Silīcija iegūšana ar elektronu kūļa metodi

Ieguldījums tavā nākotnē!

Inovatīvas tehnoloģijas izstrāde solārās kvalitātes silīcija iegūšanai ar elektronu kūļa metodi

Vienošanās Nr.2010/0245/2DP/2.1.1.1.0/10/APIA/VIAA/114

Projekta mērķis 

Projekta vispārīgais mērķis ir solārā silīcija ražošanas efektivitātes paaugstināšana, energoietilpības samazināšana, ekoloģisko piesārņojuma faktoru izslēgšana, kas ļauj sasniegt solārā silīcija ražošanas pašizmaksas samazināšanos un fotovoltisko moduļu plašu pielietošanu. 
Projekta specifiskais mērķis: izveidot inovatīvu silīcija pārstrādes tehnoloģiju, kas patērē mazāk elektroenerģijas un ir ekoloģiski nekaitīga. Tā izmanto energoefektīvu elektronu kūļa karsēšanas metodi, kas ļauj izvairīties no trihlorsilāna ķīmiskā procesa pielietošanas silīcija attīrīšanas un rekristalizācijas gaitā. 

PROJEKTA APRAKSTS 

Projekta realizācijas gaitā paredzēta daudzpusīga polikristāliskā silīcija pārkausēšanas pētījumu veikšana ar praktisku ievirzi, kas ļaus attīstīt elektroniskās rūpniecības silīcija pārpalikumu pārstrādes tehnoloģiju, iegūstot augstas tīrības pakāpes silīciju, kas piemērots solāro elementu ražošanai. Iespējamais inovatīvais problēmas risinājums ir jaudīga elektronu kūļa pielietošana silīcija kausēšanai vakuuma krāsnī un tālākai tiešai materiāla kristalizācijai ar liešanu, kas ļauj iegūt atjaunotu polikristālisku materiālu,  kas tālāk var tikt tieši izmantots solāro paneļu izgatavošanai. Metodes priekšrocība ir procesa tīrība, kas ļauj vienā kamerā veikt visas manipulācijas - gan izkausēšanu, gan materiāla attīrīšanu līdz nepieciešamajai pakāpei ar zonālās pārkausēšanas paņēmienu. Piedāvātā pārkausēšanas metode izslēdz bīstamo silāna savienojumu pielietošanu un tādā veidā ir pilnīgi nekaitīga videi, neizraisa ekoloģiska piesārņojuma draudus, negatīvu iespaidu uz apkārtējo vidi un toksisku risku cilvēkam, kā arī, sakarā ar efektīvo sildīšanas procesu patērē aptuveni 8-10 reizes mazāk elektroenerģijas, nekā tradicionālie silīcija attīrīšanas procesi. Ja šāda tipa tehnoloģija nākotnē tiktu plaši ieviesta ražošanā, solāro elementu izmaksa samazinātos vismaz 5 reizes, kas attiecīgi samazinātu alternatīvi iegūtās enerģijas izmaksu un stimulētu solāro elektromoduļu plašu izplatību. 

Problēmas apraksts

Pašlaik pasaulē no silīcija tiek izgatavoti vairāk kā 90% solāro elementu. Šo elementu salīdzinoši augstā cena un atbilstoši saražotās elektroenerģijas dārdzība  joprojām palēnina saules energētikas plašu ieviešanu ikdienā. Saules enerģētikas konkurences spējas nodrošināšanai iegūstamās elektroenerģijas izmaksas būtu ieteicams samazināt 4-5 reizes.
Pasaules vadošo silīcija ražotāju (Wacker, Siltronics, Q-Cells, BP Solar, Sharp, SunPower Hemlock) pielietotās attīrīšanas tehnoloģijas joprojām ir dārgas galvenokārt lielā energopatēriņa dēļ.
Pasaulē dominējošā tehnoloģija silīcija iegūšanai izmanto šādus tradicionālos pārstrādes procesus.
• metalurģiskā silīcija iegūšana no dabiskā kvarcīta karbotermiskās reducēšanas procesā
• metalurģiskā silīcija pārstrāde gāzveida trihlorsilānā (SiHCl3);
• trihlorsilāna attīrīšana rektifikācijas kolonnās
• trihlorsilāna reducēšana reaktorā ar ūdeņradi (tā sauktais Sīmensa process)
Kopējā silīcija iegūšanas procesa lietderība nepārsniedz 20%, bet pielietotā trihlorsilāna ķīmisko tvaiku metode rada bīstamību apkārtējai videi, jo hlorsilāna savienojumi ir ne vien toksiski cilvēkam, bet arī bīstami korozīvi ražošanas iekārtām un sprādziena bīstami ūdens tvaiku un sālsskābes  atmosfērā.

