Силициум о 3

Содержание

CHEMEGE.RU

1. Положение кремния в периодической системе химических элементов
2. Электронное строение кремния
3. Физические свойства и нахождение в природе кремния
4. Качественные реакции на силикаты
5. Основные соединения кремния
6. Способы получения кремния
7. Химические свойства кремния
7.1. Взаимодействие с простыми веществами
7.1.1. Взаимодействие с галогенами
7.1.2. Взаимодействие с серой и углеродом
7.1.3. Взаимодействие с водородом
7.1.4. Взаимодействие с азотом
7.1.5. Взаимодействие с активными металлами
7.1.6. Горение
7.2. Взаимодействие со сложными веществами
7.2.1. Взаимодействие с щелочами
7.2.2. Взаимодействие с кислотами
7.2.3. Взаимодействие с азотной кислотой

Бинарные соединения кремния — силициды, силан и др.

Оксид кремния (IV)
1. Физические свойства и нахождение в природе
2. Химические свойства
2.1. Взаимодействие с щелочами и основными оксидами
2.2. Взаимодействие с водой
2.3. Взаимодействие с карбонатами
2.4. Взаимодействие с кислотами
2.5. Взаимодействие с металлами
2.6. Взаимодействие с неметаллами

Кремниевая кислота
1. Строение молекулы и физические свойства
2. Способы получения
3. Химические свойства

Силикаты

Положение в периодической системе химических элементов

Кремний расположен в главной подгруппе IV группы (или в 14 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение кремния

Электронная конфигурация кремния в основном состоянии:

+14Si 1s22s22p63s23p2

Электронная конфигурация кремния в возбужденном состоянии:

+14Si* 1s22s22p63s13p3

Атом кремния содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 1 неподеленную электронную пару в основном энергетическом состоянии и 4 неспаренных электрона в возбужденном энергетическом состоянии.

Степени окисления атома кремния — от -4 до +4. Характерные степени окисления -4, 0, +2, +4.

Физические свойства, способы получения и нахождение в природе кремния

Кремний — второй по распространенности элемент на Земле после кислорода. Встречается только в виде соединений. Оксид кремния SiO2 образует большое количество природных веществ – горный хрусталь, кварц, кремнезем.

Простое вещество кремний – атомный кристалл темно-серого цвета с металлическим блеском, довольно хрупок. Температура плавления 1415 °C, плотность 2,33 г/см3. Полупроводник.

Качественные реакции

Качественная реакция на силикат-ионы SiO32- — взаимодействие солей-силикатов с сильными кислотами. Кремниевая кислота – слабая. Она легко выделяется из растворов солей кремниевой кислоты при действии на них более сильными кислотами.

Например, если к раствору силиката натрия прилить сильно разбавленный раствор соляной кислоты, то кремниевая кислота выделится не в виде осадка, а в виде геля. Раствор помутнеет и «застынет».

Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2 NaCl

Видеоопыт взаимодействия силиката натрия с соляной кислоты (получение кремниевой кислоты) можно посмотреть .

Соединения кремния

Основные степени окисления кремния +4, 0 и -4.

Наиболее типичные соединения кремния:

Степень окисления Типичные соединения
+4 оксид кремния (IV) SiO2

кремниевая кислота H2SiO3

силикаты MeSiO3

бинарные соединения с неметаллами (карбид кремния SiC)

-4 силан SiH4

силициды металлов (силицид натрия Na4Si)

Способы получения кремния

В свободном состоянии кремний был получен Берцелиусом в 1822 г. Его латинское название «силиций» произошло от латинского слова «sileх», что означает «кремень». Аморфный кремний в лаборатории можно получить при прокаливании смеси металлического магния с диоксидом кремния. Для опыта диоксид кремния следует тщательно измельчить. При нагревании смеси начинается бурная реакция. Одним из продуктов этой реакции является аморфный кремний.

SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO

Видеоопыт взаимодействия оксида кремния (IV) с магнием можно посмотреть .

Еще один способ получения кремния в лаборатории — восстановление из оксида алюминием:

3SiO2 + 4Al → 3Si + 2Al2O3

В промышленности использовать дорогие алюминий и магний неэффективно, поэтому используют другие, более дешевые способы:

1. Восстановление из оксида коксом в электрических печах:

SiO2 + 2C → Si + 2CO

Однако в таком процессе процессе образующийся кремний загрязнен примесями карбидов кремния, и для производства, например, микросхем уже не подходит.

2. Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом при 1200 °С:

SiCl4 +2H2 → Si + 4HCl

или цинком:

SiCl4 + 2Zn → Si + 2ZnCl2

3. Также чистый кремний получается при разложении силана:

SiH4 → Si + 2H2

При нормальных условиях кремний существует в виде атомного кристалла, поэтому химическая активность кремния крайне невысокая.

1. Кремний проявляет свойства окислителя (при взаимодействии с элементами, которые расположены ниже и левее в Периодической системе) и свойства восстановителя (при взаимодействии с элементами, расположенными выше и правее). Поэтому кремний реагирует и с металлами, и с неметаллами.

1.1. При обычных условиях кремний реагирует с фтором с образованием фторида кремния (IV):

Si + 2F2 → SiF4

При нагревании кремний реагирует с хлором, бромом, йодом:

Si + 2Cl2 → SiCl4

Si + 2Br2 → SiBr4

1.2. При сильном нагревании (около 2000оС) кремний реагирует с углеродом с образованием бинарного соединения карбида кремния (карборунда):

C + Si → SiC

При температуре выше 600°С взаимодействует с серой:

Si + 2S → SiS2

1.3. Кремний не взаимодействет с водородом.

1.4. С азотом кремний реагирует в очень жестких условиях:

3Si + 2N2 → Si3N4

1.5. В реакциях с активными металлами кремний проявляет свойства окислителя. При этом образуются силициды:

2Ca + Si → Ca2Si

Si + 2Mg → Mg2Si

1.6. При нагревании выше 400°С кремний взаимодействует с кислородом:

Si + O2 → SiO2

2. Кремний взаимодействует со сложными веществами:

2.1. В водных растворах щелочей кремний растворяется с образованием солей кремниевой кислоты. При этом щелочь окисляет кремний.

Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2

2.2. Кремний не взаимодействует с водными растворами кислот, но аморфный кремний растворяется в плавиковой кислоте с образованием гексафторкремниевой кислоты:

Si + 6HF → H2 + 2H2

При обработке кремния безводным фтороводородом комплекс не образуется:

Si(тв.) + 4HF(г.) = SiF4 + 2H2

С хлороводородом кремний реагирует при 300 °С, с бромоводородом – при 500 °С.

2.3. Кремний растворяется в смеси концентрированных азотной и плавиковой кислот:

3Si + 4HNO3 + 12HF → 3SiF4 + 4NO + 8H2O

Бинарные соединения кремния

Силициды металлов

Силициды – это бинарные соединения кремния с металлами, в которых кремний имеет степень окисления -4. Химическая связь в силицидах металлов — ионная.

Силициды, как правило, легко гидролизуются в воде или в кислой среде.

Например, силицид магния разлагается водой на гидроксид магния и силан:

Mg2Si + 4H2O → 2Mg(OH)2 + SiH4

Соляная кислота легко разлагает силицид магния:

Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4

Получают силициды сплавлением простых веществ или восстановлением смеси оксидов коксом в электропечах:

2Mg + Si → Mg2Si

2MgO + SiO2 + 4C → Mg2Si + 4CO

Силан

Силан – это бинарное соединение кремния с водородом SiH4, ядовитый бесцветный газ.

Если поместить порошок силицида магния в очень слабый раствор соляной кислоты, то на поверхности раствора образуются пузырьки газа. Они лопаются и загораются на воздухе. Это горит силан. Он образуется при взаимодействии кислоты с силицидом магния:

Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4

Видеоопыт получения силана из силицида магния можно посмотреть .

На воздухе силан горит с образованием SiO2 и H2O:

SiH4 + 2O2 → SiO2 + 2H2O

Видеоопыт сгорания силана можно посмотреть .

Силан разлагается водой разлагается с выделением водорода:

SiH4 + 2H2O → SiO2 + 4H2

Силан разлагается (окисляется) щелочами:

SiH4 + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 4H2

Силан при нагревании разлагается:

SiH4 → Si + 2H2

Карбид кремния

В соединениях кремния с неметаллами — ковалентная связь.

Рассмотрим карбид кремния – карборунд Si+4C-4. Это вещество с атомной кристаллической решеткой. Он имеет структуру, подобную структуре алмаза и характеризуется высокой твердостью и температурой плавления, а также высокой химической устойчивостью.

Карборунд окисляется кислородом при высокой температуре:

SiC +2O2 → SiO2 + CO2

Карборунд окисляется кислородом в расплаве щелочи:

SiC + 2O2 + 4NaOH → Na2SiO3 + Na2CO3 + 2H2O

Галогениды кремния

Хлорид и фторид кремния – галогенангидриды кремниевой кислоты.
SiCl4.

Получают галогениды кремния действием хлора на сплав оксида кремния с углем:

SiO2 + C + Cl2 → SiCl4 + CO

Галогениды кремния разлагаются водой до кремниевой кислоты и хлороводорода:

SiCl4 + 3H2O → H2SiO3↓ + 4HCl

Хлорид кремния (IV) восстанавливается водородом:

SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl

Оксид кремния (IV)

Физические свойства и нахождение в природе

Оксид кремния (IV) – это твердое вещество с атомной кристаллической решеткой. В природе встречается в виде кварца, речного песка, кремнезема и прочих модификаций:

Оксид кремния (IV) – типичный кислотный оксид. За счет кремния со степенью окисления +4 проявляет слабые окислительные свойства.

1. Как кислотный оксид, диоксид кремния (IV) взаимодействует с растворами и расплавами щелочей и в расплаве с основными оксидами. При этом образуются силикаты.

Например, диоксид кремния взаимодействует с гидроксидом калия:

SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O

Еще пример: диоксид кремния взаимодействует с оксидом кальция.

SiO2 + CaO → CaSiO3

2. Оксид кремния (IV) не взаимодействует с водой, т.к. кремниевая кислота нерастворима.

3. Оксид кремния (IV) реагирует при сплавлении с карбонатами щелочных металлов. При этом работает правило: менее летучий оксид вытесняет более летучий оксид из солей при сплавлении.

Например, оксид кремния (IV) взаимодействует с карбонатом калия. При этом образуется силикат калия и углекислый газ:

SiO2 + K2CO3 → K2SiO3 + CO2

4. Из кислот диоксид кремния реагирует только с плавиковой или с газообразным фтороводородом:

SiO2 + 6HF(г) = SiF4 + H2O

SiO2 + 6HF(р-р) → H2 + 2H2O

5. При температуре выше 1000 °С оксид кремния реагирует с активными металлами, при этом образуется кремний.

Например, оксид кремния взаимодействует с магнием с образованием кремния и оксида магния:

SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO

Видеоопыт взаимодействия оксида кремния (IV) с магнием можно посмотреть .

При избытке восстановителя образуются силициды:

SiO2 + 4Mg → Mg2Si + 2MgO

6. Оксид кремния (IV) взаимодействует с неметаллами.

Например, оксид кремния (IV) реагирует с водородом в жестких условиях. При этом оксид кремния проявляет окислительные свойства:

SiO2 + 2Н2 → Si + 2Н2O

Еще пример: оксид кремния взаимодействует с углеродом. При этом образуется карборунд и угарный газ:

SiO2 + 3С → SiС + 2СО

При сплавлении оксид кремния взаимодействует с фосфатом кальция и углем:

3SiO2 + Ca3(PO4)2 + 5C → 3CaSiO3 + 5CO + 2P

Кремниевая кислота

Строение молекулы и физические свойства

Кремниевые кислоты — очень слабые, малорастворимые в воде соединения общей формулы nSiO2•mH2O. Образует колоидный раствор в воде.

Метакремниевая H2SiO3 существует в растворе в виде полимера:

Способы получения

Кремниевая кислота образуется при действии сильных кислот на растворимые силикаты (силикаты щелочных металлов).

Например, при действии соляной кислоты на силикат натрия:

Na2SiO3 + 2HCl → H2SiO3 + 2 NaCl

Видеоопыт получения кремниевой кислоты из силиката натрия можно посмотреть .

