и малоэффективные периодические процессы, что и определяет высокую стоимость производимого кремния, которая не приемлема для солнечной энергетики.[1] Для успешного конкурирования солнечной энергетики с традиционной производители фотоэлектрического преобразователей потребляли кремний в виде отходов полупроводниковой промышленности по цене 35 USD/кг [2,3]. Это так называемый солнечный кремний, который по содержанию примесей не удовлетворяет требования электронной промышленности. Следует отметить, что в связи с итенсивными темпами развития солнечной энергетики производители солнечных батарей уже в настоящее время испытают дефицит кремния, а цена резко выросла до 100 USD/кг. Прогнозируется, что дефицит солнечного кремния в мире будет нарастать и к 2010 году превысит 32000 тонн. Вопрос обеспечения сырьем для производителей солнечных батарей становится стратегической проблемой. [4] Поэтому усилия ученых и специалистов направлены на разработку и создание высокопроизводительной экологически чистой технологии производства поликристаллического кремния для солнечной энергетики со стоимостью ниже 20-25 долл.США/кг. Однако все попытки получения дешевого кремния находятся на стадии лабораторных исследований, результаты которых пока не удовлетворяют требованиям к солнечному кремнию либо по техническим характеристикам, либо по экономическим показателям. [5]
Разработка нетрадиционной технологии получения полупроводникового кремния, менее энергозатратной по сравнению с общепринятой технологией, базирующейся на собственном сырье и экологически более безопасной, имеет первостепенную важность в сложившихся условиях. Поэтому исследования, целью которых является теоретическая и экспериментальная оптимизация процесса и технологии получения поликристаллического солнечного кремния в реакторе кипящего слоя путем пиролиза моносилана являются актуальными. Для достижения поставленной цели необходимо выяснить закономерности образования твердой фазы при пиролитическом разложении моносилана в кипящем слое мелкозернистых кремниевых частиц и на основе полученных результатов оптимизировать гидродинамические, температурные и концентрационные режимы работы реактора. Этот комплекс задач явился предметом моих научных исследований.
Литература
1. Нашельский А.Я., Пульнер Э.О. Современное состояние технологии кремния для солнечной энергии // Высокочистые вещества. – 1996. - № 1. – С.102-111.
2. Тихонов М.Н., Петров Э.Л., Муратов О.Э. Возобновляемая энергетика: необходимость и актуальность//Экология промышленного производства – 2005 - №4;
3. Наумов А.В. Рынок солнечной энергетики начала ХХI Прогнозы и проблемы// Экология и промышленность России – 2006- №8 – С.28-32
4. Jesse W. Pichel and Ming Yang, Research Analysts, Piper Jaffray. Polysilicon Supply Constraint Limiting Industry Growth, 2005 Solar Year-end Review & 2006 Solar Industry Forecast// http://www.renewableenergyaccess.com/rea/news/story?id=41508
5. Нашельский А.Я., Пульнер Э.О. Современное состояние технологии кремния для солнечной энергии // Высокочистые вещества. – 1996. - № 1. – С.102-111.