Projektā paredzēts izstrādāt inovatīvu polikristāliskā silīcija attīrīšanas tehnoloģiju, kas ražošanas procesā patērē aptuveni 8-10 reizes mazāk elektroenerģijas un neizraisa (ekoloģiska piesārņojuma draudus) negatīvu iespaidu uz apkārtējo vidi un toksisku risku cilvēkam. Ja šāda tipa tehnoloģija nākotnē tiktu plaši ieviesta ražošanā, attiecīgi solāro elementu izmaksa samazinātos vismaz 5 reizes, kas attiecīgi samazinātu alternatīvi iegūtās enerģijas izmaksu un stimulētu solāro elektromoduļu plašu izplatību.
Silīcija attīrīšanas tehnoloģiju procesu salīdzinoša ilustratīva diagramma: 

 
Veiktās darbības

Izmantojot dažādas silīcija karbīda (SiC) ieguves metodes, veikti eksperimenti ar mērķi apzināt šīs vielas efektivitāti silīcija reducēšanai no kvarcīta.
Uzsākti silīcija attīrīšanas un pārkausēšanas darbi ar elektronu kūļa metodi, izmantojot kā izejmateriālu metalurģisko silīciju. Pētījumi veikti, mainot pārkausēšanas procesa tehnoloģiskos parametrus. Izmantoti aukstā katoda un termokatoda elektronu lielgabali. Pārkausēšanas process veikts gan augstajā vakuumā, gan arī oksidētāja vidē ar dažādiem tehnoloģiskā procesa parametriem.
Eksperimentālo paraugu analītiskie pētījumi tika veikti, izmantojot masspektrometrijas (ICP-MS, Perkin-Elmer, model ELAN DRC-e), atomabsorbcijas (AAnalyst 200 FAAS), rentgenfluorescences (XRD Bruker S8 Tiger) metodes. Paraugu virsma tika pētīta ar skenējošo elektronmikroskopu SEM Karl Zeiss model EVO 50 XVP, piemaisījumu mikroieslēgumi tika pētīti ar elektronmikroskopu, izmantojot metodi EDS – Energy Dispersive detector for X-rays. Iegūto eksperimentālo paraugu struktūra tika pētīta ar difraktometru X-ray Diffractometer X’pert Pro MPD. Veikti silīcija un silīcija karbīda paraugu Ramana spektru pētījumi, izmantojot Ramana spektrometrus Spex-Ramalog un Advantage 785. Pētīta silīcija paraugu īpatnējās vadāmības atkarība, mainoties dažādiem zonālās un elektronu kūļa pārkausēšanas parametriem.
Pamatojoties uz silīcija paraugu eksperimentālo izpēti izdarīti provizoriski secinājumi par to, ka oksidācijas rafinēšanai (attīrīšanai) ar elektronu kūļa metodi ir priekšrocības, salīdzinot ar vakuuma rafinēšanu (attīrīšanu). Šajā pētījumu etapā izdevies vairākas reizes samazināt piejaukumu daudzumu silīcijā.
Īstenojot projektu, tiek veikti silīcija rafinēšanas (attīrīšanas) procesa stacionārā matemātiskā modeļa izstrādes darbi. Modelī tiek iekļauti eksperimentos iegūtie dati.
Tiek veidots silīcija karbotermiskās attīrīšanas modelis ar pakāpenisku tehnoloģiskā procesa papildparametru ievadīšanu. 