Даже слабая угольная кислота вытесняет кремниевую кислоту из солей:

Na2SiO3 + 2Н2O + 2CO2 → 2NaHCO3 + H2SiO3

1. Кремниевая кислота — нерастворимая. Кислотные свойства выражены очень слабо, поэтому кислота реагирует только с сильными основаниями и их оксидами:

Например, кремниевая кислота реагирует с концентрированным гидркосидом калия:

H2SiO3 +4KOH → K2SiO3 + 4H2O

2. При нагревании кремниевая кислота разлагается на оксид и воду:

H2SiO3 → SiO2 + H2O

Силикаты

Силикаты — это соли кремниевой кислоты. Большинство силикатов нерастворимо в воде, кроме силикатов натрия и калия, их называют «жидким стеклом».

Способы получения силикатов:

1. Растворение кремния, кремниевой кислоты или оксида в щелочи:

H2SiO3 + 2KOH → K2SiO3 + 2H2O

Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + H2

SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O

2. Сплавление с основными оксидами:

СаО + SiO2 → CaSiO3

3. Взаимодействие растворимых силикатов с солями:

K2SiO3 + CaCl2 → CaSiO3 + 2KCl

Оконное стекло (натриевое стекло) — силикат натрия и кальция: Na2O·CaO·6SiO2.

Стекло получают при сплавлении в специальных печах смеси соды Na2CO3, известняка CaCO3 и белого песка SiO2:

Кремний

Не следует путать с кремнём — горной породой. Синоним этого термина — Si — имеет и другие значения.

Кремний
← Алюминий | Фосфор →
14 C
Si

Ge
14Si
Внешний вид простого вещества
В аморфной форме — коричневый порошок, в кристаллической — тёмно-серый, слегка блестящий
Поликристаллический кремний (99,9 %)
Свойства атома
Название, символ, номер Кремний/Silicium (Si), 14
Атомная масса
(молярная масса)
а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация 3s2 3p2; в соед. 3s 3p3 (гибридизация)
Радиус атома 132 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 111 пм
Радиус иона 42 (+4e), 271 (−4e) пм
Электроотрицательность 1,90 (шкала Полинга)
Электродный потенциал 0
Степени окисления −4, 0, +2; +4
Энергия ионизации
(первый электрон)
786,0 (8,15) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.) 2,33 г/см³
Температура плавления 1414,85 °C (1688 K)
Температура кипения 2349,85 °C (2623 K)
Уд. теплота плавления 50,6 кДж/моль
Уд. теплота испарения 383 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 20,16 Дж/(K·моль)
Молярный объём 12,1 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки кубическая, алмазная
Параметры решётки 5,4307 Å
Температура Дебая 645 ± 5 K
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) 149 Вт/(м·К)
Номер CAS 7440-21-3
Эмиссионный спектр
14 Кремний
28,085
3s23p2

Кре́мний (Si от лат. Silicium) — элемент четырнадцатой группы (по старой классификации — главной подгруппы четвёртой группы), третьего периода периодической системы химических элементов с атомным номером 14. Атомная масса 28,085. Неметалл, второй по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода). Исключительно важен для современной электроники.

Получение

Свободный кремний получается при прокаливании мелкого белого песка (диоксида кремния) с магнием:

SiO 2 + 2 Mg ⟶ 2 MgO + Si {\displaystyle {\ce {SiO_2 + 2Mg -> 2MgO + Si}}}

При этом образуется аморфный кремний, имеющий вид бурого порошка.

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800 °C в рудотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси — углерод, металлы).

Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей.

  • Очистка в лабораторных условиях может быть проведена путём предварительного получения силицида магния Mg2Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают газообразный моносилан SiH4. Моносилан очищают ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C.
  • Очистка кремния в промышленных масштабах осуществляется путём непосредственного хлорирования кремния. При этом образуются соединения состава SiCl4, SiHCl3 и SiH2Cl2. Их различными способами очищают от примесей (как правило, перегонкой и диспропорционированием) и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом при температурах от 900 до 1100 °C.
  • Разрабатываются более дешёвые, чистые и эффективные промышленные технологии очистки кремния. На 2010 г. к таковым можно отнести технологии очистки кремния с использованием фтора (вместо хлора); технологии, предусматривающие дистилляцию монооксида кремния; технологии, основанные на вытравливании примесей, концентрирующихся на межкристаллитных границах.

Содержание примесей в доочищенном кремнии может быть снижено до 10−8—10−6 % по массе. Более подробно вопросы получения сверхчистого кремния рассмотрены в статье Поликристаллический кремний.

Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым.

В России технический кремний производится «ОК Русал» на заводах в г. Каменск-Уральский (Свердловская область) и г. Шелехов (Иркутская область); доочищенный по хлоридной технологии кремний производит группа «Nitol Solar» на заводе в г. Усолье-Сибирское.

Физические свойства

Кристаллическая структура кремния.

Кристаллическая решётка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твёрдость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Он прозрачен для инфракрасного излучения начиная с длины волны 1,1 мкм. Собственная концентрация носителей заряда — 5,81⋅1015 м−3 (для температуры 300 K).

Схематическое изображение зонной структуры кремния

Электрофизические свойства

Элементарный кремний в монокристаллической форме является непрямозонным полупроводником. Ширина запрещённой зоны при комнатной температуре составляет 1,12 эВ, а при Т = 0 К — 1,21 эВ. Концентрация собственных носителей заряда в кремнии при нормальных условиях составляет около 1,5⋅1010 см−3.

На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нём примеси. Для получения кристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят атомы элементов III группы, таких, как бор, алюминий, галлий, индий. Для получения кристаллов кремния с электронной проводимостью в кремний вводят атомы элементов V группы, таких, как фосфор, мышьяк, сурьма.

При создании электронных приборов на основе кремния используется преимущественно приповерхностный слой монокристалла (толщиной до десятков мкм), поэтому качество поверхности кристалла может оказывать существенное влияние на электрофизические свойства кремния и, соответственно, на свойства созданного электронного прибора. При создании некоторых приборов используется технология, модифицирующая поверхность монокристалла, например, обработка поверхности кремния различными химическими реагентами и её облучение.

