Czy na rynku zabraknie krzemu?

Etap pierwszy - redukcja

Pierwszy etap produkcji to redukcja krzemionki węglem w temperaturze 1900°C w piecach łukowych. Zdobycie i wydobycie odpowiedniej krzemionki zazwyczaj nie stanowi problemu, choć gdy potrzebny jest krzem, który nadaje się dla przemysłu elektronicznego – już na tym etapie warto wybrać materiał zawierający jak najmniej zanieczyszczeń w postaci jonów metali. Pod tym samym kątem warto dobrać użyty węgiel. Wymagania technologiczne, takie jak ilość energii i stosowane temperatury nie różnią się specjalnie od innych procesów stosowanych w metalurgii, takich jak np. przy wytopie żelaza.

Otrzymywany w ten sposób krzem (tzw. silicon metal) ma czystość około 98% i kosztuje poniżej 2 dolarów za kg. Całkowita roczna produkcja wynosi ponad milion ton rocznie. Największa część (mniej więcej 2/3) trafia do stopów aluminium. Reszta dzielona jest pomiędzy przemysł chemiczny i hutnictwo, gdzie trafia w formie tak zwanego żelazokrzemu, używanego jako odtleniacz i modyfikator przy produkcji stali. Kilka procent trafia do przemysłu półprzewodników. Co ciekawe, ten sam krzem używany jest w urządzeniach elektronicznych nie tylko w postaci półprzewodników, ale również jako składnik stali transformatorowej.

Etap drugi – oczyszczanie

Aby móc wykorzystać krzem w elektronice krzem trzeba go najpierw oczyścić. Stosowany do produkcji półprzewodników nie może zawierać więcej, niż 0,03ppm zanieczyszczeń. Ze względów technologicznych czystość krzemu stosowanego do produkcji ogniw słonecznych nie jest tak ważna, w związku z czym do niedawna producenci ogniw słonecznych często korzystali z odpadów powstających przy produkcji krzemu wysokiej czystości i zadowalali się materiałem zawierającym do 1ppm zanieczyszczeń. Nie wpływało to na koszty produkcji fotoogniw, jednak odbijało się negatywnie na ich wydajności. Z tego powodu od kilku lat obserwuje się trend do wykorzystywania w ogniwach coraz czystszego krzemu, zawierającego co najwyżej 0,1ppm zanieczyszczeń.

Do oczyszczania krzemu stosowano kiedyś głównie metodę topienia strefowego, w której miejsce podgrzewania kuwety z krzemem było przesuwane w taki sposób, by przesuwała się strefa stopionego materiału. Krystalizujący krzem zawierał mniej zanieczyszczeń niż roztopiony, dzięki czemu zanieczyszczenia koncentrowały się na jednym końcu kuwety. Taka metoda była jednak bardzo energochłonna i została zastąpiona przez tzw. metodę Siemensa, opierającą się na zjawiskach chemicznych. Oczyszczony w ten sposób krzem polikrystaliczny, który opuszcza fabrykę to jedna z najczystszych dostępnie komercyjnie substancji. Jej cena wynosi około 40-50 dol. za kilogram.

Etap trzeci - krystalizacja

Potrzebne w elektronice monokryształy produkowane są zazwyczaj już bezpośrednio przez producenta układów scalonych lub fotoogniw. Dwa główne sposoby produkcji to metoda Czochralskiego i metoda topienia strefowego. Ta druga nazywa się identycznie jak opisywana wcześniej metoda czyszczenia krzemu, ale różni się geometrią stosownego układu. W metodzie Czochralskiego w tyglu z roztopionym krzemem zanurza się zarodek, a następnie powoli wyciąga go do góry, często dodatkowo obracając. Wadą tej metody jest łatwość, z jaką dochodzi do zanieczyszczenia krzemu tlenem. Wynika to m.in. z powodu rozpuszczania się w roztopionym krzemie ścianek kwarcowego tygla. Trzeba pamiętać, że krzem topi się w 1414°C, a proces hodowli kryształu trwa wiele godzin. Niestety, w metodzie topienia strefowego trudniej jest wyprodukować kryształ o dużej średnicy, a takie właśnie płytki preferowane są przez producentów elektroniki. Dzięki dużym rozmiarom w jednym przebiegu i z jednej płytki uzyskuje się więcej gotowych układów scalonych, co zmniejsza koszt produkcji jednostkowego elementu.

Monokryształ jest już wart kilkaset dolarów za kilogram. Następny etap to jego cięcie na płytki o grubości rzędu 0,2mm i polerowanie. W procesie tym znacząca część monokryształu zostaje zniszczona, a powstający pył zanieczyszczony opiłkami z używanych do cięcia pił włosowych. Tak przygotowane płytki trafiają już albo bezpośrednio do fotoogniw, albo do linii technologicznych produkujących układy scalone.

Warto pamiętać, że o ile do produkcji układów scalonych niezbędny jest podkład monokrystaliczny, do ogniw fotoelektrycznych można zastosować łatwiejszy do uzyskania krzem polikrystaliczny. Główna różnica w produkcji polega na tym, że proces krystalizacji można prowadzić bezpośrednio w dużych tyglach, wolno chłodząc roztopiony krzem. Wprawdzie odbija się to później na wydajności ogniw, ale koszt produkcji jest znacznie mniejszy. Co więcej, lepsze jest wykorzystanie materiału. Monokryształ – niezależnie od metody otrzymywania – jest walcem, który można pociąć na okrągłe płytki. Ponieważ okrągłymi płytkami nie da się pokryć żadnej zwartej powierzchni, zazwyczaj obcina się ich krawędzie, tak by uzyskać kształt możliwie zbliżony do kwadratu – ścinki trzeba zagospodarować osobno. Krzem polikrystaliczny zestala się w tyglach o kształcie zbliżonym do prostopadłościanów, dzięki czemu nie istnieje potrzeba przycinania go, a odpadów jest znacznie mniej.