********************************************************************************************* 

Projekta ietvaros līdz 2012. gada aprīlim tika turpināts darbs silīcija attīrīšanas tehnoloģijas eksperimentālā izpētē.
Turpinajās darbs, lai izvēlētos optimālo reducētāju silīcija karbotermiskās pārstrādes procesiem.
Noteikta likumsakarība, ka mainot temperatūru kausēšanas procesā, tehniskajā silīcijā veidojas ievērojams skaits elementu piemaisījumu ieslēgumu.
Noteikta elementu un fāzu sastāva piemaisījumu ieslēgumu ietekme uz multikristāliskā silīcija pamatīpašībām, kurš iegūts no metalurģiskā silīcija ar virzītas kristalizācijas un zonālās kausēšanas metdēm.
Izpētīta multisilīcija, kas iegūts no metalurģiskām izejvielām, ķīmiskā sastāva ietekme uz tā struktūras un elektrofizikālām īpašībām.
Veikto pētījumu ticamība ir pamatota ar iegūto datu līdzību, izmantojot dažādas analīžu metodes: rentgenfluorescences, atomabsorbcijas un masspektrometrijas metodes.

Tika veikta nestehiometriska SiC nanopulvera paraugu sintēze un tā īpašību izpēte.
Tehnoloģijas pamatā ir tieša SiC sintēze no silīcija un oglekļa, kuri atrodas dažādās fāzēs: silīcijs – šķidrā vai tvaika fāzē, bet ogleklis (grafīts) – cietā fāzē. Grafīts iztvaiko augstā temperatūrā (2000°С) un dziļā vakuumā (10-5-10-6 Torr).
Tā kā nebija iznāmi optimālie režīmi silīcija iztvaikošanai, silīcija karbīda sintēzei, temperatūru gradienti, kristālu augšanas ātrums un optimālā konstrukcija aprīkojumam, mēs veicām eksperimentus, lai precizētu augšanas režīmus, mainot silīcija iztvaikošanas temperatūru, SiC sintēzes un kristālu augšanas temperatūru.
Kopā ar Poltavas kvarca stikla rūpnīcas konstruktoriem un speciālistiem mēs veicām izstrādi:
1. Siltummezgla konstrukcijai ar atilstošu ekranējumu.
2. Sintezatora konstrukcijai ar speciāli izstrādātu kasešu izmantošanu, kurās tika iestiprināti kristālu dīgļi  un tika ņemti vērā temperatūru gradienti kā uz asīm, tā arī radiālie, lai nodoršinātu nepieciešamo silīcija karbīda monokristālu augšanas ātrumu.
- Pirms katras kausēšanas tiek veikta izejmateriālu tīrības un piemaisījumu satura kontrole.
- Tiek sastādīta operāciju tehnoloģiskā karte, lai sintezētu silīcija karbīdu ar noteiktu struktūru un īpašībām.
- Ir izstrādāta un tiek izmēģināta siltummezgla shēma, lai nodrošinātu nepieciešamo temperatūru dažādās sintezatora un tīģeļa daļās. Tāda siltummezgla izmantošana nodrošina temperatūru dažādās tīģeļa un sintezatora daļās no 1900 līdz 2100° С

Eksperimentālo paraugu analītiskie pētījumi tika veikti, izmantojot masspektrometrijas (ICP-MS, Perkin-Elmer, model ELAN DRC-e), atomabsorbcijas (AAnalyst 200 FAAS), rentgenfluorescences (XRD Bruker S8 Tiger) metodes.
Paraugu virsma tika pētīta ar skenējošo elektronmikroskopu SEM Karl Zeiss modelis EVO 50 XVP, piemaisījumu mikroieslēgumi tika pētīti ar elektronmikroskopu, izmantojot metodi EDS – Energy Dispersive detector for X-rays.
Iegūto eksperimentālo paraugu struktūra tika pētīta ar difraktometru X-ray Diffractometer X’pert Pro MPD.
Veikti silīcija un silīcija karbīda paraugu Ramana spektru pētījumi, izmantojot LU CFI rīcībā esošās iekārtas.
Pētīti silīcija IS absosrbcijas spektri (spektrometrs EQUINOX-55 un kvarcītu (izejviela silīcija iegūšanai) luminiscences spektri.
Pētīta silīcija paraugu īpatnējās vadāmības atkarība, mainoties dažādiem zonālās un elektronu kūļa pārkausēšanas parametriem.
Projekta ietvaros līdz 2012. gada aprīlim tika turpināts darbs pie silīcija attīrīšanas procesa ar pārkausēšanu elektronu kūļa iekārtā modelēšanas aksiālsimetriskā tuvinājumā, kā arī tika uzsākts darbs pie trīsdimensionāla matemātiskā modeļa izveides un atbilstošajiem aprēķiniem.
 Izmantojot matemātisko modelēšanu tika iegūti rezultāti, kas parāda pie dotajiem iekārtas darbību noteicošajiem parametriem (elektronu kūļa jauda, tīģeļa dzesēšana utml.) raksturīgās kausējuma plūsmas, to ātrumus, turbulentās plūsmas īpašības, temperatūras sadalījumus, siltuma plūsmas blīvumu sadalījumus pie tīģeļa sienām.
Tika izmantoti vairāki robežnosacījumu veidi gan kausējuma brīvās virsmas aprakstam, gan tīģeļa dzesējošās ietekmes aprakstam. Aprēķini tika veikti ar speciālu programmu, kas ir izveidota uz atvērtā koda programmu bibliotēkas OpenFOAM bāzes.
Šīs problēmas apskats tika publicēts žurnālā “Magnetohydrodynamics” (47:369–383, 2011) kā arī tika izveidots un prezentēts stenda referāts konferencei Deutsche Kristallzüchtungstagung 2012 Freibergā, Vācijā. Daļa rezultātu kā mutisks ziņojums tika prezentēti LU 2012. gada zinātniskajā konferencē fizikas sadaļā.
Iegūtie rezultāti tika prezentēti kā stenda referāts LU CFI rīkotajā starptautiskajā konferencē FM&NT  2012. gada aprīlī.