  • Диэлектрическая проницаемость: 12
  • Подвижность электронов: 1200—1450 см²/(В·c).
  • Подвижность дырок: 500 см²/(В·c).
  • Ширина запрещённой зоны 1,21 эВ при 0 К.
  • Время жизни свободных электронов: 5 нс — 10 мс
  • Длина свободного пробега электронов: порядка 1 мм.
  • Длина свободного пробега дырок: порядка 0,2—0,6 мм.

Все значения приведены для нормальных условий.

Химические свойства

Гибридизация

Подобно атомам углерода, для атомов кремния является характерным состояние sp3-гибридизации орбиталей. В связи с гибридизацией чистый кристаллический кремний образует алмазоподобную решётку, в которой кремний четырёхвалентен. В соединениях кремний обычно также проявляет себя как четырёхвалентный элемент со степенью окисления +4 или −4. Встречаются двухвалентные соединения кремния, например, оксид кремния (II) — SiO.

Малая активность кремния

При нормальных условиях кремний химически малоактивен и активно реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF4.

S i + 2 F 2 → S i F 4 {\displaystyle {\mathsf {Si+2F_{2}\ {\xrightarrow {}}\ SiF_{4}\uparrow }}}

Такая «неактивность» кремния связана с пассивацией поверхности наноразмерным слоем диоксида кремния, немедленно образующегося в присутствии кислорода, воздуха или воды (водяных паров).

Реакция с галогенами

При нагревании до температуры свыше 400—500 °C кремний реагирует с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal4 и, возможно, галогенидов более сложного состава.

Реакция с кислородом

При нагревании до температуры свыше 400—500 °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO2.

S i + O 2 → 400 − 500 o C S i O 2 {\displaystyle {\mathsf {Si+O_{2}\ {\xrightarrow {400-500^{o}C}}\ SiO_{2}}}}

Процесс сопровождается увеличением толщины слоя диоксида на поверхности, скорость процесса окисления лимитируется диффузией атомарного кислорода сквозь плёнку диоксида.

Получение монооксида кремния

При восстановлении SiO2 кремнием при температурах свыше 1200 °C образуется оксид кремния (II) — SiO.

S i + S i O 2 → t > 1200 o C 2 S i O {\displaystyle {\mathsf {Si+SiO_{2}\ {\xrightarrow {t>1200^{o}C}}\ 2SiO}}}

Этот процесс постоянно наблюдается при производстве кристаллов кремния методами Чохральского, направленной кристаллизации, потому что в них используются контейнеры из диоксида кремния, как наименее загрязняющего кремний материала.

Получение силанов

С водородом кремний непосредственно не реагирует. Cоединения кремния с водородом — силаны с общей формулой SinH2n+2 — получают косвенным путём. Моносилан SiH4 (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:

C a 2 S i + 4 H C l → 2 C a C l 2 + S i H 4 {\displaystyle {\mathsf {Ca_{2}Si+4HCl\ \rightarrow \ 2CaCl_{2}+SiH_{4}\uparrow }}}

Образующийся в этой реакции силан SiH4 содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si2H6 и трисилана Si3H8, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).

Реакция с азотом и бором

С азотом и бором кремний реагирует при температуре около 1000 °C, образуя соответственно нитрид Si3N4 и термически и химически стойкие бориды SiB3, SiB6 и SiB12.

Получение карборунда

При температурах свыше 1000 °C можно получить соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiC (карборунд), который характеризуется высокой твёрдостью и низкой химической активностью.

S i + C → t > 1000 o C S i C {\displaystyle {\mathsf {Si+C\ {\xrightarrow {t>1000^{o}C}}\ SiC}}}

Карборунд широко используется как абразивный материал. При этом, что интересно, расплав кремния (1415 °C) может длительное время контактировать с углеродом в виде крупных кусков плотноспечённого мелкозернистого графита изостатического прессования, практически не растворяя и никак не взаимодействуя с последним.

Кремний растворяет многие металлы

Нижележащие элементы 4-й группы (Ge, Sn, Pb) неограниченно растворимы в кремнии, как и большинство других металлов.

Силициды

При нагревании кремния с металлами могут образовываться их соединения — силициды.

S i + M e → t o C M e n S i m {\displaystyle {\mathsf {Si+Me\ {\xrightarrow {t^{o}C}}\ Me_{n}Si_{m}}}}

Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca2Si, Mg2Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000 °C). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MeSi, Me3Si2, Me2Si3, Me5Si3 и MeSi2. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

Особо следует отметить, что с железом кремний образует эвтектическую смесь, что позволяет спекать (сплавлять) эти материалы для образования ферросилициевой керамики при температурах, заметно меньших, чем температуры плавления железа и кремния.

Некоторые кремнийорганические соединения

Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счёт мостиковых атомов кислорода —О—, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены ещё два органических радикала R1 и R2 = CH3, C2H5, C6H5, CH2CH2CF3 и др.

Получение.

2Zn(C2H5)2+SiCl4=Si(C2H5)4+2ZnCl2

Травление кислотами

Для травления кремния наиболее широко используют смесь плавиковой и азотной кислот. Некоторые специальные травители предусматривают добавку хромового ангидрида и иных веществ. При травлении кислотный травильный раствор быстро разогревается до температуры кипения, при этом скорость травления многократно возрастает.

Травление щелочами

Для травления кремния могут использоваться водные растворы щёлочей. Травление кремния в щелочных растворах начинается при температуре раствора более 60 °C.

Применение

Микроконтроллер 1993 года с УФ стиранием памяти 62E40 европейской фирмы STMicroelectronics. За окошечком виден кристалл микросхемы — кремниевая подложка с выполненной на ней схемой.

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 17 октября 2014 года.

Технический кремний находит следующие применения:

  • сырьё для металлургических производств: компонент сплава (бронзы, силумин); раскислитель (при выплавке чугуна и сталей); модификатор свойств металлов или легирующий элемент (например, добавка определённого количества кремния при производстве трансформаторных сталей уменьшает коэрцитивную силу готового продукта) и т. п.;
  • сырьё для производства более чистого поликристаллического кремния и очищенного металлургического кремния (в литературе «umg-Si»);
  • сырьё для производства кремнийорганических материалов, силанов;
  • иногда кремний технической чистоты и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях;
  • для производства солнечных батарей;
  • антиблок (антиадгезивная добавка) в промышленности пластмасс.