Producenci czystego krzemu

Sumaryczna produkcja czystego krzemu, który nadaje się do zastosowań w elektronice, wynosi w tej chwili około 30 tys. ton rocznie. Na rynku liczy się praktycznie siedmiu producentów – Hemlock Semiconductor, Wacker Chemie, REC Silicon, Tokuyama, MEMC Electronic Materials, Mitsubishi Group i Sumitomo Metal Industries – w kolejności według udziałów w rynku. Z tej siódemki trzej pierwsi zapewniają ponad 62% światowych dostaw ultraczystego krzemu i dzięki dokonywanym przez nich inwestycjom w najbliższym czasie ich dominacja ulegnie prawdopodobnie wzmocnieniu. W latach 2008 i 2009 dzięki rozbudowie fabryk Hemlocka, REC i Wackera na rynku powinno się pojawić dodatkowe 20 tys. ton krzemu.

Hemlock Semiconductor i REC Group to firmy amerykańskie. Trzeci z głównych producentów – Wacker Chemie – to firma niemiecka. REC Group o tyle różni się od konkurencji, że nie tylko zajmuje się wytwarzaniem czystego krzemu (REC Silicon), ale również jest liczącym się graczem na rynku ogniw słonecznych (REC Solar).

W związku z coraz większą popularnością fotoogniw do produkcji czystego krzemu przymierzają się również inne firmy.

Ciągle mało

W związku ze wzrastającym zapotrzebowaniem na krzem do produkcji fotoogniw możliwości produkcyjne są za małe w stosunku do popytu. Zwłaszcza rok 2007 może się okazać trudny, bo inwestycje mające na celu zwiększenie możliwości produkcyjnych zmienią sytuację w znaczący sposób dopiero w 2008 roku. Wprawdzie prognozy gospodarcze przewidują spowolnienie tempa wzrostu produkcji elementów półprzewodnikowych i układów scalonych w latach 2007 i 2008, jednak nie oznacza to zmniejszenia zapotrzebowania na czysty krzem ze strony producentów, a co najwyżej utrzymanie go na tym samym poziomie. Dopóki nie ruszy produkcja w nowych instalacjach, sytuacja nie ulegnie zmianie.

W ciągu najbliższych kilku lat może się jednak okazać, że zapotrzebowanie na krzem wcale nie będzie rosło w dramatycznym tempie. Używane w tej chwili do produkcji fotoogniw płytki z krzemu mają około 0,2 mm grubości i produkowane są przez pocięcie na plastry dużego bloku. Jest to trudne, drogie i wiąże się z dużymi stratami czystego materiału, tymczasem fotoogniwa mogą być znacznie cieńsze i zrobione z krzemu napylanego na podłoże. Wprawdzie technologia cienkowarstwowa ciągle jeszcze jest w powijakach, jednak pewnego dnia może spowodować rewolucję w przemyśle ogniw słonecznych, pozwalając na wielokrotnie większą produkcję przy wykorzystaniu tej samej ilości krzemu. Nie można też zapomnieć o tym, że testowane są również inne materiały na fotoogniwa, jednak do momentu ich ewentualnego wprowadzenia do produkcji minie znacznie więcej czasu.

Fabryka w Polsce?

Firma Hemlock planuje, oprócz trwającej rozbudowy istniejących zakładów, budowę zupełnie nowej fabryki. Decyzja o jej lokalizacji jeszcze nie zapadła. Na obecnym etapie pod uwagę brane są cztery państwa, w tym – jako jedyna w Europie – Polska. Wstępnie wiadomo, że w Polsce grę wchodzą dwie lokalizacje – Ostrołęka i Płock. Budowa pochłonęłaby 1,5 do 2 mld dol. i zagwarantowała 600 miejsc pracy bezpośrednio przy produkcji, plus około 1,5 tys. w zakładach współpracujących.

Jednakże realizacja projektu stoi pod znakiem zapytania. Planowana fabryka będzie miała gigantyczne zapotrzebowanie na energię elektryczną. Jeśli fabryka powstanie pod Ostrołęką, stanie się odbiorcą 95% prądu produkowanego w Zespole Elektrowni Ostrołęka – co oznaczałoby konieczność odcięcia od produkowanego tam prądu znaczącej części odbiorców we wschodniej Polsce, a nawet w Warszawie. W okolicach Płocka nie ma elektrowni, jednak ze względu na istnienie Rafinerii Płockiej gotowe są linie przesyłowe, umożliwiające dostarczanie energii z innych części kraju. Tak czy inaczej, niezbędną energię elektryczną trzeba gdzieś wyprodukować i wcale nie jest pewne, że wymagające pilnych modernizacji polskie elektrownie uporają się z tym problemem. Dodatkowym utrudnieniem będą zmniejszone limity emisji dwutlenku węgla, przyznane Polsce przez Komisję Europejską. Już w tej chwili mówi się o tym, że limit na 2007 rok może uniemożliwić utrzymanie tempa rozwoju naszej gospodarki, a prognozy na następne lata nie wyglądają lepiej.

Marcin Borkowski