Publikācijas
1.  A. Krauze , A. Muižnieks , K. Bergfelds, K. Janisels , G.  Chikvaidze.  Reduction of silicon crust on the crucible walls in silicon melt purifying processes with electron beam technology by low-frequency travelling magnetic fields.- MAGNETOHYDRODYNAMICS Vol. 47 (2011), No. 4, pp. 369–383.
2. K. Bergfelds, A. Muiznieks, A. Krauze. Modeling of silicon melt purifying process with electron beam technology. – Abstracts. Conference Deutsche Kristallzüchtungstagung 2012, Freiberg, Germany, 7.- 9. March, 2012, p.34.
3.  K. Bergfelds, G. Chikvaidze, A. Muiznieks, A. Krauze. Modelling of Turbulent Silicon Melt Flow in Purifying Process with Electron Beam.- Abstracts. International Conference Functional Materials and Nanotechnologies 2012. April 17 – 20, Riga, Latvia. p.119
4. G. Kolosovska, A. Viksna, G. Chikvaidze, A. Osite. Quantification of impurities in silicon. Abstracts. International Conference Functional Materials and Nanotechnologies 2012. April 17. – 20, Riga, Latvia. p.300. 

 
2012.g.1. maijs – 2012.g. 31. oktobris

Fotoelektrisko pārveidotāju (FEP) ražošanai nav obligāti izmantot monokristālisko silīciju. Silīcija monokristālu audzēšana ir dārgs process. Ar nelieliem efektivitātes zudumiem (ne vairāk kā 2-3%), solārā enerģētikā var izmantot lielgabarīta multikristālisko silīciju, kurā monokristālisko graudu lielumam jābūt ne mazākam kā 2-5 mm.
Kā izejviela multikristāliskā silīcija ražošanā, var tikt izmantots gan polikristāliskais silīcijs, gan attīrīts metalurģiskais silīcijs (UMG-Si). Svarīgi, lai izejviela būtu pietiekami tīra, jo pārkausēšanas procesā, visi piemaisījumi nokļūs multikristālā, tas jūtami pazeminās solārā elementa efektivitāti. Silīcija iegūšanai, kurš paredzēts izmantošanai solārajos elementos (SoG-Si), šajā etapā tika izmantota sārņu rafinēšana.

Darbā tika risināti sekojoši uzdevumi:
- Noteikt optimālās silīcija kvalitātes prasības, kurš tiek iegūts elektrokausēšanas karbotermiskajā procesā – tas ir, noteikt metalurģiskā silīcija derīgumu tālākai rafinēšanai;
- Noteikt silīcija piemaisījumu avotus, ja tas tiek iegūts tiešā kvarcīta reducēšanas procesā rūdu termiskā krāsnī;
- Izpētīt temperatūras gradienta kā kausēšanas procesa tehnoloģiskā pamatparametra ietekmi uz piemaisījumu ieslēgumu veidošanos un sadalījumu lietņa tilpumā;
- Noteikt optimālos parametrus un metalurģiskā silīcija rafinēšanas efektivitāti.

Tika noteikta likumsakarība piemaisījumu ieslēgumu veidošanās tehniskajā silīcijā atkarībā no kausēšanas tehnoloģiskajiem parametriem.
Noteikta piemaisījumu ieslēgumu elementu un fāzu sastāva ietekme uz multikristāliskā silīcija, kurš iegūts no metalurģiskās izejvielas, izmantojot Pirometalurģisko silīcija rafinēšanas metodi, pamatrakturlielumiem.
Izpētīta multikristāliskā silīcija paraugu, kuri iegūti no metalurģiskās izejvielas, ķīmiskā sastāva ietekme uz to struktūru un elektrofizikālām īpašībām.
Veikto pētījumu ticamība ir apstiprināta, salīdzinot datus, kuri iegūti, izmantojot dažādas analīžu metodes: rentgenfluorescences, atomabsorbcijas un masspektrometrijas metodes.

Izvēlētā silīcija attīrīšanas tehnoloģija ļauj ievērojami samazināt piemaisījumu daudzumu sākotnējā silīcijā (izejmateriāls)
Piemēram:
- bora saturs samazinājās  no 82 līdz 9,67 ppma
- fosfora saturs samazinājās  no 40 līdz 18 ppma
- dzelzs saturs samazinājās no 1593 līdz 147 ppma.

Šī silīcija attīrīšanas tehnoloģija padara to piemērotu turpmākai attīrīšanai ar elektronu staru kausēšanas metodi.
Lai iegūto silīciju varētu izmantot solāriem elementiem, tā tīrība jāpaaugstina vēl ne mazāk, ka 100  reizes, sasniedzot 99,999% - 99,9999%.

Šajā darbu posmā mums neizdevās iegūt vienādas kvalitātes visus silīcija stieņus, kuri attīrīti izmantojot elektronu kūļa kausēšanas metodi.
Tehnoloģija ir sarežģīta, tai nepieciešami papildinājumi.
Nozīmīgam skaitam silīcija paraugu īpatnējā pretestība ir 2 - 3 Ω*cm robežās un lādiņnesēju dzīves laiks – vairāk nekā 10 mikrosekundes.
Šie rādītāji atbilst solārā silīcija komerciālo paraugu prasībām.
Dažiem paraugiem iegūts īpatnējās pretestības lielums 160 Ω*cm (mērījumi ar četrzondu metodi), praktiski, tas atbilst elektroniskās kvalitātes silīcijam.

Pārskata periodā, īstenojot projektu, veiktas 182 silīcija un silīcija karbīda eksperimentālo paraugu analīzes.
Eksperimentālo paraugu analītiskie pētījumi tika veikti, izmantojot masspektrometrijas (ICP-MS, Perkin-Elmer, model ELAN DRC-e), atomabsorbcijas (AAnalyst 200 FAAS), rentgenfluorescences (XRD Bruker S8 Tiger) metodes.
Paraugu virsma tika pētīta ar skenējošo elektronu mikroskopu (SEM)  Zeiss EVO, piemaisījumu mikroieslēgumi tika pētīti ar elektronu mikroskopu, izmantojot metodi EDS – Energy Dispersive detector for X-rays.
Iegūto eksperimentālo paraugu struktūra tika pētīta ar difraktometru X-ray Diffractometer X’pert Pro MPD.
Veikti silīcija un silīcija karbīda paraugu Ramana spektru pētījumi, izmantojot LU CFI rīcībā esošās iekārtas.
Pētīti silīcija IS absorbcijas spektri (spektrometrs EQUINOX-55 un kvarcītu (izejviela silīcija iegūšanai) luminiscences spektri.
Pētīta silīcija paraugu īpatnējās vadāmības atkarība, mainoties dažādiem zonālās un elektronu kūļa pārkausēšanas parametriem.
Īpaša uzmanība tika veltīta analītisko metožu attīstībai, kuras ļautu precīzi un atkārtojami noteikt bora un fosfora klātbūtni un daudzumu.
Šie piemaisījumi lielā mērā ietekmē solāro elementu darba efektivitāti.
Tiek izstrādāta metodika paraugu sagatavošanai, izmantojot masspektrometra analīzi, kas ļaus ievērojami samazināt paraugu sagatavošanas laiku un mazinātu risku zaudēt bora saturu paraugu sagatavošanas laikā analīzei.

Mikroramana spektroskopijas izmantošana ļāva identificēt volframa mikropiejaukumus silīcija paraugos, kas koncentrējušies 4 – 5 µm izmēra apgabalos. Mēs uzskatām, ka volframa piejaukumi radušies elektronu lielgabala katoda materiāla izputināšanas rezultātā.
Mūsu pētījumi ļāva veikt izmaiņas tehnoloģijā (tika mainīti elektronu lielgabala darba režīmi) un būtiski uzlabot silīcija attīrīšanas procesu.

Populārākā metode piejaukumu pētīšanai silīcijā ir masspektrometrijas metode. No analītiskajām metodēm tai ir vislielākā jutība. Tomēr tās iespējas ierobežo tas, ka šī metode nosaka vidējo piejaukumu saturu visā silīcija parauga tilpumā.
Masspektrometrs nevar noteikt piejaukumu telpisko sadalījumu paraugā. Šos rezultātus mēs varam iegūt tikai pētot paraugus ar elektronu mikroskopijas vai mikroramana spektroskopijas metodēm.

Jāatzīmē, ka šī piemaisījumu sastāva noteikšanas metode neaizvieto masspektrometrijas metodi.
Tā to papildina un var tikt izmantota pamatā metalurģiskā silīcija (MG-Si) un uzlabotā metalurģiskā silīcija (UMG-Si) pētīšanai, jo tās jutība ir zemāka kā masspektrometrijas metodei.
Taču tai piemīt nenovērtējamas priekšrocības, jo tā ļauj izpētīt piemaisījumu sadalījumu parauga tilpumā (virsmas rentegenkartēšana) un noteikt piemaisījumu centrus ar augstu telpisko izšķirtspēju. To nevar izdarīt lietojot masspektrometru. 

2012.g. 1. novembris – 2013.g. 30. aprīlis

Aktivitāte Nr.1.  Silīcija attīrīšanas tehnoloģijas eksperimentālā izpēte

Veikti turpmākie plānotie eksperimenti tehnoloģijas izstrādei silīcija attīrīšanai ar elektronu kūļa metodi. Pētīta silīcija kausējuma temperatūras ietekme uz attīrīšanas efektivitāti no tādiem piemaisījumiem kā Ti, K, Cr, Sb. Īpaša uzmanība veltīta silīcija attīrīšanai no bora un fosfora piemaisījumiem. Veikta vakuuma un oksidēšanas attīrīšanas režīmu izpēte. Apstrādājot silīcija kausējumu ar skābekli, veidojas piemaisījumu elementu oksīdi ar augstu tvaika spiedienu kā rezultātā tie atdalās no kausējuma. Sistēmā „Bors – Skābeklis” visstabilākais ir B2O3, ar kušanas temperatūru 723К un, atbilstoši tvaiki, kuri atdalās no kausējuma, pilnībā sastāv no B2O3 molekulām. Parādīts, ka silīcija attīrīšana ar oksidēšanas attīrīšanu ir aptuveni par 30% efektīvāka salīdzinot ar attīrīšanu izmantojot kristalizāciju ar Čohraļska metodi. Veikta primārā silīcija attīrīšanas ar elektronu kūļa pārkausēšanas metodi energoefektivitātes novērtēšana solārās tīrības silīcija iegūšanai. Piepildot tīģeli līdz 10 kg ar sākotnējo silīciju, līdz nepieciešamajam tīrības līmenim attīrītu silīciju, iegūst aptuveni 57% no sākotnējā un enerģijas patēriņš aptuveni ir 20 kW*H/ kg.
Turpināti silīcija attīrīšanas procesa pētījumi izmantojot karbotermisko tehnoloģiju. Rafinēšanas procesa realizēšanai izmantota indukcijas krāsns. Silīcija kausēšana veikta pie dažādiem krāsns darbības parametriem ar mērķi noteikt optimālos silīcija reducēšanas režīmus. Tika variēts šihtas sastāvs un reaktīvo gāzu sastāvs, lai iegūtu maksimālu gala produkta iznākumu un nodrošinātu maksimālo silīcija tīrību. Veikts sākotnējais nepieciešamās enerģijas ieguldījuma novērtējums iegūstot silīciju ar karbotermisko reducēšanu, izmantojot mūsu tehnoloģiju. Atkarībā no kausēšanas procesa parametriem, vienam silīcija kilogramam izmanto no 2,8 līdz 5,7 kWh elektroenerģijas.
Izpētīti defekti dažādās silīcija karbīda (SiC) struktūras modifikācijās, ar mērķi, lai atrastu vislabāk atbilstošo SiC politipu turpmākai izmantošanai silīcija reducēšanā. Pētījumi parāda, ka silīcija karbīda raksturīgs defekts ir vairāku politipu vienlaicīga klātbūtne vienā kristālā (piemēram, 3C-SiC un 6H-SiC). Mūsu pētījumi parāda, ka ramana spektri dod iespēju noteikt mikrodefektu klātbūtni SiC un identificēt politipu struktūru, ko grūti izdarīt izmantojot parasto rentgenstruktūranalīzes metodiku.
 

Aktivitāte Nr. 2.  Silīcija tipa solāro materiālu diagnostisko metožu attīstīšana

Uzlabota piemaisījumu noteikšanas metode un modificēta projekta izpildes gaitā izgatavotajiem silīcija paraugiem.
Eksperimentālo paraugu analītiskie pētījumi tika veikti, izmantojot masspektrometrijas (ICP-MS, Perkin-Elmer, model ELAN DRC-e ar palīgiekārtu lāzera ablācijai), izvēlēti nepieciešamie etaloni mērījumiem ar ICP-MS metodi. Paraugu virsma tika pētīta ar skenējošo elektronmikroskopu SEM Zeiss EVO, piemaisījumu mikroieslēgumi tika pētīti ar elektronmikroskopu, izmantojot metodi EDS – Energy Dispersive detector for X-rays.
Izstrādāta paraugu analīzes metodika ar FTIR-spektrometru, pētīti silīcija IS absorbcijas spektri (FTIR spektrometrs Vertex 80v (Bruker, Vācija) .
Ir veikti silīcija paraugu īpatnējās pretestības mērījumi, izmantojot četrzondu metodi. 
Īpaša uzmanība tika veltīta analītisko metožu attīstībai, kuras ļautu precīzi un atkārtojami noteikt antimona klātbūtni un daudzumu.
Tiek veikts darbs paraugu sagatavošanas metodikas izstrādē, izmantojot masspektrometra analīzi, kas ļaus ievērojami samazināt paraugu sagatavošanas laiku un mazinātu risku zaudēt antimona saturu paraugu sagatavošanas laikā analīzei.
Tika veikta detalizēta paraugu analīze, kuri iegūti, izmantojot elektrona-kūļa  metodi.
Tehnoloģijas attīstībai svarīgi ir izpētīt ne tikai piemaisījumu klātbūtni un daudzumu silīcija paraugos, bet arī to sadalījumu parauga tilpumā. Tādēļ silīcija paraugi tika sagriezti atbilstošā veidā un tika pētīts piemaisījumu sadalījums parauga laukumā.
Kā pamatmetode paraugu pētīšanai šajā pētījumu posmā bija Skenējošais elektronu mikroskops ar atpakaļizkliedēto elektronu starojuma režīmu un mikrorentgenfluorescentās analīzes režīmu.

Aktivitāte Nr. 3.  Silīcija attīrīšanas fizikālo procesu matemātiskā modelēšana

Turpināts darbs ar izveidoto programmatūru inovatīvas silīcija pārkausēšanas iekārtas modelēšanai. Veicot gan aksiāli simetriskus, gan 3D aprēķinus un pielietojot viendimensionālu siltuma plūsmas analīzi, tika iegūti nozīmīgi rezultāti: analītiski novērtēts cieta silīcija slāņa biezums atkarībā no kausējuma vertikālā ģeometriskā izmēra.
Sākuma tuvinājumā tiek pieņemts, ka sākumā viss Si ir šķidrs, bet konverģējis aprēķins parāda, ka lielākā daļa Si sacietē. Noteikts ātruma un temperatūras lauks. Kā bija sagaidāms, kausējumā darbojas stipra termiskā konvekcija virzienā no centra uz sāniem  izteiktu temperatūras gradientu dēļ. Konvekcija ļauj pārvadīt lielāku siltuma plūsmu. Tā, savukārt, nokļūstot līdz kušanas/kristalizācijas fāzu robežai, pāriet kušanas siltumā un pārbīda fāzu robežu tālāk  Tomēr ar konvektīvu kustību nepietiek, lai izkausētu visu Si tīģelī – saskaņā ar izveidoto modeli tikai apmēram 40% no tā augstuma var izkust, kas kvalitatīvi un daļēji kvantitatīvi atbilst iepriekšējiem, vienkāršotiem kausējuma hidrodinamikas modeļiem.

Veiksmīgi definēti un atrisināti pirmie praktiskie modelēšanas aprēķini ar  OpenFOAM. Noskaidrots, ka pielietotais matemātiskais modelis ir atbilstošs situācijai — kausējuma plūsma tiešām ir raksturojama kā turbulenta. Aprēķinos izmantotais režģis ir piemērots to veikšanai un rezultāts maz atkarīgs no aprēķina skaitlisko metožu parametriem. Marangoni spēku klātbūtne uz kausējuma virsmas maz ietekmē rezultātu un tos var neņemt vērā.
Noskaidrots, ka aplūkotajā sistēmā silīcija kausējuma plūsma ir vāji izteikta. Lietojot ar ūdeni dzesētu vara tīģeli nebūs iespējams izkausēt visu silīciju, kas tajā ievietots. Izkususī zona, ko šādā sistēmā varēs panākt ir aptuveni 25 mm jeb ceturtā daļa no tīģeļa dziļuma.
Aprēķinātās pilnās siltuma plūsmas caur tīģeļa sienu norāda uz faktu, ka 25 mm kausējuma dziļums būs uzturams ar industrijā lietotajiem 150 kW elektronu lielgabaliem.
 
Aktivitāte Nr. 5.  Publicitātes pasākumi.

1. G.Chikvaidze, N.Mironova-Ulmane, A. Plaude, O.T.Sergeev. Raman scattering analysis of defects in SiC. Abstracts. International Conference Functional Materials and Nanotechnologies 2013. April 21. – 24, Tartu, Estonia.
2. G.Kolosovska, A.Viksna, G.Chikvaidze, V.Rudoviča. Quantification of impurities in solar silicon.  Abstracts. International Conference Functional Materials and Nanotechnologies 2013. April 21. – 24, Tartu, Estonia.
3. K.Surovovs, G.Chikvaidze, K.Bergfelds, A.Muiznieks, A.Krauze. Modelling of Crust Thickness for Silicon Purifying Process with Electron Beam. Abstracts. International Conference Functional Materials and Nanotechnologies 2013. April 21. – 24, Tartu, Estonia.
 

2013.g. 1. maijs – 2013.g. 17. decembris

Projekta "Inovatīvas tehnoloģijas izstrāde solārās kvalitātes silīcija iegūšanai ar elektronu kūļa metodi” ietvaros tika izstrādāta tehnoloģija, kas ļauj pārstrādāt (attīrīt no piemaisījumiem)  zemas kvalitātes (metalurģisko) silīciju  augstas kvalitātes silīcijā, kuru var izmantot  solāro elementu ražošanā. Tehnoloģijas process notiek divos posmos. Pirmajā posmā notiek metalurģiska silīcija kausējuma apstrāde indukcijas krāsnī ar aktīvu šihtu. Vienlaikus notiek silīcija piemaisījumu gāzu ekstrakcija (tehnoloģiskā silīcija kausējuma caurpūte ar aktīvajām gāzēm). Iegūto silīciju galīgi attīra vakuuma iekārtā, izmantojot  elektronu kūļa metodi, parkausējot līdz solārā silīcija kvalitātei.   Oriģinālā elektronu kūļa metode silīcija attīrīšanai ļauj ražot solāro silīciju par 30% lētāk, salīdzinot ar komerciālo silīciju. Veiktie pētījumi parādīja ka no mūsu silīcija ražotiem solāriem elementiem ir augstāka efektivitāte nekā solāriem elementiem, kas izgatavoti no komerciāla silīcija. Šī tehnoloģija ir aprakstīta  iesniegtajā pieteikumā  Eiropas patentam.