Монокристалл кремния, выращенный по методу Чохральского

Сверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (нелинейные пассивные элементы электрических схем) и однокристальных микросхем. Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.

Монокристаллический кремний — помимо электроники и солнечной энергетики, используется для изготовления зеркал газовых лазеров.

Соединения металлов с кремнием — силициды — являются широко употребляемыми в промышленности (например, электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.). Силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами.

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них.

Широко известен силикатный клей, применяемый в строительстве как сиккатив, а в пиротехнике и в быту для склеивания бумаги.

Получили широкое распространение силиконовые масла и силиконы — материалы на основе кремнийорганических соединений.

Биологическая роль

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 12 февраля 2015 года.

Для некоторых организмов кремний является важным биогенным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных — у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь — подсемейства Бамбуков и Рисовидных, в том числе — рис посевной.

Он также используется для создания клеточных стенок некоторых организмов и является центром реактивности дюжины или около того ферментов, ответственных за «обработку» диатомового кремнезема y некоторых ракообразных .

Кремний встречается во многих растениях, которые необходимы для правильного развития, но не было доказано, что это необходимо для развития всех видов. Обычно его присутствие повышает устойчивость к вредителям, особенно грибам, препятствует их проникновению в ткани растений, насыщенных кремнеземом. Точно так же в случае животных необходимость в кремнии была продемонстрирована для шестилучевых губок, но, хотя это происходит в телах всех животных, это, как правило, не оказывается необходимым для них. У позвоночных это происходит в больших количествах в волосах и перьях (например, овечья шерсть содержит 0,02-0,08% SiO 2 ). Мышечная ткань человека содержит (1—2)⋅10−2 % кремния, костная ткань — 17⋅10−4 %, кровь — 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.

В организме человека

Доказано, что кремний имеет важное значение для здоровья человека, в частности, для ногтей, волос, костей и кожи. Исследования показывают, что женщины в пременопаузе с более высоким потреблением биодоступного кремния имеют более высокую плотность костной ткани, а также, что добавки кремния может увеличить объем и плотность кости у пациентов с остеопорозом.

Организм человека нуждается в 20-30 мг кремния в день. Беременным женщинам, людям после операций на костях и пожилым людям требуется более высокая доза, так как количество этого элемента в органах уменьшается с возрастом. Это происходит главным образом в соединительной ткани , из которой строятся сухожилия, слизистые оболочки, стенки кровеносных сосудов , клапаны сердца, кожа и костно-суставная система. Кремний удаляет токсичные вещества из клеток, предпочтительно воздействует на капилляры, герметизирует их, повышает прочность костной ткани, укрепляет защитные силы организма от инфекций, предотвращает преждевременное старение. Снимает раздражения и воспаления кожи, улучшая её общий вид и предотвращая вялость, уменьшает выпадение волос, ускоряет их рост, укрепляет ногти. Поскольку кремний участвует в формировании костной ткани, обеспечивая эластичность кровеносных сосудов , участвующих в поглощении кальция из рациона и роста волос и ногтей, его дефицит в организме человека может вызвать костные аномалии, общее замедление роста, бесплодие, отсутствие развития и остеопороз. Диоксид кремния в нормальных условиях всегда является твёрдым биоинертным, неразлагаемым веществом, склонным к образованию пыли, состоящей из частиц с острыми режущими кромками. Вредное действие диоксида кремния и большинства силицидов и силикатов основано на раздражающем и фиброгенном действии, на накоплении вещества в ткани лёгких, вызывающем тяжёлую болезнь — силикоз. Для защиты органов дыхания от пылевых частиц используются противопылевые респираторы. Тем не менее, даже при использовании средств индивидуальной защиты носоглотка, горло у людей, систематически работающих в условиях запыленности соединениями кремния и особенно монооксидом кремния, имеют признаки воспалительных процессов на слизистых оболочках. Нормы предельно допустимых концентраций по кремнию привязаны к содержанию пыли диоксида кремния в воздухе. Это связано с особенностями химии кремния:

  • Чистый кремний, равно как карбид кремния, в контакте с водой или кислородом воздуха образует на поверхности непроницаемую плёнку диоксида кремния (SiO2), которая пассивирует поверхность;
  • Многие кремнийорганические соединения в контакте с кислородом воздуха и водяными парами окисляются или гидролизуются с образованием в конечном итоге диоксида кремния;
  • Монооксид кремния (SiO) на воздухе способен (иногда со взрывом) доокисляться до высокодисперсного диоксида кремния.
  1. Указан диапазон значений атомной массы в связи с неоднородностью распространения изотопов в природе.

Примечания

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
  2. 1 2 Химическая энциклопедия: в 5 т. / гл. ред. Кнунянц И. Л.. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 508. — 671 с. — 100’000 экз.
  3. При температуре 0 — К. Баранский П. И., Клочков В. П., Потыкевич И. В. Полупроводниковая электроника. Справочник. — Киев: «Наукова думка», 1975. — 704 с. ил.
  4. J. P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965.
  5. Металлический кремний в ийолитах Горячегорского массива. Архивная копия от 17 июня 2013 на Wayback Machine, Петрология обыкновенных хондритов.
  6. Гринвуд Н. Н. Химия элементов. — 3-е изд. — 2015. — С. 312. — 607 с.
  7. Глинка Н. Л. Общая химия. — 24-е изд., испр. — Л.: Химия, 1985. — С. 492. — 702 с.
  8. Р Смит., Полупроводники: Пер. с англ. — М.: Мир, 1982. — 560 с, ил.
  9. Зи С., Физика полупроводниковых приборов: В 2 книгах. Кн. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984. — 456 с., ил.
  10. Коледов Л. А. Технологии и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебное пособие // 2-е изд., испр. и доп. — СПб.: Издательство «Лань», 2007. — С. 200—201. — ISBN 978-5-8114-0766-8.
  11. Martin, Keith R. Chapter 14. Silicon: The Health Benefits of a Metalloid // Interrelations between Essential Metal Ions and Human Diseases / Astrid Sigel. — Springer, 2013. — Vol. 13. — P. 451–473. — ISBN 978-94-007-7499-5. — DOI:10.1007/978-94-007-7500-8_14.
  12. Jugdaohsingh, R. (Mar–Apr 2007). “Silicon and bone health”. The Journal of Nutrition, Health and Aging. 11 (2): 99—110. PMC 2658806. PMID 17435952.

> Литература

  • Самсонов. Г. В. Силициды и их использование в технике. — Киев, Изд-во АН УССР, 1959. — 204 с. с илл.

44. Свойства поликристаллического кремния

Атомная структура полупроводниковых материалов, в частности кремния, может различаться очень сильно: от строго упорядоченного расположения атомов в монокристаллах до разупорядоченного аморфно­го состояния. Поликристаллический кремний в этом ряду занимает про­межуточное положение. Его химические и физические свойства в значительной степени зависят от структуры, типа и размера зерен, кото­рые в свою очередь сильно зависят от технологии получения материала. Высокая чувствительность свойств поликристаллического кремния к из­менению технологических параметров, с одной стороны, позволяет в ши­роких пределах варьировать свойства материала, а с другой — затрудняет получение материала с воспроизводимыми свойствами. Получение необ­ходимых и главное стабильно воспроизводимых свойств поликристал­лического кремния резко осложняется наличием межзеренных границ (МЗГ).

МЗГ представляет собой регулярное множество дислокаций и свя­зана с локальными искажениями решетки вблизи поверхности раздела внутри поликристалла. Такие локальные искажения приводят к образова­нию оборванных связей. Состояния на МЗГ могут действовать в качестве ловушечных центров, а также центров рекомбинации и рассеяния. Имен­но из-за сильной рекомбинации до настоящего времени не реализованы биполярные транзисторы на поликремнии. Повышенное рассеяние сни­жает подвижность носителей заряда, что ограничивает быстродействие тонкопленочных транзисторов.

Наличие потенциального барьера на МЗГ является причиной нели­нейности характеристик резисторов, изготавливаемых на основе по­ликристаллического кремния. Возникновение потенциального барьера связано с захватом подвижных носителей заряда на состояния МЗГ. При этом уменьшение концентрации носителей заряда в пограничном слое приводит к образованию области пространственного заряда нескомпен­сированных ионизированных доноров или акцепторов (в случае материа­ла п- или р-типа соответственно) и вследствие этого к искривлению зон. Вид зонной диаграммы для случая, когда граница раздела в поликремнии образована кристаллитами п-типа, показан на рис

Так как вклад в проводимость вносят только те электроны, которые в состоянии преодо­леть потенциальный барьер ∆Евс, то среднюю электропроводность о по­ликремния можно записать в виде

где σV — электропроводность основной массы зерна.

∆Еbf и ∆Евс — вы­соты потенциального барьера по отношению к уровню Ферми ЕF и дну зоны проводимости Еc соответственно; Еv — потолок валентной зоны; ∆ЕG ширина запрещенной зоны; <а> — размер зерна

45. Получение тонких пленок поликристаллического кремния. Стандартным методом получения полукристаллических пленок кремния при изготовлении ИС является химическое газофазное осаждение при низком давлении. Обычно используются два вида процессов осаждения при пони­женном давлении: в одном используется 100%-ный силен при давлении в реакторе 25-130 Па, в другом — 20 — 30%-ная смесь силана с азотом при том же давлении. При повышении температуры осаждения более важную роль изминают играть химические процессы не на поверхности подложки, а в газовой фазе, что приводит к образованию рыхлого, беспорядочно осаж­дающегося слоя. Пленки поликристаллического кремния, осаждаемого этим спосо­бом, имеют характерную шероховатость поверхности, что создает про­блемы при проведении последующих технологических операций изготов­ления ИС. Шероховатость исходной поверхности кремниевых слоев мо­жет привести к понижению пробивных напряжений и повышению тун­нельных токов в граничащих с поликристаллическим кремнием диэлек­триках, В результате морфология и рельеф поверхности этих слоев ока­зывают существенное влияние на характеристики приборов, изготовлен­ных на основе тонкопленочных слоистых структур, а также с малыми раз­мерами элементов.

В этой связи практический интерес представляют пленки поликри­сталлического кремния, получаемые кристаллизацией аморфных слоев. Такие пленки являются структурно более совершенными, а их поверх­ность менее шероховатой.

Структура поликремниевых пленок сильно зависит от температуры осаждения и последующих термообработок пленок, а также от вида ле­гирующей примеси. Поликремний может быть легирован путем диффузии, ионной им­плантации или введения легирующих добавок в газовую смесь в ходе осаждения пленок. Все эти методы используются при формировании по­лупроводниковых приборов.

Легирование в процессе осаждения осуществляют за счет добавле­ния в реакционную смесь фосфина, арсина или диборана. При этом диборан вызывает сильное увеличение скорости осаждения, а добавление арсина или фосфина резко снижают ее. Кроме того, при введении леги­рующих добавок уменьшается равномерность толщины осаждаемых пле­нок по поверхности пластины.

Сильно легированный фосфором поликремний травится и окис­ляется быстрее, чем нелегированный. От структуры пленки поликремния

и уровня легирования зависят химические и физические свойства поли­кремния, в частности, оптические свойства, такие как коэффициенты пре­ломления и поглощения.

46. Применение а-Si:Н. Эффективное легирование а-Si:Н открыло ин­тересные возможности для использования этого материала в различных устройствах. Особенно привлекает возможность создания дешевых фо­тоэлектрических устройств большой площади. Основными фо­точувствительными структурами на основе а-Si:Н являются: фоторе­зисторы; элементы с барьером Шоттки; элементы с МДП-структурой; р-i-п структуры; элементы на гетеропереходах; элементы на основе сверхре­шеток.

Солнечные элементы на основе а-Si:Н. Впервые солнечные элементы на основе а-Si:Н были созданы в 1975 г., после чего началось быстрое развитие этой области применения неупорядоченных полупроводников. Важнейшую роль в исполь­зовании а-Si:Н для создания солнечных элементов сыграл тот факт, что оптическое поглощение в а-Si:Н в 20 раз превышает оптическое поглоще­ние в кристаллическом кремнии. Поэтому для существенного поглощения видимого солнечного света достаточно получить пленки а-Si:Н толщиной 0.5 — 1,0 мкм. Кроме того, перспективным является и технологическая возможность получать слои аморфного кремния в виде тонких пленок большой площади. При данной технологии отсутствуют и технические по­тери, связанные с резкой, шлифовкой и полировкой, что имеет место в случае изготовления элементов солнечных батарей на основе монокри­сталлического кремния. Преимущества солнечных элементов на основе а-Si:Н перед аналогичными поликристаллическими кремниевыми эле­ментами связано с более низкими температурами их изготовления (300 °С), что позволяет использовать дешевые стеклянные подложки. К настоящему времени максимальный КПД (12 %) эксперименталь­ных элементов, приготовленных в лабораторных условиях, несколько ни­же КПД кристаллических кремниевых солнечных элементов (≈15 %).

Поглощение излучения в полупроводниках вызывает переход элек­тронов из валентной зоны в зону проводимости, т.е. при этом генериру­ются электронно-дырочные лары. Свободные носители заряда и обус­ловливают фототек в солнечных элементах.

Наибольшей эффективности солнечных элементов удалось до­стичь при использовании р-i-n структур.

47. Модели структуры энергетических зон.

Аморфная структура а-Si:Н налагает ряд ограничений на электронные свойства материала. Полупроводниковые свойства идеальных кристаллических тел хорошо описываются зонной теорией.

В неупорядоченных полупроводниках дальний порядок отсутствует, и потому основные положения зонной теории кристаллов в этом случае оказываются неприменимыми.

Еще в середине 50-гг А.Ф.Иоффе сформулировал эмпи­рическое правило, согласно которому за полупроводниковые свойства в материалах отвечает ближний порядок. В соответствии с этим правилом, если ближний порядок при переходе материала в неупорядоченное со­стояние не изменяется, то в нем сохраняются основные черты плотности состояний соответствующего кристаллического аналога.

Аморфные материалы также имеют нелокализованные состояния, посредством которых электроны и дырки могут свободно двигаться. Од­нако отсутствие дальнего порядка приводит к тому, что для них длина свободного пробега значительно ниже, чем в кристаллическом материа­ле. Длина свободного пробега электрона зависит от энергии. Когда длина свободного пробега становится сравнимой с межатомным расстоянием, носители заряда локализуются. Следовательно, для аморфных полупро­водников имеется некая граница между нелокализованными и локализо­ванными состояниями. В результате в аморфном кремнии существует так называемая щель по подвижности. В настоящее время можно выделить несколько моделей, позво­ляющих удовлетворительно объяснять электрофизические свойства не­упорядоченных материалов.

Наибольшее распространение получили представления, основан­ные на зонной модели распределения энергетических состояний с четко выраженным краем подвижности, разделяющим локализованные состоя­ния на хвостах зон от делокализованных. Эта модель была предложена Моттом.

На основе этих представлений Мотта было разработано несколько моде­лей структуры энергетических зон в неупорядоченных полупроводниках.

В модели Коэна-Фрицше-Овшинского (рис) принимается, что хвосты плотности состояний перекрывают всю запрещенную зону. Состояния в запре­щенной зоне локализованы, причем существуют критические энергии, от­деляющие эти состояния от распространенных состояний в зонах. Эти критические энергии называются порогами подвижности, а область энер­гии между ними — щелью по подвижности.

Согласно Мотгу и Дэвису (рис), хвосты локализованных состоя­ний довольно узкие и распространяются в запрещенную зону на несколь­ко десятых электронвольта. Уровень Ферми закрепляется в узкой зоне компенсированных уровней вблизи середины запрещенной зоны, обязан­ных своим происхождением дефектам случайной сетки атомов, т.е. обо­рванным связям, вакансиям и т.д. В этой модели концепция порогов по­движности сохраняется. Предлагались и другие аналогичные модели, в которых одна зона дефектных уровней заменялась двумя или нескольки­ми зонами, расположенными на приблизительно равных расстояниях по обе стороны от уровня Ферми.

М(Е)

Все перечисленные модели различным образом отражают струк­турные особенности неупорядоченных полупроводников, приводящие к появлению локализованных состояний в запрещенной зоне.

На это месте должен быть рисунок

Рынок поликристаллического кремния

  • Ситуация в России
  • Выводы для России

Основное сырье, которое используется для производства таких панелей называется поликристаллическим кремнием или поликремнием (англ. – Polysilicon).

Кремний — второй по распространённости химический элемент, но он практически не встречается в природе в чистом виде. Поликремний нужной чистоты, пригодной для использования в электронной и солнечной промышленности, нужно выделять, производить с помощью соответствующих химических процессов.

Из полученного сырья (поликремния) выплавляются слитки, которые потом нарезаются на пластины (в РФ этим занимается ООО «Солар Кремниевые технологии»), а из пластин уже изготавливают солнечные элементы, из которых и собирается солнечный модуль. Таков, вкратце, процесс производства кремниевых фотоэлектрических модулей, но на нём мы сегодня останавливаться не будем, речь у нас пойдёт о мировом рынке поликристаллического кремния.

Поскольку поликристаллический кремний – основное сырье для производства солнечных батарей, состояние рынка этого сырья, очевидно, влияет и на развитие солнечной энергетики в целом. Как показано на следующем графике, по мере снижения стоимости других компонентов солнечных панелей, что вызвано, в частности, повышением производительности труда, доля сырья (поликремния) в цене конечной продукции в общем-то растёт.

Рынок поликремния волатилен, но в последние годы колебания происходят в крайне низком ценовом диапазоне.

Как видно на следующем графике, после пика цен 2008 года, вызванного быстрым ростом солнечной энергетики, за которым не поспевали мощности по производству сырья, рынок рухнул, причём, рухнул в десятки раз.

Во второй половине 2017 года произошел небольшой отскок (как мы знаем, в прошлом году солнечная энергетика поставила очередной рекорд роста), однако в 2018 году падение продолжилось.

Вот так иллюстрирует ситуацию один из ведущих производителей поликремния, норвежская компания REC Silicon в своей презентации по итогам деятельности за первые три квартала текущего года:

Резкое падение в июне 2018 года было обусловлено известными китайскими событиями – неожиданным решением властей об изменении политики поддержки развития солнечной энергетики.

Снижение прогнозов развития солнечной энергетики в Китае произошло на фоне роста выпуска поликремния в КНР и грандиозных планов китайской промышленности по строительству новых производственных мощностей. В результате на рынке сложился избыток предложения продукции, способствующий снижению цен.

Сегодня средняя цена на поликремний на рынках вне Китая упала ниже 9,6 доллара за килограмм. При таких ценах компании-производители начинают испытывать явные трудные с обеспечением рентабельности бизнеса. Как сообщает тот же REC Silicon, им приходится реализовывать продукцию в убыток.

Крупнейший мировой производитель поликремния, китайская GCL-Poly, собиралась продать часть своих активов компании Shanghai Electric (сделка не состоялась).

Китай — основной потребитель поликремния, поскольку страна является основным производителем солнечных батарей. Внутреннего производства поликремния в КНР не хватало и не хватает для удовлетворения потребностей своих производителей солнечных модулей.

Однако для стимулирования собственной промышленности, а также по соображениям политического плана Китай некоторое время назад ввел пошлины на американский и южнокорейский поликремний. От этого, в частности, очень сильно пострадала американская Hemlock Semiconductors, крупнейший производитель поликремния в США.

На начало 2018 года основными производителями поликремния в мире были следующие компании:

В первой пятерке помимо трёх китайских производителей находятся германская Wacker Chemie AG и южнокорейская OCI.

В течение ближайшего времени в этом списке произойдут изменения. Дело в том, что несмотря избыток производственных мощностей в мире, Китай не планирует останавливаться. Скажем, Tongwei собирается увеличить мощности по производству поликремния в шесть раз за три года (!) – до 120 тыс. тонн. Это больше, чем у нынешнего лидера GCL-Poly.

Впрочем, и сам лидер, очнувшись от первого шока после решения китайских властей, заявляет о грядущем увеличении производственных мощностей на 60 тысяч тонн (выпускаемой продукции в год).

Китай хочет стать самодостаточным в сфере производства поликристаллического кремния высокой чистоты, то есть практически на 100% замкнуть весь цикл производства солнечных батарей у себя дома.

Таким образом, мировой промышленности по производству солнечных модулей дефицит сырья в ближайшие годы явно не грозит.

Ситуация в России

В России поликристаллический кремний сегодня не производится. С одной стороны, это не очень хорошо, поскольку поликремний – это стратегическое сырье, необходимое не только для солнечной энергетики, но и для электронной промышленности.

С другой стороны, нынешняя конъюнктура рынка ставит под сомнение не только возможность создания новых производств. Как мы видим, даже действующие предприятия с уже амортизированными активами испытывают серьезные трудности. В этом смысле неудача российского проекта по созданию производства поликремния в рамках предприятия «Нитол» в начале текущего десятилетия сегодня выглядит в какой-то степени относительной.

Даже если бы завод был достроен и начал выпускать продукцию, сомнительно, чтобы он смог рентабельно функционировать при нынешней конъюнктуре рынка. В сегодняшней ценовой войне неуверенно чувствуют себя абсолютно все игроки.

Российские требования локализации оборудования для солнечных электростанций предусматривают, что для модулей на основе кристаллического кремния «кремний (в том числе из вторичного сырья) и кремниевые слитки, используемые для производства фотоэлементов, изготовлены на территории Российской Федерации» (Постановление Правительства РФ от 03.06.2008 N 426, ред. от 27.09.2018, Приложение 2). Вклад данного компонента в локализацию оставляет 20%.

Данная формулировка представляется не очень удачной. Во-первых, как сказано выше, поликремний в России не производится. Во-вторых, запасы вторичного сырья в РФ не безграничны, а, возможно, уже и исчерпаны. В-третьих, и это очень важно, современные высокоэффективные модули требуют исходного сырья высокого качества, которое невозможно получить, переплавляя вторичное сырье.

ООО «Солар Кремниевые технологии», входящее в группу «Солар Системс», – это единственное предприятие в России, выпускающее кремниевые моно- и мультикристаллические слитки и пластины на самом современном высокотехнологическом оборудовании. Его специалисты знают не понаслышке, каким должно быть сырье для производства солнечных модулей последнего поколения.

По данным компании, «стандартная технология роста слитков требует сырья высокого качества, и допустимо использование вторичных оборотов в объеме не более 30%, особенно для производства монокристаллических слитков. Изготовление слитков и дальнейшее производство пластин из 100% вторичного кремниевого сырья приводит к нескольким негативным факторам:

1) нестабильности параметров продукции из-за непредсказуемого качества вторичного сырья и возникающей необходимости его дополнительной переработки;

2) нестабильности снабжения исходным сырьем, и, как следствие, ограничению мощности производства из-за сложности закупок вторичного сырья в больших объемах, т.к. оно не является рыночным товаром;

3) снижению выхода годной продукции на 10% относительно средней в отрасли;

4) снижению эффективности фотоэлектрических модулей;

5) задержкам в проектировании и строительстве солнечных электростанций вследствие невозможности точного контроля и прогнозирования параметров фотоэлектрических модулей.

Вышеописанные факторы приводят к значительному увеличению себестоимости кремниевых слитков и пластин, а соответственно, и стоимости фотоэлектрических модулей, и снижению конкурентоспособности продукции завода. Также, как следствие, увеличиваются стоимость и сроки строительства солнечных электростанций».

Выводы для России

Итак, в связи с тем, что на мировом рынке существует избыток поликремния, который продаётся по очень низким ценам, а в России данное сырье не производится, мне представляется, что пункт о кремнии в соответствующем Постановлении целесообразно исключить. Отечественные производители кремниевых пластин/элементов/модулей должны иметь свободную возможность приобретать кремний высокого качества на зарубежных рынках.

Создание производств поликристаллического кремния на территории России «на рыночных условиях» сегодня невозможно. Как мы отмечали, действующие иностранные производства с уже амортизированным (полностью или частично) оборудованием существуют на грани рентабельности.

Гипотетически, создание отечественного производства возможно только на основе «китайского подхода», где государство берет на себя значительную долю рисков проектов и обеспечивает гигантские объемы сбыта продукции с помощью соответствующих целевых индикаторов и поддержки развития солнечной энергетики в стране. опубликовано econet.ru

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта .