Diplom — osn (2)


Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова"
Рег. №____________ Кафедра «Материалы микро-,
опто- и наноэлектроники»
Абрамов Виталий Евгеньевич
Проект цеха по производству мультикремния для солнечных элементов
дипломная работа
по специальности 150601.65
"Материаловедение и технология новых материалов"
Заведующий кафедрой ММОНЭ
проф., д.т.н.Р.Х. Акчурин
Научный руководитель
доцент, к.х.н.Н.И. Батырев
Консультанты:
по экономической части:
проф, д.э.н.С.Ю. Ягудин
по экологической части:
к.х.н., доцентИ.А. Роздин
ДипломантВ.Е. Абрамов
Москва 2012
Содержание
Введение........................................................................................................3
1. Теоретическая часть...........................................................................................5
1.1. Принцип работы солнечного элемента.....................................................5
1.2. Выбор материала для создания солнечных элементов...........................11
1.3. Технология мультикремния.......................................................................16
1.3.1. Получение поликристаллического кремния водородным восстановлением трихлорсилана.........................................................................17
1.3.2. Получение поликристаллического кремния карботермическим методом...................................................................................................................28
1.3.3. Получение мультикремния методом направленной кристаллизации......................................................................................................36
2. Проектная часть.................................................................................................42
2.1. Расчёт состава основного и вспомогательного оборудования для получения мультикремния.............................................................................42
2.2. Расчёт материального баланса..................................................................49
2.3. Разработка технологической планировки цеха по производству мультикремния.......................................................................................................51
3. Экономическая часть........................................................................................56
4. Охрана труда......................................................................................................68
5. Экология производства.....................................................................................91
Выводы.........................................................................................................96
Литература...................................................................................................97

Введение
Актуальность представленной тематики обусловлена высокими темпами развития солнечной энергетики и расширением географии использования фотоэлектрических систем. Изменение рыночных цен на энергию с учетом возмещения скрытых издержек, связанных с ее производством и использованием, станет одной из крупнейших проблем ближайших десятилетий. В министерстве энергетики США предсказывают, что уже в 2015 г. электроэнергия, производимая с помощью солнечной батареи, станет дешевле, чем электроэнергия, полученная из невозобновляемых источников, и, главное, цена на нее не будет расти.
В связи с тем, что стоимость традиционных источников энергии стремительно растет, в настоящее время в регионах без стационарной сети электропитания вместо дизельных электрогенераторов все чаще применяют ФЭС. Методика использования в нашей стране ФЭС уже давно разработана для всех районов, в т.ч. для Сибири и Дальнего Востока. Это не только позволяет снизить экологическую нагрузку на экосферу, но и экономически выгодно.
Наиболее используемым материалом для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии в настоящее время является кремний. Его широкое применение обусловлено достаточно большой шириной запрещённой зоны и практически неограниченными природными запасами. Из него изготавливается более 90% полупроводниковых устройств. Сейчас возобновляемые источники дороги, но, по мере их развития и совершенствования, будет неизбежно снижаться их себестоимость. Тенденция развития материалов для солнечной энергетики показывает, что основным материалом для производства ФЭС на ближайшее будущее становится структурно-неоднородный кремний (поликристаллический, аморфный и, особенно, мультикремний), а не более дорогой монокристаллический, как было ранее. В стоимости каждого КВт*ч электроэнергии 90% составляет цена материала, необходимого для производства ФЭС.
В данной работе спроектирован цех для получения мультикремния солнечного качества и показана его экономическую эффективность. Работа состоит из теоретической, проектной, экономической и экологической частей. В теоретической части показаны основные принципы работы солнечного элемента и методы производства кремния для его производства, проведено сравнение технологии и сделан вывод в пользу получения кремния карботермическим восстановлением. В проектный части работы рассчитан материальный баланс и показан проект цеха полного цикла для получения мультикристаллического кремния из кварцевого песка. В экономической части рассчитано количество работников цеха, эффективность цеха, найдена точка безубыточности предприятия. В экологической части рассмотрены меры защиты окружающей среды, персонала, и материального имущества на производстве, а также перечислены действия, необходимые в случае возникновения ЧС про производстве.

1. Теоретическая часть
1.1. Принцип работы солнечного элемента
Простейшая конструкция солнечного элемента на основе монокристаллического кремния показана на рис. 1 [1] .

Рис.1. Простейшая конструкция солнечного элемента: 1 - свет(фотоны), 2 - фронтальный контакт, 3 - n-слой, 4 - слой p-n перехода, 5 - p-слой, 6 - задний контакт.
Тонкая пластина состоит из двух слоев кремния, p и n типа. Внутренний слой представляет собой чистый монокристаллический кремний, обладающий дырочной проводимостью (p-тип). Снаружи он покрыт очень тонким слоем n-кремния. Это необходимо для того, чтобы носители заряда не терялись из-за рекомбинации в приповерхностном сильнолегированном слое. Расстояние до p-n перехода должно быть меньше глубины проникновения света (определяется по формуле 1/α, где α-длина световой волны) На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт. У границы n- и p- слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход. Большинство современных солнечных элементов обладают одним p-n-переходом.
Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом. Когда солнечный элемент освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электронно-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область (рис.2) [2].

Рис.2. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода: а) - в начальный момент освещения, б) - изменение зонной модели под действием постоянного освещения и возникновение фото-ЭДС.
Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис. 2,а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой - положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. 2,б). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой - положительному.
Движение избыточных носителей заряда зависит от того, где они возникают, т.е. в каком месте поглощается свет. Если он поглощается в р-области, то электронно-дырочные пары, находящиеся на расстоянии меньшей от диффузионной длины р-n-перехода, смогут достигнуть его.
Длина диффузии определяется по формуле [2]:
1диф= QUOTE * t, (1)

где D - коэффициент диффузии, t - время жизни.
Рекомбинация носителей заряда, когда свободный электрон непосредственно переходит из зоны проводимости в валентную зону, т. е. заполняет дырку в ковалентной связи атомов (прямая рекомбинация), маловероятна. Причиной этого является редкость события, при котором электрон и дырка находились бы одновременно в одном и том же месте кристалла и имели бы небольшую скорость. Основную роль в рекомбинации носителей заряда играют так называемые центры рекомбинации - ловушки, имеющие в запрещенной зоне энергетические уровни, способные захватить электроны. Процесс рекомбинации с участием ловушки протекает в две стадии: свободный электрон вначале переходит на уровень ловушки, а затем в валентную зону.
Центрами рекомбинаций могут быть примесные атомы, дефекты кристаллической решетки, расположенные в объеме или на поверхности кристалла. Т.е. снижение количества дефектов увеличивает время жизни носителей заряда.
Потенциальный барьер р-n-перехода способствует переходу электронов (неосновных носителей заряда в р-область). Электроны сваливаются в потенциальную яму. Соответственно, если излучение поглощается в n-области, то через р-n-переход могут пройти только дырки (не основные носители заряда в n-области). Если же излучение поглощается в области объемного заряда, то электроны переносятся электрическим полем в n-область, а дырки в р-область. Таким образом, электрическое поле р-n-перехода разделяет избыточные носители заряда.
Поскольку из обеих областей через р-n-переход уходят только не основные носители заряда, то можно считать, что они увеличивают обратный ток р-n-перехода.
В большинстве случаев практических применений, излучение воздействует на структуру перпендикулярно плоскости р-n-перехода.
Фотогальванический эффект - возникновение электрического тока при освещении образца-полупроводника или диэлектрика, включённого в замкнутую цепь (фототок), или возникновение ЭДС на освещаемом образце при разомкнутой внешней цепи (фото-ЭДС) (рис.3) [2].
Рис.3. Вольтамперная характеристика p-n перехода: Ф=0 - темновой ток, Jкз - ток короткого замыкания, Vxx - напряжение холостого хода.
Освещенный р-n-переход используется в двух режимах работы:
. В режиме генерации фото-ЭДС. (режим холостого хода, т.е. без нагрузки, при котором проявляется собственно фотогальванический эффект), рис.4 [2] ;

Рис.4. Режим генерации фото-ЭДС: Ф-поток фотонов.
2). В фотодиодном режиме, схематически показанном на рис.5 [2].

Рис.5. Фотодиодный режим включеия: Ф-поток фотонов, Rн — нагрузка.
Во втором случае под действием источника напряжение в цепи фотодиода, включенного в непроводящем направлении, в отсутствие напряжения течет небольшой температурный ток. В этом случае фотодиод ничем не отличается от обычного диода. При освещении диода поток неосновных носителей заряда через p-n переход увеличивается. Увеличивается также и ток во внешней цепи, определяемый напряжением источника и световым потоком, падающим на диод. Фототок суммируется с обратным тепловым током.
В режиме генерации фото-ЭДС фотоприемник работает как солнечный элемент, а фотосигнал представляет собой напряжение, возникающее на клеммах фотодиода под действием излучения.
В режиме разомкнутой цепи, когда ток равен нулю, на концах полупроводника возникает разность потенциалов U, называемая фото-ЭДС.
Значение фото-ЭДС пропорционально скорости генерируемых пар, т.е. числу пар, создаваемых светом в одном сантиметре кубическом полупроводника в 1 секунду. Это значит, что фото-ЭДС пропорциональна интенсивности света. Кроме того, значение фото-ЭДС зависит от диффузионных длин неосновных носителей заряда.
Основными характеристиками фотоэлемента являются: интегральная чувствительность, коэффициент полезного действия, частотные и температурные характеристики.
По определению, интегральная чувствительность K выражается формулой:
К = Lкз/Ф, (2)
где Lкз - фототок, проходящий при замыкании концов перехода, через нагрузочное сопротивление, Ф - световой поток.
Значения К полупроводниковых элементов в настоящее время лежат в широком интервале от 600 до 20000 мкА/Лм.
Спектральная характеристика есть ничто иное, как зависимость фототока от длины волны падающего света при постоянном световом потоке, который условились принимать равным 1Лм.
Следует отметить, что фотоэлементы являются инерционными приборами, поэтому значение фото-ЭДС значительно уменьшается с увеличением частоты световых импульсов. Это ограничивает использование фотоэлементов для преобразования лишь постоянных световых сигналов в электрические.
Коэффициент полезного действия солнечной батареи зависит от многих факторов. Его теоретическое значение определяется зонной структурой полупроводника (шириной запрещенной зоны, присутствием или отсутствием непрямых переходов). Максимальные теоретические значения КПД составляют около 25% при Eg= 1.4 - 1.5 эВ, поэтому основными материалами для изготовления солнечных батарей является кремний и арсенид галлия.
1.2. Выбор материала для создания солнечных элементов
Кремний (Si) - химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер - 14.
По распространенности в природе он занимает второе место, уступая только кислороду. Он составляет 27,6 % массы земной коры.
В природе кремний встречается в виде окислов (кремнезем (Si02)n), различных силикатов (солей кремниевых кислот). Кристаллический кремний - темно-серое с металлическим блеском, тугоплавкое, хрупкое кристаллическое вещество, обладающее незначительной проводимостью.
В химических соединениях кремний четырехвалентен. Кремний устойчив ко многим кислотам, нерастворим в воде, но легко растворяется в горячих растворах щелочей, а также в смеси фтористо-водородной и азотной кислот. Почти со всеми металлами кремний образует силициды.
Кремний обладает сравнительно высокой температурой плавления и в расплавленном состоянии отличается высокой химической активностью. Поэтому возникают большие трудности с подбором тигельного материала при выращивании монокристаллов. Наиболее чистые материалы (кварц и графит), из которых обычно изготавливают тигли и нагревательные элементы, при высоких температурах взаимодействуют с кремнием. Физико-химические свойства кремния приведены в табл.1 [16].
Таблица 1.
Основные свойства кремния.
№ п/п СВОЙСТВО ЗНАЧЕНИЕ
ОПТИЧЕСКИЕ
1 Диапазон пропускания, мкм 1,2÷1,5
2 Показатель преломления, n 1,4223 (1=5мкм)
3 Потери на отражение, % 46,2
4 dn/dT, К-1 160*10-6
5 dn/dµ = 0, мкм 10,4
6 Коэффициент поглощения, см 1*10-3
ФИЗИЧЕСКИЕ
7 Параметр решетки, a (300K), нм 0,543072
8 Плотность, Pтв/Pж , г/см3 2,33/2,53
9 Температура плавления, Тпл, К 1688
10 Ширина запрещенной зоны, Eg300K ,эВ 1,12
11 Энтальпия плавления, ∆Н, кДж/моль 46,47
12 Энтропия, ∆S0 298K, Дж/моль*К 18,84
13 Подвижность носителей заряда. см2/В*с: 480
Дырок, Up электронов, Un 1450
14 Коэффициент теплопроводности при 273К, Вт/м*К 162,3
15 Коэффициент термического расширения, К-1 4,15*10-6
16 Удельная теплоемкость, Дж/(кг*К) 800
ХИМИЧЕСКИЕ
17 Растворимость В воде не растворим
18 Молекулярный вес 28,09
19 Структура алмаза
От очистки кремния зависит возможность его применения для создания солнечных элементов. Различают:
- Кремний электронного качества (т. н. «электронный кремний») — наиболее качественный кремний с содержанием кремния свыше 99,999 % по весу, более высокими показателями по времени жизни (свыше 25 мкс), используемый для производства твердотельных электронных приборов, микросхем и т. п. Удельное электрическое сопротивление кремния электронного качества может находиться в интервале примерно от 0,001 до
150 Ом*см, но при этом величина сопротивления должна быть обеспечена исключительно заданной примесью т. е. попадание в кристалл других примесей, хотя бы и обеспечивающих заданное удельное электрическое сопротивление, как правило, недопустимо. Основная масса кристаллов кремния электронного качества является т.н. "бездислокационными кристаллами", т. е. плотность дислокаций в них не превышает 10 см-2.
- Кремний солнечного качества (т. н. «солнечный кремний») — кремний с содержанием кремния свыше 99,99 % по весу, со средними значениями времени жизни неравновесных носителей и удельного электросопротивления (до 25мкс и до 10 Ом*см), используемый для производства фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей);
- Технический кремний — блоки кремния поликристаллической структуры, полученного восстановлением из чистого кварцевого песка; содержит 98 % кремния, основная примесь — углерод, отличается высоким содержанием легирующих элементов — бора, фосфора, алюминия; в основном используется для получения поликристаллического кремния; в 2006—2009 гг. в связи с дефицитом кремниевого сырья солнечного качества предпринимались попытки использования этого материала для производства кристаллического кремния солнечного качества: для этого производилась доочистка технического кремния путём дробления по межкристаллитным границам и стравливания примесей, концентрирующихся на границах, затем производилась перекристаллизация одним из вышеупомянутых способов).
Монокристаллический кремний получают с помощью метода Чохральского, и очень часто его используют и для производства солнечных элементов. Меж тем, этот метод достаточно дорог в производстве, а для солнечных элементов монокристаллы кремния не обязательно. Достаточно использовать более дешёвый вариант: столбчатую структуру монокристаллов, так называемый "мультикремний".
Степень необходимой чистоты кремния для производства солнечных элементов на основе мультикремния (до 16,5% в полевых условиях, до 23% в лабораторных) представлена ниже:
Доноры (P, As, Sb)< 1,5*1013
Акцепторы (B, Al)< 5*1012
Углерод (С)< 2,5*1016
Металлы (Fe, Ti, Cr, Ca, Na) < 7*1014
Общее удельное сопротивление (Ом*см) по донорам >100, по акцепторам >1000.
Значения необходимых нам удельных сопротивлений и времени жизни представлены в табл. 2 [14].
Таблица 2.
Характеристики кремния, полученного методом Чохральского и методом Бриджмена
Характеристика Метод Чохральского Метод Бриджмена Минимальное значение, удовлетворяющее условиям создания солнечного элемента
Удельное сопротивление, Ом*см 0,001...150 0,5…3
(->10) 0.5-20
Время жизни неосновных носителей заряда, мкс >25-50 8-10
(->25) >5
(теор. >2)
В силу кратной дешевизны производства мультикремния по сравнению с монокристаллическим кремнием по методу Чохральского, мы выбираем для производства солнечных элементов мультикристаллический кремний.
К мультикремнию относят прямоугольные блоки поликристаллического кремния, получаемые в больших тиглях (контейнерах) прямоугольной формы методом направленной кристаллизации (методом Бриджмена). При кристаллизации температура расплава кремния в тигле (контейнере) по высоте постепенно понижается тем самым кристаллиты растут в одном направлении постепенно разрастаясь и вытесняя более мелкие кристаллиты. Размер зерна поликристалла выращенного таким образом может достигать в сечении перпендикулярном направлению роста 5-10 мм. Получившиеся блоки обрезают для удаления краевых участков, содержащих частицы тигля-футеровки, а полученный блок разрезают на призмы квадратного сечения с размерами 100х100 мм, 125х125 мм, 150х150 мм, 170х170 мм, 200х200 мм в зависимости от используемой технологии.
Эффективность солнечных элементов, изготовленных из пластин, вырезанных по нормали к оси столбчатых кристаллов, в настоящее время составляет 16%, а в опытных образцах достигла 22% , то есть приближается к эффективности элементов на основе монокристаллического кремния при значительно более низкой себестоимости (25%) [33].

1.3. Технология мультикремния
Как отмечено в п. 1.2, для производства фотоэлектрических преобразователей пригоден крупноблочный мультикристаллический кремний, структура которого включает монокристаллические зерна размером не менее 2…5 мм (рис.6) [4].


□2...5

□100/125/150...400


Рис.6. Схематическое изображение монокристаллических блоков в мультикремнии.
Время жизни и удельное сопротивление такого материала должны составлять >2мкс и >100 Ом*см соответственно. Сырьем для мультикристаллического кремния может служить как поликристаллический кремний, полученный из технического методом водородного восстановления трихлорсилана, так и кремний, полученный методом карботермического восстановления [13]. Ниже представлены оба этих метода, и проведено сравнение их экономической эффективности и технологичской сложности.
Промышленное производство мультикремния включает два этапа: получение очищенного поликристаллического кремния как исходного материала и переработка его методом направленной кристаллизации (методом Бриджмена) с требуемыми параметрами. Рассмотрим последовательно эти этапы.
1.3.1. Получение поликристаллического кремния водородным восстановлением трихлорсилана
Метод основан на последовательности операций:
1. Получения технического кремния,
SiС(гв) + Si02 (тв) -» Si(тв) + Si02(г) + СО(г) (3)
2. Перевода технического кремния в легколетучее соединение (трихлорсилан),
Si(тв) + ЗНСl(г) -» SiHCl3(г) + Н2 (г) (4)
3. Очистки трихлорсилана,
4. Восстановлении трихлорсилана,
SiHC13(г) + Н2 (г) = Si(тв) + ЗНСl(г) (7)
5. Проверка качества полученного поликристаллического кремния.
Последовательность операций представлена блок-схемой на рис.8.
Получение технического кремния. Исходным сырьем для большинства изделий микроэлектронной промышленности служит электронный кремний. Первым этапом его получения является изготовление сырья, называемого техническим (металлургическим) кремнием.

Рис.7. Схематическое изображение получения технического кремния в электродуговой печи.
Этот технологический этап реализуется с помощью дуговой печи с погруженным в нее электродом. Печь загружается кварцитом Si02 и углеродом в виде угля, щепок и кокса (рис.7) [3].
Температура реакции Т = 1800°С, энергоемкость W = 13 кВт/час. В печи происходит ряд промежуточных реакций. Результирующая реакция может быть представлена в виде реакции:
SiС(гв) + Si02 (тв) -» Si(тв) + Si02(г) + СО(г) (3)
Исходное сырьё (кварц)
Технический кремний
Восстановление в электродуговой печи


Разделение хлорсиланов
Очистка ТХС
Очищенный ТХС
Синтез хлорсиланов (перевод Si в легколетучие соединения)





Восстановлении ТХС

Поликристаллический Si

Рис.8. Блок-схема 1: получение поликристаллического кремния восстановлением трихлорсилана.
Получаемый таким образом технический кремний содержит 98%
Si, 1-2 % Pb, Аu, В, Р, Са, Cr, Сu, Mg, Мn, Ni, Тi, V.

Получение трихлорсилана. Классическая технология поликристал-лического кремния основана на процессе водородного восстановления трихлорсилана, восстановления тетрахлорида кремния цинком и пиролиза моносилана, Большую часть кремния (около 80%) получают путем водородного восстановления трихлорсилана (ТХС).
Достоинства этого процесса - легкость и экономичность получения ТХС, эффективность очистки ТХС, высокое извлечение и большая скорость осаждения кремния (извлечение кремния при использовании тетрахлорида кремния составляет 15%, а при использовании ТХС - не менее 30%), меньшая себестоимость продукции.
Трихлорсилан обычно получают путем гидрохлорирования кремния: взаимодействием технического кремния с хлористым водородом или со смесью газов, содержащих хлористый водород, при температуре 260-400°С.
Процесс синтеза трихлорсилана сопровождается побочными реакциями образования тетрахлорида кремния и других хлорсиланов, а также галогенидов металлов, например А1С13, ВС13, FeC13 и т.д. Реакции получения хлорсиланов кремния являются обратимыми и экзотермическими (с выделением теплоты):
Si(тв) + ЗНСl(г) -» SiHCl3(г) + Н2(г) (4)
Si(тв) + 4НСl(г) -» SiCl4(г) + 2Н2(г) (5)
При температуре выше 300°С ТХС в продуктах реакций почти полностью отсутствует.
Для повышения выхода ТХС температуру у процесса снижают, что приводит к значительному замедлению скорости реакции (5). Для увеличения скорости реакции (4) используют катализаторы (медь, железо, алюминий и др.). Так, например,при введении в исходный кремний до 5 % меди содержание ТХС в смеси продуктов реакции при температуре 265 °С доходит до 95 %.
Синтез ТХС ведут в реакторе «кипящего» слоя, в который сверху непрерывно подают порошок технического кремния с размером частиц 0,01-1 мм.
Псевдоожиженный слой частиц толщиной 200-600мм создают встречным потоком хлористого водорода, который поступает в нижнюю часть реактора со скоростью 1-8 см/с. Этим самым обеспечивается перевод гетерогенного химико-технологического процесса из диффузионной в кинетическую область.
Так как процесс является экзотермическим, то для стабилизации режима в заданном интервале температур осуществляют интенсивный отвод теплоты и тщательный контроль температуры на разных уровнях псевдоожиженного слоя. Кроме температуры контролируют расход хлористого водорода и давление в реакторе.
Значительное влияние на выход ТХС оказывает присутствие примесей воды и кислорода в исходных компонентах. Эти примеси, окисляя порошок кремния, приводят к образованию на его поверхности плотных слоев Si02, препятствующих взаимодействию кремния с хлористым водородом и соответственно снижающих выход ТХС.
Так, например, при увеличении содержания Н20 в НС1 с 0,3 до 0,4 % выход ТХС уменьшается с 90 до 65 %.
В связи с этим хлористый водород, а также порошок кремния перед синтезом ТХС проходят тщательную осушку и очистку от кислорода.
Образующаяся в процессе синтеза ТХС парогазовая смесь поступает в зону охлаждения, где ее быстро охлаждают до 40 — 130 °С, в результате чего выделяются в виде пыли твердые частицы примеси (хлориды железа, алюминия и др.), которые вместе с частицами не прореагировавшего кремния и полихлоридов (SinC12n+2) затем отделяются с помощью фильтров.
После очистки от пыли (являющейся взрывоопасным продуктом) парогазовая смесь поступает на конденсацию при температуре — 70 °С. Происходит отделение SiHC13 и SiC14 (температуры кипения 31,8 и 57,2 °С соответственно) от водорода и НС1 (температура кипения 84 °С).
Полученная в результате конденсации смесь состоит в основном из ТХС (до 90-95 %), остальное — тетрахлорид кремния, который отделяют затем ректификацией. Выделяемый в результате разделения тетрахлорид кремния в дальнейшем используют для производства силиконов, кварцевого стекла, а также для получения трихлорсилана путем дополнительного гидрирования в присутствии катализатора.
На практике существуют и ситуации, когда ТХС получают как отходы производства на соседних химических производствах.
Очистка трихлорсилана. Получаемый ТХС содержит большое количество примесей, очистка от которых представляет сложную задачу. Наиболее эффективным методом очистки является ректификация, однако осуществить полную и глубокую очистку от примесей, имеющих различную физико-химическую природу, применяя только ректификацию, сложно. В связи с этим для увеличения глубины очистки по ряду примесей применяются дополнительные меры.
Так, например, для примесей, трудно очищаемых кристаллизационными методами (бор, фосфор, углерод), необходима наиболее глубокая очистка ТХС. Поэтому для повышения эффективности очистки эти микропримеси переводят в нелетучие или комплексные соединения. Для очистки от бора, например, пары ТХС пропускают через алюминиевую стружку при 120 °С. Поверхность стружки, поглощая бор, приводит к почти полной очистке от него ТХС. Побочно образующийся хлорид алюминия далее возгоняют при температуре 220 — 250 °С, а затем отделяют фракционной конденсацией
Кроме алюминия могут быть использованы серебро, медь или сурьма. Добавка меди к алюминию позволяет одновременно очищать ТХС от мышьяка и сурьмы. Повысить эффективность очистки от бора позволяет также введение в ТХС пента- или оксихлоридов фосфора. При этом образуются нелетучие комплексные соединения фосфора с бором, которые затем отделяют ректификацией.
Перевод бора в нелетучие соединения может быть также осуществлен путем добавления в ТХС трифенилхлорметана (или триметиламина, ацетонитрила, аминокислоты, кетона и т. д.), приводящего к образованию с бором комплексов, которые затем удаляют ректификацией. Очистку от борсодержащих примесей осуществляют также адсорбцией в реакторах, заполненных алюмогелем или другими гелями (Fe203, Mg(OH)2) с последующей ректификацией ТХС.
Для очистки от фосфора ТХС насыщают хлором с переводом трихлорида фосфора в пентахлорид.
Контроль чистоты получаемого после очистки ТХС осуществляют методами ИК-спектроскопии, хроматографии, а также измерением типа и величины проводимости тестовых образцов кремния, получаемых из проб ТХС.
Тестовый метод существует в двух модификациях. В соответствии с первой на лабораторной установке осаждением из газовой фазы получают поликристаллический стержень кремния диаметром 10-20 мм. Далее из него бестигельной зонной плавкой выращивают контрольный монокристалл, по типу проводимости и удельному сопротивлению которого судят о чистоте ТХС.
Для определения концентрации доноров проводят один проход зоны в аргоне или вакууме и получают монокристалл n-типа, по удельному сопротивлению которого судят о чистоте по донорам (удельное сопротивление по донорам); для определения концентрации бора приводят 5 — 15 проходов зоны в вакууме, в результате чего получают монокристалл р-типа, по удельному сопротивлению которого судят о чистоте по бору (удельное сопротивление по бору).
По второй модификации тестового метода монокристалл кремния выращивают непосредственно из газовой фазы на монокристаллический стержень в миниатюрном кварцевом реакторе и далее измеряют его удельное сопротивление.
Остаточное содержание микропримесей в ТХС после очистки не должно превышать, % : бора — 3*10-8, фосфора —10-7, мышьяка 5*10-10, углерода (в виде углеводородов) — 5*10-7.
По электрическим измерениям тестовых образцов остаточное содержание доноров должно обеспечивать удельное сопротивление кремния п-типа не менее 5000 Ом*см, а по акцепторам у кристаллов р-типа — не менее 8000 Ом*см.
Восстановление очищенного трихлорсилана и в результате этого получение поликристаллического кремния проводят в атмосфере водорода на поверхности разогретых кремниевых стержней-основах диаметром 4-8 мм (до 30 мм), получаемых методом выращивания с пьедестала(рис.9 ) [15].
Уравнение происходящей реакции выглядит так:
SiHC13(г) + Н2(г) = Si(тв) + 3НСl(г) (6)
В некоторых технологиях вместо цилиндрических стержней используются пластинчатые (толщиной 1-5 мм и шириной 30-100 мм) с большей площадью осаждения. Материалом для выращивания стержней служит высококачественный полукристаллический кремний.
В некоторых технологиях вместо цилиндрических стержней используются пластинчатые (толщиной 1-5 мм и шириной 30-100 мм) с большей площадью осаждения. Материалом для выращивания стержней служит высококачественный поликристаллический кремний.

Рис.9. Схема установки восстановления трихлорсилана.
Поверхность стержней-основ подвергают ультразвуковой очистке, травлению в смеси кислот (например, HF+HN03), отмывке и сушке. К стержням-основам для получения высококачественного поликристаллического кремния предъявляются высокие требования по чистоте: они должны иметь удельное сопротивление по донорам >700 Ом*см и по бору >5000 Ом*см.
Из стержней изготовляют электронагреватели (например, П-образной формы) и их нагрев осуществляют пропусканием электрического тока. По мере роста диаметра стержней силу тока постепенно увеличивают.
Выбор условий водородного восстановления ТХС осуществляют на основе оптимальной взаимосвязи следующих параметров процесса:
-равновесной степени превращения SiHCl3 в Si, кристаллической структуры получаемых стержней,
-температуры процесса, энергозатрат,
-мольного отношения H2: SiHCl3,
-скорости осаждения кремния.
Оптимальными условиями процесса восстановления считают температуру 1100 — 1150 °С, мольное отношение Н2: SiHCl3 в пределах 5-15 [22]. При температуре стержней ниже оптимальной повышается степень превращения ТХС в тетрахлорид кремния и уменьшается выход кремния. Увеличение температуры приводит к существенному возрастанию энергозатрат. При оптимальном мольном отношении Н2 : SiHCl3 = 5-15 стержни имеют плотную мелкокристаллическую структуру и относительно ровную поверхность.
За пределами этих отношений образуется неровная поверхность, структура стержней становится крупнокристаллической с включениями газовых пор, которые при последующем плавлении поликремния в процессе выращивания кристаллов приводят к бурлению и разбрызгиванию расплава.
Количество стержней, устанавливаемых в различных промышленных реакторах, колеблется от 2 до 16, длина каждого стержня составляет до 2 м, конечный диаметр 150- 250 мм. За счет взаимного нагрева стержней скорость осаждения кремния в многостержневых аппаратах выше, чем в двухстержневых; скорость роста диаметра стержней достигает 0,5 мм/ч, энергозатраты составляют 3000 кВт *ч/кг.
Для повышения чистоты получаемого кремния производят тщательную очистку водорода, реакторы делают из специальных сталей, а также защищают их поверхность от взаимодействия с газовой средой путем введения дополнительных кварцевых (кремниевых) колпаков, отделяющих реакционный объем от стенок реактора. Хорошей защитой стенок реактора является покрытие их защитными пленками, например, полихлорсиланом.
Получение кремния из моносилана SiH4 путем термического разложения производится по аналогичной методике при температурах около 1000°С. Образующийся в реакции 7 водород обладает высокой степенью чистоты и используется в сопутствующем производстве.
SiH4(т)=Si(т) + 2H2(г) (7)
Также и получаемый по этой технологии поликремний обладает более высокой степенью чистоты, чем кремний, получаемый восстановлением ТХС, но получается более дорогим.
Извлечение кремния из SiCl4 и SiI4 осуществляют восстановлением тетрахлорида кремния цинком, либо термической диссоциацией тетрахлорида.
Получаемые полукристаллические стержни перед использованием в процессах выращивания монокристаллов методом Чохральского разламывают на удобные для загрузки в тигель куски или разрезают на мерные заготовки. Для процесса бестигельной зонной плавки стержни обрабатывают под нужный диаметр шлифовкой.
Удаление поверхностных слоев, обогащенных примесями и газами, кроме того, предотвращает разбрызгивание кремния из расплавленной зоны.
Современные технологические схемы получения поликристаллического кремния включают в себя регенерацию и повторное использование всех компонентов и продуктов реакций восстановления (пиролиза), что улучшает технико-экономические показатели процесса, снижает себестоимость получаемого кремния, делает процесс экологически более чистым.
Рассмотренный процесс осаждения поликристаллического кремния используется также для получения на его основе полукристаллических труб на углеродных оправках. Вследствие высокой чистоты и прочности эти трубы применяются вместо кварцевых в печах высокотемпературных процессов (свыше 1200°С) в технологии полупроводниковых и микроэлектронных приборов.
Кремниевые трубы не подвержены просаживанию или другой деформации в течение нескольких лет эксплуатации, несмотря на постоянное температурное циклирование между 900 и 1250°С, тогда как кварцевые трубы имеют ограниченный срок службы при тех же процессах.
Потребление поликристаллического кремния электронной промышленностью составляет несколько тысяч тонн в год.
Для получения кремния высокой чистоты полукристаллические стержни подвергают кристаллизационной очистке методом зонной плавки в вакууме. При этом помимо кристаллизационной очистки кремния от нелетучих примесей (преимущественно акцепторов) происходит существенная очистка его от летучих доноров за счет испарения их из расплавленной зоны. Так, после 15 проходов расплавленной зоны со скоростью 3 мм/мин, получают монокристаллы кремния р-типа электропроводности с остаточной концентрацией примеси менее 10-13 см-3 и удельным сопротивлением (по бору) более 104 Ом*см.

1.3.2. Получение поликристаллического кремния карботермическим методом
Метод основан на последовательности операций:
1. Образование карбида кремния (первая стадия) , SiO2 + 3С = SiC + 2СО (8)2. Получение кремния (конечная стадия) , SiO2 + 2SiC = 3 Si + 2СО (9)
3. Дополнительная очистка кремния.
Последовательность операций представлена блок-схемой (рис.10):
Исходное сырьё (кварц)


Измельчение


Сажа
Подготовка шихты


Восстановление в электротермической печи до SiC


Рис.10. Блок-схема 2: получение поликристаллического кремния методом карботермии.
Очистка поверхности кристаллов SiC травлением
Поликристаллический Si
Дополнительная очистка от бора
Рафинировании в вакууме (очистка от паров Р)
Восстановление SiC в электродуговой печи

Карботермическое восстановление диоксида кремния протекает через стадии образования промежуточных продуктов.
Выделим две основные стадии:
а) образование карбида кремния (первая стадия) , SiO2 + ЗС = SiC + 2СО (8)б) получение кремния (конечная стадия) . SiO2 + 2SiC = 3 Si + 2СО (9)
Суммарная реакция:
SiO2+ 2С = Si + 2СО,Н=689,35 кДж/моль (10)
Отметим следующие важные обстоятельства. Теоретически из полной энергии, требуемой на проведение эндотермической реакции (10), на первую стадию (8) расходуется большая часть энергии; температура процесса на первой стадии 1700К, на второй более 2200К; скорость реакции (9) значительно выше; две трети газовых выделений в виде СО приходится на первую стадию. Из этого следует, что раздельное проведение этих процессов термодинамически выгодно. Двухстадийный режим дает возможность подобрать для каждой стадии оптимальные условия, что в конечном итоге позволит оптимизировать в целом технологию производства кремния высокой чистоты.
Процесс получения карбида кремния достаточно хорошо изучен. Взаимодействие же кварца и карбида кремния требует уточнения параметров процесса. При температуре 1900К начинается активное взаимодействие кварца с карбидом кремния с образованием газообразного оксида кремния, количество которого резко возрастает с повышением температуры до 2100К. Восстановленный кремний в жидком состоянии присутствует в системе при температуре выше 1950К. Зависимость выхода жидкого кремния от температуры носит экстремальный характер, причем с увеличением х в системе xSiC+SiO2 максимум смещается в область более высоких температур: от 2450К при х=1,4 до 2900 К при х=2,2 [7].
Максимальный выход жидкого кремния 85% достигается при х=1,8. В области более низких температур в составе конденсированных продуктов присутствует карбид кремния, при более высоких температурах только жидкий кремний. Это очень важно, поскольку технологически очень трудно отделить мелкодисперстные частицы карбида кремния от расплава кремния. При температуре выше 2600 К становится заметным количество газообразного кремния, которое быстро увеличивается с повышением температуры, причем концентрация газообразного кремния практически не зависит от состава шихты (значения х).
Т.е. в процессе плавки имеют место потери кремния в виде SiC, SiO и Si. Для снижения потерь в виде SiO необходимо, чтобы температура плавки была выше 2200К. Выделение газообразного кремния уменьшается при температуре процесса ниже 2800 К. Потери карбида кремния уменьшаются, если плавка проводится при температуре, соответствующей максимальной равновесной концентрации Si для каждого состава шихты. Из соображений обеспечения оптимальной эксплуатации печи желательно, чтобы температура плавки при давлении 0,1 МПа не превышала 2500К. Затраты энергии (Н) на получение 1 кг жидкого кремния минимальны при температурах, соответствующих его максимальному выходу, 2600-2800 градусов.
Наименьшая удельная энергия 5,61 кВт*ч/кг отмечается для состава шихты х = 1,8 при температуре 2700 К.
На примере системы (Si02 + 1,6 % SiC) исследовано влияние на процесс восстановления общего давления в интервале 0,001-0,1 МПа.
Установлено, что температура начала образования кремния не зависит с давления и остается на уровне 1950 К, а температура начала образования SiO смещается от 1900 К при 0,1 МПа до 1600 К при 0,01 МПа и до 1500 К при 0,001 МПа. При этом резко возрастает доля кремния в паровой фазе. Выход жидкого кремния монотонно возрастает с увеличением давления [9].
На основании проведенного анализа с учетом условий снижения потерь кремния в виде SiO, SiC и Si-газ и температуры надежной эксплуатации печи за оптимальные параметры стадии восстановления диоксида кремния следует принять: состав шихты (соотношение SiC-Si02) в пределах х = 1,4-1,6, температура плавки 2450 -2600 К.
Осуществление карботермического восстановления кремния в двухстадийном процессе дает значительные преимущества в аппаратурном оформлении. Установка для получения карбида кремния может быть значительно более простой, например, вместо электродуговой печи можно использовать электрорезистивную, а высокотемпературная установка для получения элементного кремния по реакции (9) может быть менее мощной и крупной в сравнении с современными электродуговыми рудовосстановительными печами. Схема установки изображена на рис. 11 [13].
Для каждой из стадий процесса, реализуемых в независимых установках, возможно создание оптимальных условий по температуре, давлению, длительности плавки т.д. Например, низкотемпературную стадию из-за большого газовыделения и длительности целесообразно проводить при атмосферном давлении, а стадию получения жидкого кремния — в вакууме (при переменном остаточном давлении).
Необходимо отметить еще две существенные технологические особенности, обеспечивающие получение металлургического кремния высокого качества. При осуществлении процесса на раздельных установках можно отказаться от использования разрыхлительных присадок в шихту, обычно применяемых для увеличения ее газопроницаемости, что уменьшит поступление примесей в кремний и позволит сократить вредные газовые выбросы в атмосферу. Кроме того, при двухстадийном ведении процесса открывается возможность промежуточной кислотной очистки получаемых на первой стадии кристаллов карбида кремния, на поверхности которых концентрируется большая часть примесей.

Рис.11. Схематическое изображение установки карботермического восстановления кремния.
Нагреватели электропечи выполняются из углеродного композиционного материала УМК-1, тепловые экраны — из углеродного пористого теплоизоляционного материала УМТ-1 (пористость 90%, коэффициент теплопроводности 0,2 Вт/мк. Максимально допустимая температура плавки 2900 К.
Гранулированная сажа необходима дисперсностью 0,5мкм-1мм, кварц предварительно измельчается при помощи дробильной мельницы.
О начале активного взаимодействия компонентов шихты можно судить по бурному выделению СО, об окончании — по резкому уменьшению выбросов газа. В ходе реакции температура постоянно повышается и в конце плавки достигает 2400 К. Продолжительность реакции - 1ч, полный цикл плавки -6,5 ч.
Кремний концентрируется в нижней части слитка (массой 6,5 - 10 кг). Для улучшения работы печи, уменьшения потерь кремния и получения компактного слитка кремния целесообразно вводить в шихту около 10% металлургического кремния высокой чистоты. Энергозатраты на получение 1 кг кремния составляют около 50 кВт-ч.
Поскольку для большинства примесей в кремнии характерны очень низкие значения эффективного коэффициента распределения, то при кристаллизации они оттесняются из твердой фазы растущего кристалла в жидкую зону расплава.
Таким образом, кристаллизация является одновременно эффективным методом очистки кремния. Правда, это не относится к двум наиболее важным примесям в кремнии — к фосфору (коэффициент распределения 0,35) и, в особенности, к бору (0.8).
Время жизни носителей заряда является приемлемым пока на грани, необходимо значение, большее 2.
Удаление фосфора достигается при высокотемпературном рафинировании жидкого кремния в вакууме, бор таким способом удалить не удается (давление его паров меньше, чем у кремния). Таким образом, производимый по разработанной нами технологии высокочистым металлургический кремний соответствует требованиям к кремнию, предназначенному для кристаллизации и последующему изготовлению фотоэлектрических преобразователей, кроме требования по содержанию бора. По-видимому, прямым карботермическим восстановлением кремния даже из высоко чистого кварцевого сырья получить металлургический кремний необходимого качества не удастся. Качество кремния остаётся неудовлетворительным и необходим плазменный метод рафинирования высокочистого кремния от примеси бора.
Процесс дополнительной плазменной очистки кремния от бора основан на окислении бора и удалении его летучих соединений. Расплав кремния обрабатывается мощным плазменным потоком инертного газа (Аг) с добавками паров воды, последние в результате диссоциации в плазме генерируют активный кислород и водород. Под действием активных форм кислорода бор окисляется в приповерхностном слое кремния до летучих оксидов бора ВО, ВО2, В2ОЗ, которые уносятся газовым потоком. Основная проблема, возникающая при реализации этого метода, связана с необходимостью послойного перемешивания расплава для увеличения скорости диффузии бора к поверхности расплава.
Цилиндрический металлический тигель-реактор, покрытый изнутри высокочистым кварцем, имеет два торцевых фланца с отверстиями, в одно из которых вставляется с зазором плазмотрон, другое служит для выхода газов и слива жидкого кремния. Одновременно с вращением тигля вокруг горизонтальной оси производится разогрев твердого порошкообразного кремния факелом плазмотрона (рис.12) [13].

Рис.12.Установка для плазмохимической очистки кремния от бора.
За счет регулирования скорости вращения тигля достигается получение расплава в форме полого цилиндра. Окислительная плазма воздействует на внутреннюю поверхность цилиндра. Обработанный расплав выливается в изложницу при наклоне тигля в вертикальной плоскости. Отсутствие в таком устройстве свободной поверхности расплава кремния резко уменьшает тепловые потери на излучение и безвозвратные потери кремния на испарение.
Параметры работы предложенного устройства: мощность плазмотрона 50 кВт, плазмообразующий газ аргон с добавкой паров воды (5.2% об.), расход газа 5 г/с, время обработки расплава 3О мин, масса очищенного кремния в одной плавке 2,5 кг. Сочетание двухстадийного процесса производства металлургического кремния с обработкой на вращающейся печи позволяет получить кремний с содержанием бора около 0,5*10-6% [35].
Сравнивая два варианта получения поликристаллического кремния, следует отметить, что полученные обоими методами образцы удовлетворяют требованиям, необходимым для производства из них мультикремния, но образцы, полученные методом карботермии, имеет в ~2.5 раза меньшую в производстве стоимость (при снижении КПД продукта на выходе на ~15%) [22,26]. Поэтому мы будем разрабатывать цех производства мультикремния из поликристаллического кремния, полученного карботермическим способом.
1.3.3. Получение мультикремния методом направленной кристаллизации
Наибольшее распространение имеет метод, который проводится в среде инертного газа. В современных установках (рис.14) масса загрузки в тигель может составлять от 300…450, и до 800 кг [15].

Рис.14: Схема процесса получения мультикремния методом Бриджмена и фотография получаемого на производстве блока мультикремния.
Расплавление кремния осуществляется в прямоугольных кварцевых тиглях с толщиной стенок ~30 мм . Внутренняя поверхность тиглей покрывается слоем нитрида кремния толщиной ~300 мкм. Кварцевый тигель используют на одну плавку. Покрытие нитридом кремния внутренней поверхности тигля позволяет на порядок снизить концентрацию металлических примесей в слитке мультикремния и повысить в нем время жизни неравновесных носителей заряда. Кристаллизацию расплава осуществляют с малой скоростью (0,25…0,33 мм/мин). При кристаллизации поверхность раздела твердой и жидкой фаз (фронт кристаллизации) поддерживается выпуклой в сторону расплава, чтобы избежать нежелательной («паразитной») кристаллизации от стенок тигля, а также образования пустот и раковин в объеме слитка. Процесс производят в проточной среде аргона. Выращенный слиток охлаждают в ростовой камере до температуры ~570К и затем вместе с кварцевым тиглем, с использованием специальных захватных устройств, выгружают на воздух, где охлаждают до комнатной температуры. Поверхность слитка со всех сторон обрезают на ~30 мм (области с максимальным содержанием примесей). Затем осуществляют раскрой слитка на блоки заданного сечения (156*156 мм) и резку блоков на пластины толщиной 200±20 мкм.
Схематически устройство установки для производства изображено на рис. 11, а ее технические характеристики и некоторые качественные параметры производимого мультикремния представлены в табл. 3.

Рис.11. Схема промышленной установки для производства кремния методом направленной кристаллизации (методом Бриджмена).
Поскольку практически все известные примесные элементы в кремнии имеют коэффициенты распределения меньше единицы, их оттеснение в жидкую фазу происходит достаточно эффективно, в отдельных случаях кристаллизационную очистку могут производить многократно. В табл. 4 приведены величины концентрации примесей в мультикремний после одно-, двух и трехкратной перекристаллизации.
Самый высокий полученный КПД фотоэлементов из мультикремния составляет 16,5% (достигнут на установке в Норвегии) [33].
Использование мультикристаллического кремния признано [30-33] наиболее целесообразным по соображениям: стоимость – качество. Однако этот материал нуждается в дальнейшем усовершенствовании. Выход годного из одного слитка (240 кг, 16 блоков) в ряде случаев зафиксирован на уровне 25…30 %. Причины брака – протяженная область n-типа в верхней части
Таблица 3.
Параметры производимого мультикремния [15].
Параметр (показатель) Размерность Численное значение
Масса слитка, кг кг 400
Высота слитка, мм мм 240
Поверхность слитка, мм2 мм2 840
Высота блока, мм мм 220
Количество блоков в слитке, шт шт 25
Площадь пластины, мм2 мм2 156
Толщина пластины, мкм мкм 200±20
Толщина реза, мкм мкм 200
Выход при проволочной резке, % % 90
Диффузионная длина, мкм мкм 30...50
Удельное электрическое сопротивление, Ом*см Ом*см 0,5-3
Концентрация кислорода, см-3 см-3 10^18
Концентрация углерода, см-3 см-3 10^17
Длительность цикла, ч ч 50
Таблица 4.
Изменение концентрации примесей в случае многократной кристаллизации раствора кремния [15].
Количество перекристал-лизаций Концентрация примесей, 10-3%
Al Fe Ca Mg Ti Mn V Cr Ni Mo Cu B P
1 40.0 26.0 7.0 1.0 1.2 8.0 5.0 1.3 5.0 2.0 13.0 10.5 81
2 39.3 25.8 6.9 1.0 1.1 8.0 5.0 1.2 5.0 2.0 13.0 10.5 78
3 39.1 25.4 6.8 0.9 1.0 7.8 5.0 1.1 4.9 2.0 12.8 10.5 76
слитка, малая область p-типа с удельным электрическим сопротивлением 0,5…3,0 Ом*см и τннз > 8…10 мкс (рис. 12а,б), наличие включений углерода в виде «линз» карбида кремния, различное расположение, размер кристаллитов для центральных и периферийных блоков и др. Неоднородность состава блока мультикремния (удельного сопротивления и времени жизни неосновных носителей заряда) показана на рис. 12 и 13 [15].
Нестабильность свойств мультикремния во времени, обусловленная присутствием существенно больших концентраций примесей и структурных дефектов, чем у монокристаллов, также является причиной «деградации характеристик ФЭП, обусловленной светом» (LID) [8,9]. Параметр LID с недавнего времени входит в число основных, гарантируемых производителями, качественных параметров кремния «солнечного качества». Большинство аналитиков [10…12] сходятся во мнении, что доля мультикристаллического кремния в технологии наземных ФЭП по мере сближения стоимости электроэнергии, производимой традиционными и альтернативными методами, будет возрастать. Наряду с постоянным совершенствованием технологии и конструкции ФЭП, развитие солнечной энергетики будет сопровождаться и ростом потребления более дешевых сортов кремния.
Верх слитка
Верх слитка
Рис.12. Распределение удельного электрического сопротивления по высоте блока мультикремния (масса загрузки 240 кг, 16 блоков).

Верх слитка
Верх слитка
Рис.13. Распределение времени жизни неравновесных носителей заряда (τннз) по высоте блока мультикремния (масса загрузки 240 кг, 16 блоков)

2. Проектная часть
2.1. Расчёт состава основного и вспомогательного оборудования для получения мультикремния
Из описания технологии процесса изготовления мультикремния (п. 1.3) выбираем состав необходимого оборудования, который представлен в табл. 5 и табл. 6.
Таблица 5.
Основное и вспомогательное оборудование для производства поликристаллического кремния методом карботермического восстановления
№ п/п Наименование оборудования Марка Примечание
Основное оборудование
1 Дробильная мельница для кварца Активатор-С 100 -
2 Электрорезистивная печь ДП-1 -
3 Электродуговая печь РКО-2.5 -
4 Установка высокотемпературного рафинирования АГАТ -
5 Установка для плазмохимической чистки На заказ -
Вспомогательное оборудование
6 Вытяжной шкаф для травления кристаллов SiC Лаб-1200 -
7 Шкаф для хранения реактивов - -
8 Монтажный стол - -
9 Стол для документов - -
10 Стул - -
продолжение табл. 5
11 Тележка для переноса готового поликристаллического кремния - -
12 Шкаф для сменной одежды - -
13 Раковина для воды - -
Таблица 6.
Основное и вспомогательное оборудование для производства мультикремния из поликристаллического кремния.
№ п/п Наименование оборудования Марка Примечание
Основное оборудование
1 Установка для направленной кристаллизации "Элкем" Вспомогательное оборудование
2 Вытяжной шкаф для нанесения слоя нитрида кремния на кварцевый тигель Лаб-1200 -
3 Установка автоматического измерения времени жизни неосновных носителей заряда Тауметр-2М -
4 Установка для четырёхзондового метода измерения удельного сопротивления полупроводника - -
5 Станок для резки блока мультикремния - -
6 Станок для упаковки мультикремния - -
7 Тележка для переноски кремния - -
8 Верстак - -
9 Полки для хранения тиглей - -
10 Стол для документов - -
продолжение табл. 6
11 Стул - -
12 Шкаф для хранения реактивов - -
13 Механическая система блоков для поднятия блока мультикремния - -
14 Раковина для воды - -
Расчёт количества оборудования проводится с учётом того, что до 75 % (в худшем для нас случае) полученного методом Бриджмена мультикремния отбраковывается (обрез боковых, верхней и нижней граней блока) и вновь идёт на стадию очистки от бора и фосфора. Таким образом, для организации производства 12т годного мультикремния необходимо производить 48т методом Бриджмена (4т выплавки в месяц).
1. Количество установок для направленной кристаллизации методом Бриджмена. Производительность установки составляет 400кг/цикл. То есть, установку необходимо запускать 10 раз в месяц. Длительность одного цикла составляет 50 часов. Таким образом, из 30.4 суток в месяц установка будет занята в течение 50*10/24=20.84 суток.
За 50 часов цикла установка находится как в нагревающем, так и в охлаждающем состоянии, кроме того, присутствует некоторое время на загрузку-разгрузку блоков кремния. Получаем, что, 30,4-20,84=9,56 суток каждый месяц можно тратить на плановый технический осмотр и ремонт, и для цеха достаточно 1 установки.
2. Количество установок для плазмохимической чистки. Производительность установки составляет 2.5кг/цикл. Длина цикла составляет 0.5ч. Значит, за одну восьмичасовую рабочую смену установка очищает:
М = П*Т*кпд, (11)
где П - производительность установки 2.5кг/ 0.5 часа,
Т - рабочее время. При стандартной смене в 8 часов, время работы установки составляет 7 часов (с учётом перерыва),
кпд - для всех установок, включающее в себя задержки человеческого и технического факторов, примем равным 80%.
Таким образом, одна установка очищает в течение рабочей смены 28кг кремния, в течение суток 84 кг кремния, а в течение среднего месяца в 30.4 дня - 1764 кг (5 рабочих дней в неделю). При необходимой норме очистки 4000кг/месяц, минимально необходимое количество установок равно 3м. Два выходных дня, а также некий запас выработки кремния установками дают возможность спокойного планового ремонта, а, при всех трёх рабочих установках, возможность их чередовать, и снизить скорость их износа. Итак, в цех необходимо 3 установки.
3. Количество установок высокотемпературного рафинирования кремния. Производительность установки составляет 100кг/3ч. Это достаточно небольшая установка, она является компромиссным вариантом между удобством (при понижении порций загрузки) и энергосбережением (при увеличении порций). Такая установка, работая всего лишь одну смену стандартной 40 часовой рабочей недели, и производя две загрузки за рабочий день, смогла бы очищать 4200кг кремния. Длительность двух циклов составляет 6 часов, поэтому кпд на технический и человеческий факторы мы не вводили (имея на них до 2ч/день в запасе). Кроме того, необходимый ремонт установки может производиться в свободное от её работы время. 1 установка.
4. Количество установок карботермического восстановления. Надо отметить, что мы говорим не об одной установке, а о блоке установок из электродуговой печи, вытяжного шкафа для очистки поверхности кристаллов карбида кремния и электрорезистивной печи для получения непосредственно кремния. Каждая из этих установок имеет производительность 10кг кремния за цикл 6.5ч. Таким образом, за одну рабочую смену мы получаем 10кг кремния, за рабочие сутки 19.5 кг кремния, а за стандартный 30.4-дневный месяц 409.5 кг кремния. Количество кремния, необходимое передать на дополнительную чистку - 1т в месяц (ещё 3т мы получаем как отбраковку после направленной кристаллизации). Поэтому, учитывая постоянный нагрев установок и необходимость частого планового осмотра и ремонта, число установок -3.
5. Количество дробильных мельниц. Производительность их 100кг/час. Таким образом, за рабочие сутки мельница может измельчать до 2.4т кварцевого песка, что значительно больше необходимого. Но, учитывая важность стадии производства и ломкость оборудования, число размещённых установок равно 2.
Число установок на всех этапах производства представлено в табл. 7 и табл.8.
6. Также нам необходимы в отдел контроля качества установка контроля времени жизни неосновных носителей заряда и установка контроля удельного сопротивления кремния. Обе установки необходимы в количестве 1 штуки, и смог за это время проверять и качество произведённого мультикремния,и качество полученных после метода Бриджмена обрезов блока, и выборочно качество промежуточного поликристаллического кремния.
Таблица 7.
Количество основного и вспомогательного оборудования для производства кремния годовым объёмом 12т на этапе получения поликристаллического кремния методом карботермического восстановления.
№ п/п Наименование оборудования Производительность оборудования Количество
Основное оборудование
1 Дробильная мельница для кварца 100кг/ч 2
2 Электрорезистивная печь 10кг/6,5ч 3
3 Электродуговая печь 10кг/6,5ч 3
4 Установка высокотемпературного рафинирования 100кг/3ч 1
5 Установка для плазмохимической чистки 2,5кг/0,5ч 3
Вспомогательное оборудование
6 Вытяжной шкаф для травления кристаллов SiC - 3
7 Шкаф для хранения реактивов - 2
8 Монтажный стол - 1
9 Стол для документов - 2
10 Стул - 6
11 Тележка для переноса готового поликристаллического кремния - 1
12 Шкаф для сменной одежды - 24
Таблица 8.
Количество основного и вспомогательного оборудования для производства кремния годовым объёмом 12т на этапе производства мультикремния методом Бриджмена.
№ п/п Наименование оборудования Производительность Количество
Основное оборудование
1 Установка для направленной кристаллизации 400кг/50ч 1
Вспомогательное оборудование
2 Вытяжной шкаф для нанесения слоя нитрида кремния на кварцевый тигель - 1
3 Установка автоматического измерения времени жизни неосновных носителей заряда - 1
4 Установка для четырёхзондового метода измерения удельного сопротивления полупроводника - 1
5 Станок для резки блока мультикремния - 1
6 Станок для упаковки мультикремния - 1
7 Тележка для переноски кремния - 1
8 Верстак - 1
9 Полки для хранения материалов - 1
10 Стол письменный - 1
11 Стул - 2
12 Шкаф для хранения реактивов - 1
продолжение табл. 8
13 Механическая система блоков для поднятия блока мультикремния - 1
2.2. Расчёт материального баланса
Расчёт материального баланса проводится с учётом того, что во время производства кремний теряется в виде испарений в электротермической и электродуговой печах (безвозвратно), при травлении кристаллов SiC (безвозвратно), но основные потери приходятся, как показывает практика ,на последний этап - направленную кристаллизацию. Однако, эти потери являются обратимыми. На всех прочих стадиях потери примем равными 3%.
Стадии производства мультикремния из кварцевого песка:
1. Измельчение кварцевого песка в дробильных мельницах.
2.Восстановление кварцевого песка до карбида кремния в электрорезистивной печи.
3.Очистка кристаллов карбида кремния травлением. На этой стадии потери примем равными 5%. Также на этой стадии мы используем смеси кислот.
4.Восстановление кремния из карбида кремния в электродуговой печи. Разрыхлительные присадки отсутствуют.
5.Рафинирование кремния в вакууме.
6.Плазмохимическая чистка кремния. На этой стадии мы используем газ Ar.
7.Направленная кристаллизация методом Бриджмена.
Таким образом, перед очисткой 4т кремния, в среднем поступает 4/0,97/0,97=4.252т кремния. Значит, выплавлять в печах мы должны 1.063 т кремния. Выход из печей кремния 1.063т возможен в среднем при поступлении кремния 1.063/0,97/0,97/0,95=1.189т
Учитывая реакцию:
SiO2+ 2С = Si + 2СО (12)
для получения 1.189т кремния необходимо 1,189/28*60=2.548 кварца,
и 1,189т гранулированной сажи.
Расчёт необходимого аргона проводим из расчёта его расхода 60 л/ч [7].
V(Ar)=M(Si)/Mз*Tцикла*Р , где (13)
Р - расход аргона, 60л/ч
Mз - масса загрузки в одной чистке
V(Ar)=57120л. V(H20)=V(Ar)
Расчёт количества необходимых для травления кислот проводим из условия, что в одной кислоте не могут травиться (в целях повышения качества травителя, и, следовательно, кристаллов) более двух кристаллов подряд, а состав травителей HCl/HNo3/HF равен 1/2/2, а общую массу возьмём с 25%-ным запасом.
Vкисл~0.28*Vкремния=0.28*1000кг/3.05=91.8л
V(HCl)=23л, V(HN03)=45.9л, V(HF)=45.9л
M (HCl)=26.45кг, М (HF)=54.16кг M(HNO3)=69.кг
В табл. 9 представлено количество всех материалов, необходимых в производственном цикле.
Таблица 9.
Результаты расчёта количества сырья и вспомогательных материалов, необходимых для производства мультикристаллического кремния методом направленной кристаллизации.
№ п/п Материал Потребность в месяц Потребность в сутки
1 Кварцевый песок 2548 кг 83,82кг
2 Гранулированная сажа 1189 кг 41,91кг
3 Кислота HCl 26,45 кг 0,87 кг
4 Кислота HNO3 54,16 кг 1,78 кг
5 Кислота HF 69 кг 2,27 кг
6 Сжиженный газ Ar 57120 л 1880 л
7 Дистиллированная вода 57120 л 1880 л
8 Изопропиловый спирт 1000л 33л
2.3. Разработка технологической планировки цеха по производству мультикремния
С учётом результатов расчёта состава основного и вспомогательного оборудования, была разработана технологическая планировка (со спецификацией) цеха по производству мультикристаллического кремния с годовым объёмом выпуска 12т годной продукции.
Цех включает в себя участок получения поликристаллического кремния из кварцевого песка, участок очистки поликристаллического кремния, участок производства мультикристаллического кремния из поликристаллического, участок контроля качества произведённой продукции и складское помещение.
Разработка технологической планировки осуществлялась с учётом требований, предъявляемых к чистоте производственных помещений в соответствии со стандартами ИСО-2, ИСО-4 и ИСО-9.
В табл.10 указаны классы чистоты для производственных участков цеха.
Таблица 10.
Классы чистоты производственных участков цеха по производству мультикремния.
№ п/п Наименование участка Класс чистоты Предельно допустимое число частиц в 1 м3 воздуха с размерами, равными или превышающими, мкм
0,1 0,2 0,3 0,5 1 5
1 Раздевалка - - - - - - -
2 Участок дробления кварца - - - - - - -
3 Участок получения поликристаллического кремния ИСО-4 10000 2370 1020 352 83 -
4 Участок очистки поликристаллического кремния ИСО-2 100 24 10 4 - -
5 Участок получения мультикремния ИСО-2 100 24 10 4 - -
6 Участок контроля качества ИСО-4 10000 2370 1020 352 83 -
7 Складское помещение ИСО-9 35,2*106 8,32*106 293*103

Технологическая планировка цеха по производству мультикремния.
8
21
8

Участок очистки поликристаллического кремния
12
18
5
6
4


20

Участок получения мультикремния
10
5

18
9

8


7
3
7
2
16
17
3
3
7
2
2
3
7
2
3
3
7
2
2
3
7
2
7
3
7
2

11
7
3
7
2

Участок контроля качества
21м
14
10
10

Участок получения поликристаллического кремния

10
8
15
10

18
2
3
7
2
7
3
7
2
3
3
7
2



12
21

Склад

1
1

Дробление кварца

19
13


21

Раздевалка
10



15мм

Спецификация к технологической планировке цеха по производству мультикристаллического кремния
№ позиции Наименование оборудования Марка Габариты, м*м*м Вес, кг Приме-чание
Основное оборудование
1 Дробильная мельница для кварца Активатор-С 100 2.2*1.7*1.7 200 -
2 Электрорезистивная печь ДП-1 1.2*1,2*2.6 1000 -
3 Электродуговая печь РКО-2.5 1.2*1,2*3 1000 -
4 Установка высокотемпературного рафинирования АГАТ 1*1*4 500 -
5 Установка для плазмохимической чистки На заказ 3*1*2 250 -
6 Установка для направленной кристаллизации "Элкем" 3*2*2 2000 -
Вспомогательное оборудование
7 Вытяжной шкаф Лаб-1200 1*1*2 100 -
8 Шкаф для хранения реактивов - 1*0,4*2 20 -
9 Монтажный стол - 1*0,5*1 50 -
10 Стол для документов - 1*0,5*1 20 -
11 Стул - - 1 -
12 Тележка для переноса кремния - 0,4*0,4 5 -
13 Шкаф для сменной одежды - 0,4*0,4*2 10 -
14 Установка автоматического измерения времени жизни неосновных носителей заряда - 0,5*0,5 20 -
продолжение спецификации
15 Установка для четырёхзондового метода измерения удельного сопротивления полупроводника - 0,5*0,5 20 -
16 Станок для резки блока мультикремния - 1*1*1 50 -
17 Станок для упаковки мультикремния - 1*1*1 50 -
18 Верстак - 1*0,5*1 20 -
19 Полки для хранения материалов - 1*0,4*2 5 -
20 Механическая система блоков для поднятия блока мультикремния - 0,2*0,2 20 -
21 Раковина для воды - 0,5*0,5 3 -

3. Экономическая часть
Расчёт производственной мощности. Проектная мощность предприятия, цеха, участка это расчётная производительность, показывающая возможный выпуск продукции за определённый период времени, в проекте - за год. Проектная мощность определяется потребностью народного хозяйства в данной продукции, оптимальным размером предприятия для данной отрасли, максимальным использованием достижений техники, технологии и организации производства, наличием источников сырья, его качеством, режимом работы предприятия и т.д.
Мощность производства определяется из следующих условий:
1. Производительность оборудования
2. Годовой и суточный режим работы оборудования
3. Количество оборудования
4. Фонд времени работы оборудования.
Производительность аппаратов, станков, машин это количество продукции, производимой на данном оборудовании в единицу времени, например, за час, или за один цикл (аппарато-оборот).
Распространение продукции предполагается осуществлять по всей стране, поэтому основным критерием для оценочных расчётов будет являться не партия изделий, а возможные мощности производства. Предполагается закупить установки, отвечающие всем современным параметрам: соотношение цена/качество, простота эксплуатации (чтобы минимизировать затраты на обучение персонала), доступность в обслуживании (ремонт и приобретение запасных узлов), производительность, габаритные размеры.
Разработка штатного расписания цеха.
1. Число работников для установки направленной кристаллизации методом Бриджмена. В смене присутствует один работник. Существует 4 смены с графиком сутки-трое, в течение которых он контролирует работу установки. Таких работников четыре. Кроме того, есть ещё двое работников с графиком 2/2, приходящие на работы в те смены, что выпадают на извлечение и загрузку блоков кремния. Во время наблюдения работники могут заниматься резкой и упаковкой блока. 6 операторов.
2. Количество работников на установках для плазмохимической чистки. На этой установке работники работают по 8-часовой смене, 3 смены в день. Таким образом, на 2 установках работает 6 операторов.
3. Количество работников на установке высокотемпературного рафинирования кремния. Стандартная 40-часовая рабочая неделя. 1 оператор
4. Количество работников на установках карботермического восстановления. Число работников на блоке из двух установок равно двум. Один из них мастер, второй помощник. Учитывая сменный график работы, три смены день по 8 часов, и три установки: 9 операторов и 9 помощников оператора.
5. Дополнительные работники. Наладчики оборудования, 2 человека. Лаборант на установки контроля качества, 1 лаборант. Работник склада/уборщик 1 человек.
6. Мастер участка получения поликремния, очистки поликремния и получения мультикремния, 3 человека.
Полный состав работников представлен в табл. 10.
Таблица 10.
Состав штатного расписания работников цеха.
№п/п Должность Кол-во единиц персонала
1 Оператор станка 22
2 Помощник оператора 9
3 Наладчик оборудования 2
4 Лаборант контроля качества 1
5 Работник склада 1
6 Мастер участка 3
7 Главный инженер цеха 1
8 Зам.главного инженера 1
В цехе по производству мультикремния работа проводится по графикам сутки/трое при непрерывной рабочей неделе и по сменному графику по 8 часов (3 смены, 5 рабочих дней).
Фонд времени работы оборудования. Расчёт времени на планово-предупредительный ремонт, осмотр и проверку оборудования для каждого вида оборудования задан отдельно (см. табл. 6 и ниже раздела 2)
Количество оборудования задано подетально в соответствующем разделе. Общая лента экструзионной линии заканчивается установкой направленной кристаллизации (1шт.), которая является основной в нашем производстве.
Список основного и вспомогательного оборудования подетально представлен в табл. 7 и табл . 8.
Нормативы на транспортно-заготовительные расходы, монтаж, технологические трубопроводы и пр. приняты равными 10% стоимости основного оборудования.
Расчёт стоимости реактивов и сырья. В табл. 11 представлены использованные в работе материалы, их рыночная стоимость и количество, израсходованное в ходе эксперимента.
Таблица 11.
Расчёт стоимости реактивов и сырья за месяц
№ п/п Наименование материалов Марка Ед.
измерения Цена, руб. за ед. Израсходовано за месяц Стоимость, руб.
1 Кварцевый песок - кг 4,2 2548 10702
2 Гранулированная сажа "Диана" кг 50 1189 59450
3 Кислота HCl - кг 50 26,45 1322
4 Кислота HNO3 - кг 19 54,16 1030
5 Кислота HF - кг 180 69 12420
6 Сжиженный газ Ar - л 0,1 57120 5712
7 Дистиллированная вода - л 0,1 57120 5712
Итого затрат на сырьё и материалы - - - - 96397
Транспортные затраты - - - - 9640
Итого - - - - 106037
Транспортные расходы соответствуют 10% стоимости сырья и материалов и составляют 9640 руб.
Расчёт энергетических затрат производится по формуле:

,где:(13)
Тэ -время использования электрооборудования, ч.;
Цэ - цена одного кВт*час, руб;
Nj - мощность электроприборов по паспорту, кВт;
Кисп - коэффициент использования мощности оборудования, принимается равным 0,8.
В табл. 12. представлен расчёт затрат на электроэнергию за весь период исследований.
Таблица 12.
Расчёт стоимости затрат на электроэнергию.
№ п/п Наименование прибора Мощность, кВт Время работы, ч Цена, руб. за кВт*ч. Количество израсходованной электроэнергии, кВт*час Стоимость, руб.
1 Дробильные мельницы 50 10 3 500 1500
2 Электрорезистивные печи - 650 540 1620
3 Электродуговые печи - 650 540 1620
4 Установки высокотемпературного рафинирования 50 120 600 1800
5 Установки для плазмохимической чистки 80 120 960 2880
6 Установка направленной кристаллизации 2 400 800 2400
7 Установка автоматического измерения жизни неосновных носителей заряда 0,5 21 10,5 31,5
8 Установка измерения удельного сопротивления полупроводника 0,3 21 6,3 18,9
9 Станок для резки мультикремния 6 3 18 54
10 Станок для упаковки мультикремния 0,3 1 0,3 0,9
Итого 11925
Расход на воду с учетом слива рассчитывается по формуле:
V= Vi * tpi * Цу, где (14)
Vi - часовой расход, м3/ч;
tpi - время работы, ч.;
Цу - стоимость воды с учетом слива, руб./м3.
Расход воды для мытья посуды/рук 0,3 м3/ч.
Тариф на чистую воду составляет 17,20 руб./м3:
V = (0,3*729,6*17,20) = 3765 руб.
Тариф на сток – 12,90 руб./м3:
V = (0,3*729,6*12,90) = 2823 руб.
Общие затраты на воду составили 6588 руб.
Таблица 13.
Расчёт затрат на заработную плату.
Специальность и классификация работников Число работников Оклад, руб.
(с учётом ночных смен) Фактически отработанное время, дни (часы) Основная заработная плата, руб.
Оператор станка 22 33000 1мес 726000
Помощник оператора 9 27000 1мес 236000
Наладчик оборудования 2 33000 1мес 66000
Лаборант контроля качества 1 27000 1мес 27000
Работник склада 1 27000 1мес 27000
Мастер участка 3 40000 1мес 120000
Главный инженер цеха 1 50000 1мес 50000
Зам.главного инженера 1 45000 1мес 45000
Итого основная заработная плата 1297000
Итого дополнительная заработная плата -
Отчисления единого социального налога 34% 441000
Итого заработная плата с отчислениями 1737000
Единый социальный налог (34%): 1297000*0,34 = 441000
Итого: З.п. + налоги = 1737000
Расчёт амортизационных отчислений
Расчёт амортизационных отчислений производим по формуле:
Еам=(Коб*Нам*Тоб)/(100n), где (15)
Коб – стоимость единицы прибора или оборудования, руб.;
Нам – норма амортизации, %;
Тоб – время использования оборудования, ч;
n – 8760 часов.
Таблица 14.
Расчет амортизации приборов и оборудования.
№ п. Наименование прибора Стоимость прибора, руб. Время работы, час. Срок службы, года. Норма амортизации, % Амортизационные отчисления, руб.
1 Дробильная мельница для кварца 178000 1000 5 20 4064
2 Электрорезистивные печи 390000 6000 5 20 53426
3 Электродуговая печь 450000 6000 5 20 61645
4 Установка высокотемпературного рафинирования 100000 4000 5 20 9132
5 Установка для плазмохимической чистки 180000 4000 5 20 16438
6 Установка для направленной кристаллизации 400000 4000 5 20 36528
7 Вытяжной шкаф 45000 2000 1 17 1747
8 Шкаф для хранения реактивов 45000 2000 1 17 1747
9 Монтажный стол 30000 2000 1 17 1165
10 Стол для документов 15000 2000 1 17 583
11 Стул 15000 2000 1 17 583
12 Тележка для переноса кремния 10000 2000 1 17 368
13 Шкаф для сменной одежды 14000 2000 1 17 542
14 Установка автоматического измерения времени жизни неосновных носителей заряда 10000 2000 1 17 368
15 Установка для четырёхзондового метода измерения удельного сопротивления полупроводника 10000 2000 1 17 368
16 Станок для резки блока мультикремния 15000 2000 1 17 542
17 Станок для упаковки мультикремния 15000 2000 1 17 542
18 Верстак 10000 2000 1 17 368
19 Полки для хранения материалов 20000 2000 1 17 736
20 Механическая система блоков для поднятия блока мультикремния 5000 2000 1 17 184
21 Раковина для воды 15000 2000 1 17 542
Итого 1977000 190337
Таблица 15.
Результаты расчета амортизации стеклянной посуды.
Наименование Количество,
шт. Цена единицы, руб. Сумма затрат,
руб.
Стаканчик для взвешивания 4 17,80 71,20
Стакан термостойкий, 0,5 л 5 46 230
Фарфоровая чаша 2 50 50
Колба мерная 2 58,47 58,47
Пипетка лабораторная 2 100 100
Пинцет 3 72 216
Стеклянная палочка 2 28 28
Итого: 753,67
Примечание: цены на стеклянную посуду договорные.
Сумма амортизации составила 0,199 руб.
Общая сумма амортизации стеклянной посуды, приборов и оборудования составила 190338руб.
Накладные расходы соответствуют 100% от суммы заработной платы, без учёта налогов и в нашем случае составляют 1297000руб.
Таблица 16.
Итоговые затраты.

п/п Наименование затрат Сумма
руб. %
1 Затраты на сырьё, материалы и реактивы, включая транспортно - заготовительные расходы 106037 3,7
2 Энергозатраты,
в том числе: а) электроэнергия 0,5
б) вода 18513 3 Заработная плата с начислениями
в том числе: 1297000 а) основная заработная плата 44,6
б) дополнительная заработная плата в) единый социальный налог 4 Амортизационные отчисления на приборы и оборудование, и стеклянную посуду: 190338 6,6
5 Накладные расходы 1297000 44,6
Итого 2908888 100

Анализ структуры затрат на проведение работ показывает, что наибольший вес составляют заработная плата работников и накладные расходы.
Бизнес-план.
Акционерное общество по производству мультикристаллического кремния производит и доставляет непосредственно к производству солн.батарей необходимый материал.
Акционерное общество располагается в Тульской области.
Главной задачей является организация постоянного рынка сбыта материала и, в идеале, объединение с другой организацией для совместного производства конечного продукта: солнечного элемента.
Цели.
1.Поиски организаций, производящий солнечный кремний.
2.Организация цеха для производства конечного продуктиа самомтоятельно или объединение с партнёром.
3.Довести стоимость 1кг солнечного элемента сначала до точки безубыточности (90долл/кг),а затем до теоретически-расчётного уровня, около 46$/кг.
Описание продукта.
Блоки мультикристаллического кремния/ резаный мультикремний по желанию клиента.
Увеличение рентабельности.
Снижение цены продукта достигается уменьшением накладных расходов, снижающихся с течением времени, и уменьшением цена сотрудников относительно числа установок (т.е. введение второго и третьего цехов).
4. Охрана трудаНеобходимый уровень безопасности и безвредности труда на производстве обеспечивает система охраны труда, в соответствии с ГОСТ 12.0.002-80, которой следует уделять большое внимание.
В данном разделе приводятся токсические и пожаровзрывоопасные свойства веществ, используемые в работе. Обосновываются меры безопасности при проведении потенциально опасных операций, а также санитарно-гигиенические условия в лаборатории и вопросы пожарной безопасности.
Пожароопасные свойства горючих веществ и материалов и меры безопасности при работе с ними. Пожарная безопасность.
Требования пожарной безопасности изложены в Федеральном законе Российской Федерации от 19 июля 2009 г. N 198-ФЗ "О внесении изменений в Федеральный закон "О пожарной безопасности".
Сведения о пожаровзрывоопасных свойствах веществ и материалов, применяемых в работе или получающихся в ходе ее выполнения, представлены в табл. 17.
При использовании водородных баллонов на производстве следует помнить.
Водород - бесцветный газ без вкуса и запаха, легче воздуха, плотность = 0,0899 кг/м3, tкип = -252,76°С.
Водород физиологически инертен. Человек может выдерживать воздействие довольно больших концентраций водорода в окружающей среде. При загрязнении воздуха водородом опасность низкотемпературного поражения или удушья от недостатка кислорода вследствие падения его концентрации ниже 13% гораздо меньше, чем взрывопожароопасность водорода. Поэтому существующий комплекс мер по технике безопасности при работе с газообразным водородом предусматривает предотвращение
Таблица 17.
Пожаровзывоопасные свойства веществ, используемых в работе.
Наименование
вещества Агрегатное состояние Температура, 0 С
Пределы воспламенения Средства пожаротушения
вещества
вспышки самовоспламенения воспламенения концентрационные, % об. температурные, 0 С
Сажа тв. 790˚C нижн - 60 гр/м3 Вода со смачивателями, пена, порошок ПФ.
Плавиковая,соляная кислоты HF, HCl жид. Свойства: негорючая пожароопасная жидкость; плотность пара по воздуху – 3,4. разбавленная кислота растворяет металлы с выделением водорода, концентрированная кислота вызывает самовоспламенение горючих веществ. Азотная кислота HN03 жид. Свойства: негорючая пожароопасная жидкость; плотность пара по воздуху – 2. разбавленная кислота растворяет металлы с выделением водорода, концентрированная кислота вызывает самовоспламенение горючих веществ. Изопропиловый спирт, С3Н8О жид. 14˚C (з.т.) 18˚C (о.т.) 430˚C 21˚C 2,23-12,7% (об.) нижн 11˚C
верх 42˚C 1) при крупных проливах – пена, распыленная вода, порошок ПСБ;
2) в помещениях – объемное тушение;
3) небольшие очаги – СО2, вода. нижн - 60 гр/м3 пожаров и взрывов водородных смесей, а также мероприятия по устранению их последствий.
При использовании водородных баллонов на производстве следует помнить. Водород - бесцветный газ без вкуса и запаха, легче воздуха, плотность = 0,0899 кг/м3, tкип = -252,76°С.
Водород физиологически инертен. Человек может выдерживать воздействие довольно больших концентраций водорода в окружающей среде. При загрязнении воздуха водородом опасность низкотемпературного поражения или удушья от недостатка кислорода вследствие падения его концентрации ниже 13% гораздо меньше, чем взрывопожароопасность водорода. Поэтому существующий комплекс мер по технике безопасности при работе с газообразным водородом предусматривает предотвращение пожаров и взрывов водородных смесей, а также мероприятия по устранению их последствий.
Обеспечение безопасности при работе с баллонами. При неправильном хранении и эксплуатации возможны взрывы баллонов. Нередко причинами взрывов являются удары, особенно в условиях повышенных или низких температур.
Водородные баллоны могут взрываться вследствие водородной коррозии, если водород загрязнен кислородом в количестве 1%, а так же в результате накопления в баллонах окалины.
Для правильного использования баллонов в них должно быть достаточное давление газа, которое необходимо для взятия пробы газа и проведения контрольных анализов перед наполнением баллонов.
Аварии могут возникать и при неправильном использовании баллонов. Чтобы предупредить это в боковом патрубке вентиля делают разную резьбу для различных газов:
для кислорода и инертных газов – правую;
для водорода и горючих газов – левую.
Баллоны окрашивают в отличительные цвета и снабжают соответствующими надписями:
для водорода – темно зеленый цвет и красной краской «водород».
Вентили у всех баллонов защищены металлическими колпаками.
Все баллоны подвергаются наружному и внутреннему осмотру и гидравлическому испытанию на менее 1 минуты. После гидравлического испытания баллоны испытывают не менее 2-х минут при рабочем давлении, погружение их в ванну с водой.
Осмотр баллонов проводиться для выявления коррозии, трещин, вмятин, а также для установления неисправности вентиля. В соответствии с правилами Гостехнадзора, при потере в весе вследствие коррозии, баллоны бракуются или относят к другому типу баллонов, рабочее давление которых меньше.
Характеристика рабочего помещения (лаборатории) по пожаровзрывоопасности приводится в соответствии с действующими нормативными документами. В настоящее время таким документом являются нормы Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС России) «Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности. НПБ 105-03».
Категории помещений и зданий предприятий и учреждений определяются на стадии проектирования зданий и сооружений в соответствии с настоящими нормами и ведомственными нормами технологического проектирования, утвержденными в установленном порядке.
Категории помещений и зданий, определенные в соответствии с настоящими нормами, следует применять для установления нормативных требований по обеспечению взрывопожарной и пожарной безопасности указанных помещений и зданий в отношении планировки и застройки, этажности, площадей, размещения помещений, конструктивных решений, инженерного оборудования.
Категории взрывопожарной и пожарной опасности помещений и зданий определяются для наиболее неблагоприятного в отношении пожара или взрыва периода, исходя из вида находящихся в аппаратах и помещениях горючих веществ и материалов, их количества и пожароопасных свойств, особенностей технологических процессов.
По данным о свойствах применяемых и получаемых в работе веществ категорию помещения определяем по изопропиловому спирту.
Расчет начинаем с определения избыточного давления взрыва Р, рассчитываемого по формуле:
, где (16)
Рmax – максимальное давление взрыва стехиометрической газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, кПа; принимаем для водорода Рmax = 634 кПа;
Р0 – начальное давление, соответствующее атмосферному, кПа; для Москвы можно принять Р0 = 100 кПа;
m – масса паров легковоспламеняющихся (ЛВЖ) и горючих жидкостей (ГЖ), вышедших в результате расчетной аварии в помещение, соответствует массе жидкости, испарившейся с поверхности разлива, кг;
Z – коэффициент участия горючего во взрыве, принимаем его значение 0,3;
Vсв – свободный объем помещения, м3; определяется как разность между объемом помещения и объемом, занимаемым технологическим оборудованием; допускается принимать его равным 80 % геометрического объема помещения;
Vпом=5,2·7,3·3,8=144,25м3, отсюда Vсв=115,4м3.
г – плотность газа или пара при расчетной температуре tр, кг/м3, вычисляемая по формуле:
, где (17)
М – молярная масса, 60 кг/кмоль;
V0 – мольный объем, равный 22,413 м3/кмоль;
tр – расчетная температура, оС, допускается принимать ее равной температуре вспышки; tвспышки=18 оС.
Для изопропилового спирта соответственно г=2,51 кг/м3.
Сст – стехиометрическая концентрация паров ЛВЖ и ГЖ, % (об.), вычисляемая по формуле:
(18)
, где (19)
– стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания;
nС, nН, nХ, nО – число атомов углерода, водорода, галоидов и кислорода в молекуле горючего. Для изопропилового спирта коэффициент =4,5,
соответственно Сст=4,38 %(об.);
Кн – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения; допускается принимать Кн = 3.
Масса паров жидкости m, поступивших в помещение в результате расчетной аварии, кг, рассчитывается по формуле:
, где
W – интенсивность испарения, кг/с·м2;
Fи – площадь испарения, м2, равная 5,0м2;
Т – время испарения, с; длительность испарения жидкости принимаем равной времени ее полного испарения, не более 1 часа (3600 с).
Интенсивность испарения W допускается рассчитывать по формуле:
, где (20)
– коэффициент, принимаем равным 2,4 в зависимости от скорости (0,1 м/с) и температуры (20˚С) воздушного потока над поверхностью испарения;
Рнас – давление насыщенного пара при расчетной температуре жидкости tp, для изопропилового спирта рассчитывается по формуле:
lgP=7,51055-1733,00/(232,380+ tp) (21)
Отсюда получаем Рнас=3,88кПа при tp=18˚С.
W=10-6·2,4·3,88·600,5=7,21·10-5 кг/с·м2.
m=7,44·10-5·5,0·3600=1,29кг.
Тогда избыточное давление взрыва:
Р=100·(634-100)·1,29·0,3/(115,4·2,51·4,34·3,0) = 5,48 кПа > 5,0 кПа, соответственно, помещение относится к помещению категории А (взрывопожароопасная).
Пожарная безопасность в лаборатории. В целях обеспечения безопасности при работе в лаборатории должны соблюдаться изложенные ниже правила пожарной безопасности.
Электроосвещение в вытяжных шкафах должно быть во взрывозащищенном исполнении, электрическая проводка должна быть исполнена в резиновой трубке.
Все работы в лаборатории, связанные с выделением огнеопасных и взрывоопасных газов должны проводиться в вытяжном шкафу.
В случае разлива горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, необходимо отключить горелки, не включать и не выключать электроприборы, пролив засыпать песком, загрязненный песок удалить из лаборатории. Для предотвращения возгорания не оставлять без присмотра электронагревательные приборы, горелки, работу производить только на исправном электрооборудовании.
В помещениях лаборатории недопустимо загромождать проходы, входы и выходы, а также подходы к средствам пожаротушения. В случае возгорания использовать первичные средства пожаротушения.
Характеристика токсичных веществ и меры безопасности
В разделе приводятся токсические свойства веществ, представленные в табл. 18.
Меры предосторожности при работе с вредными веществами.
1. В химической лаборатории перед началом работы с вредными веществами необходимо включать вытяжной шкаф;
2. Обязательно надевать спецодежду (халат) и использовать индивидуальные средства защиты (ИСЗ), предусмотренные инструкцией для проведения данных работ (респиратор, резиновые перчатки);
3. В работе нельзя использовать реактивы, срок годности которых истек, а также реактивы, хранящиеся в банках без этикеток;
4. Запрещается слив вредных веществ в канализацию, требуется использовать для этих целей предназначенные индивидуально для каждого раствора емкости.
Обеспечение безопасности при работе с электроустановками. Меры безопасности при использовании электроустановок.
Требования на электроустановки производственного и бытового назначения на стадиях проектирования, изготовления, монтажа, наладки, испытаний и эксплуатации, устанавливает общие требования по предотвращению опасного и вредного воздействия на людей электрического тока, электрической дуги и электромагнитного поля, а также номенклатуру видов защиты работающих от воздействия указанных факторов изложены в стандарте "Система стандартов безопасности труда".
Таблица 18.
Токсикологическая характеристика веществ.
Наименование вещества Характер воздействия на организм Меры и средства первой помощи ПДКрз, мг/м3 Класс опасности
Газ аргон При постоянной работе с веществом нередки воспалительные заболевания кожи Работа в спецодежде из стойкой ткани, использование перчаток 0,3 II
Серная кислота
H2SO4 Ощущение жжения. Боли в горле. Кашель. Затрудненное дыхание. Одышка. Симптомы могут быть отсроченными. Покраснение кожи. Боль. Волдыри. Серьезные ожоги кожи. Покраснение глаз. Боль. Сильные глубокие ожоги. При глотании. Боль в животе. Ощущение жжения. Шок или коллапс Свежий воздух, покой. Полусидячее положение. Искусственное дыхание по показаниям. Обратиться за медицинской помощью. Удалить загрязненную одежду. Промыть кожу большим количеством воды или под душем. Обратиться за медицинской помощью.. Глаза Вначале промыть большим количеством воды в течение нескольких минут (снять контактные линзы, если это не трудно), затем доставить к врачу при глотании. Прополоскать рот. НЕ вызывать рвоту. Обратиться за медицинской помощью 1,0 II
Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты.
Опасное и вредное воздействия на людей электрического тока, электрической дуги и электромагнитных полей проявляются в виде электротравм и профессиональных заболеваний. Нормы на допустимые токи и напряжения прикосновения в электроустановках должны устанавливаться в соответствии с предельно допустимыми уровнями воздействия на человека токов и напряжений прикосновения и утверждаться в установленном порядке.
Меры предосторожности при работе с вредными веществами.
1. В химической лаборатории перед началом работы с вредными веществами необходимо включать вытяжной шкаф;
2. Обязательно надевать спецодежду (халат) и использовать индивидуальные средства защиты (ИСЗ), предусмотренные инструкцией для проведения данных работ (респиратор, резиновые перчатки);
3. В работе нельзя использовать реактивы, срок годности которых истек, а также реактивы, хранящиеся в банках без этикеток;
4. Запрещается слив вредных веществ в канализацию, требуется использовать для этих целей предназначенные индивидуально для каждого раствора емкости.
Обеспечение безопасности при работе с электроустановками. Меры безопасности при использовании электроустановок.
Требования на электроустановки производственного и бытового назначения на стадиях проектирования, изготовления, монтажа, наладки, испытаний и эксплуатации, устанавливает общие требования по предотвращению опасного и вредного воздействия на людей электрического тока, электрической дуги и электромагнитного поля, а также номенклатуру видов защиты работающих от воздействия указанных факторов изложены в стандарте «Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты».
Опасное и вредное воздействия на людей электрического тока, электрической дуги и электромагнитных полей проявляются в виде электротравм и профессиональных заболеваний. Нормы на допустимые токи и напряжения прикосновения в электроустановках должны устанавливаться в соответствии с предельно допустимыми уровнями воздействия на человека токов и напряжений прикосновения и утверждаться в установленном порядке.
Для обеспечения защиты от случайного прикосновения к токоведущим частям необходимо применять следующие способы и средства:
- защитные оболочки;
- защитные ограждения (временные или стационарные);
- безопасное расположение токоведущих частей;
- изоляцию токоведущих частей (рабочую, дополнительную, усиленную, двойную);
- изоляцию рабочего места;
- малое напряжение;
- защитное отключение;
- предупредительная сигнализация, блокировка, знаки безопасности.
Для обеспечения защиты от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции, применяют следующие способы:
- защитное заземление;
- зануление;
- выравнивание потенциала;
- систему защитных проводов;
- защитное отключение;
- изоляцию нетоковедущих частей;
- электрическое разделение сети;
- малое напряжение;
- контроль изоляции;
- компенсацию токов замыкания на землю;
- средства индивидуальной защиты.
Технические способы и средства применяют раздельно или в сочетании друг с другом так, чтобы обеспечивалась оптимальная защита.
Классификация рабочего помещения по опасности поражения людей электрическим током.
Условия поражения людей электрическим током в большой степени зависят от характера окружающей среды и окружающей обстановки. Опасность поражения током в зависимости от этих факторов может возрастать или ослабляться. Это объясняется тем, что характер окружающей среды оказывает значительное влияние на состояние изоляции электроустановки. Например, неблагоприятные условия в окружающей среде приводят к снижению сопротивления изоляции, создавая опасность появления напряжения на открытых проводящих частях электроустановок.
Состояние окружающей среды также влияет на электрическое сопротивление тела человека. Например, при повышенной температуре окружающего воздуха и повышенной влажности сопротивление уменьшается.
Опасность поражения людей электрическим током усиливается при наличии токопроводящих полов, а также в тех случаях, когда имеется возможность одновременного прикосновения к проводящим частям электроустановки и сторонним проводящим частям. Например, если человек одновременно коснется корпуса электроустановки, случайно оказавшегося под напряжением, и металлической конструкции, имеющей связь с землей, то через его тело будет протекать ток, который может вызвать электротравму.
В отношении опасности поражения людей электрическим током все помещения разделяются на три группы: помещения без повышенной опасности; помещения с повышенной опасностью; особо опасные помещения:
1) в помещениях без повышенной опасности отсутствуют условия, создающие повышенную или особую опасность.
2) помещения с повышенной опасностью характеризуются наличием в них одного из следующих условий, создающих повышенную опасность:
- токопроводящая пыль или сырость;
- токопроводящие полы (металлические; земляные; железобетонные, кирпичные);
- высокая температура (жаркие помещения);
- возможность одновременного прикосновения к имеющим соединения с землей металлоконструкциям зданий, технологическим аппаратам, механизмам и др., с одной стороны, и к металлическим корпусам электрооборудования - с другой.
3) особо опасные помещения характеризуются наличием условий, создающих особую опасность:
- особая сырость;
- химически активная или агрессивная среда;
- одновременно двух или более условий повышенной опасности.
Помещение относится к помещениям без повышенной опасности, т.к. в нем отсутствуют условия, создающие повышенную или особую опасность.
Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов, протекающих через тело человека, предназначенные для проектирования способов и средств защиты людей, при взаимодействии их с электроустановками производственного и бытового назначения постоянного и переменного тока частотой 50 и 400 Гц устанавливает стандарт ГОСТ 12.1.038-82 «Электробезопасность. Предельно-допустимые уровни напряжений прикосновения и токов».
Напряжения прикосновения и токи, протекающие через тело человека при нормальном (неаварийном) режиме электроустановки, не должны превышать значений, указанных в табл.19.
Таблица 19.
Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов.
Род тока U,В I, мА
не более
Переменный, 50 Гц 2,0 0,3
Переменный, 400 Гц 3,0 0,4
Постоянный 8,0 1,0
Примечания:
1. Напряжения прикосновения и токи приведены при продолжительности воздействий не более 10 мин в сутки и установлены, исходя из реакции ощущения.
2. Напряжения прикосновения и токи для лиц, выполняющих работу в условиях высоких температур (выше 25°С) и влажности (относительная влажность более 75%), должны быть уменьшены в три раза.
Для предотвращения аварий, обслуживающему персоналу необходимо соблюдать следующие правила электробезопасности:
1.) запрещается прикасаться к батарее во время работы, особенно к токосъемникам;
2.) не допускается попадание воды на изолирующие элементы, т.к. нарушение изоляции может вызвать электрическую дугу и явиться причиной аварии;
3.) к ремонтным работам разрешается приступать после выключения батареи;
4.) при остановке батареи нагрузку необходимо отключить на обоих полюсах;
5.) перед пуском батареи должна быть проведена электроизоляция батареи относительно «земли»;
6.) проверка и подтяжка контактов батареи должна проводиться изолированным инструментом;
Анализ потенциальных опасностей и вредностей, выявленных в ходе выполнения экспериментальных исследований, представлен в табл.20.
Меры предосторожности при работе со стеклом.
Большая часть несчастных случаев при нарушении правил работы со стеклом - микротравмы (после которых можно продолжать работу) и легкие травмы (потеря трудоспособности на один или несколько дней). К травмам тяжелой степени относятся травмы, которые могут быть вызваны попаданием осколков стекла в глаза. Легкие травмы - это, в первую очередь, порезы рук при поломке стеклянной посуды, а также ожоги рук при неосторожном обращении с нагретыми до высокой температуры стеклянными изделиями. Особенно опасны порезы осколками посуды, загрязненной химическими соединениями, поскольку в таких случаях токсические вещества могут попадать непосредственно в кровь.
Категорически запрещается использовать стеклянные изделия, имеющие пороки, такие как трещины или отбитые края для работ, связанных с нагреванием. В рабочем столе или шкафу следует держать только самую необходимую, постоянно используемую посуду. Важно, чтобы посуда содержалась в порядке, мелкая посуда в коробках в один слой на вате. Посуда не должна ударяться друг о друга при выдвижении ящиков стола. Минимальный запас посуды в лаборатории должен храниться отдельно. Осколки разбитой посуды убирают с помощью щетки и совка, ни в коем случае не руками. Посуду больших размеров можно переносить только двумя руками. Поднимать крупные бутыли за горло запрещается.
На долю несложной процедуры, такой как мытье посуды, приходится весьма значительное число травм. Мыть посуду желательно сразу же после ее использования, либо в конце рабочего дня. При мытье посуды обязательно использование резиновых перчаток, а в случае использования агрессивных
Таблица 20.
Анализ технологических операций, с точки зрения потенциальных опасностей и вредностей при их осуществлении (выполнении).
Наименование технологической операции. Оборудование, на котором осуществлялась технологическая операция. Реактивы, используемые при проведении операции. Выявленные опасности и вредности. Меры, обеспечившие безопасное проведение технологической операции.
Дробление кварцевого песка Дробилка электрическая - Поражение электрическим током Заземление.
Получение поликристалического кремния Электропечи, вытяжной шкаф Сажа, изопропиловый спирт, кислоты Действие паров спирта, попадание брызг и аэрозолей кислот на открытые участки тела, поражение электрическим током. Воздействие высоких температур. Проведение операций в вытяжном шкафу, использование резиновых перчаток и халата, заземление.
Очистка поликристаллического кремния Установка для рафинирования, плазмохимической чистки Аргон. Опасность поражения электрическим током. Заземление.
Выращивание мультикремния, упаковка Установка направленной кристаллизации Не используются. Поражение электрическим током. Заземление.
Контроль качества Установки контроля качества Не используются. Опасность поражения электрическим током. Заземление.
Вывод: Наиболее опасной является процесс получения поликристаллического кремния. Предложенные меры достаточны для обеспечения безопасности проведения операций. Возможные проблемы. Проблемы не выявлены.
использование резиновых перчаток, а в случае использования агрессивных жидкостей - защитные очки или маску. Для мытья любой посуды в наибольшей степени отвечает требованиям безопасности способ мытья горячей водой, мыльными растворами. Для очистки нерастворимых в воде органических веществ может использоваться мытье органическими растворителями, такими как этиловый спирт, хлороформ и некоторые другие.
Поскольку органические растворители могут быть огнеопасны или представлять опасность для здоровья, операцию проводят в вытяжном шкафу, вдали от нагревательных приборов. Если заранее не известно, какой метод очистки наиболее эффективен в данном случае, начинают с наиболее доступного, к использованию органических растворителей прибегают в случаях, когда загрязнения не отмываются водой.
Меры предосторожности при работе с токсичными и пожароопасными веществами. Работа с токсичными и пожароопасными веществами должна проводиться, как правило, в вытяжных шкафах. Работающий должен быть обеспечен спецодеждой (халатами), предохранительными перчатками и защитными очками. На месте работы необходимо иметь надлежащее противопожарное оборудование и средства (огнетушители, песок). Органические растворители в лаборатории держат в толстостенной стеклянной таре с притертой пробкой. Количество одновременно находящихся в лаборатории растворителей не должно превышать дневной нормы потребности лаборатории. Запасы растворителей следует хранить в специальном хранилище.
Меры предосторожности при работе с нагревательными приборами. Причиной ожога может стать прикосновение голыми руками к раскаленным или сильно нагретым предметам лабораторного оборудования и стеклянной посуде. Во избежание подобных травм при переносе нагретых стеклянных предметов необходимо пользоваться защитными перчатками и полотенцем и не прикасаться к нагревательным приборам.
Санитарно-гигиенические условия в рабочем помещении. Микроклиматические условия.
При описании микроклиматических условий указываются оптимальные и допустимые микроклиматические условия в лаборатории в соответствии с Санитарными правилами и нормами СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений».
Санитарные правила устанавливают гигиенические требования к показателям микроклимата рабочих мест производственных помещений с учетом интенсивности энерготрат работающих, времени выполнения работы, периодов года и содержат требования к методам измерения и контроля микроклиматических условий.
Показателями, характеризующими микроклимат в производственных помещениях, являются:
- температура воздуха;
- температура поверхностей;
- относительная влажность воздуха;
- скорость движения воздуха;
- интенсивность теплового облучения.
Категории работ разграничиваются на основе интенсивности энерготрат организма в ккал/ч (Вт). Производимая работа относится к категории Iб. К категории Iб относятся работы с интенсивностью энерготрат 121-150 ккал/ч (140-174 Вт), производимые сидя, стоя или связанные с ходьбой и сопровождающиеся некоторым физическим напряжением.
Оптимальные параметры микроклимата на рабочих местах должны соответствовать величинам, приведенным в табл.21 «Оптимальные нормы микроклимата в рабочей зоне производственных помещений», применительно к выполнению работ категории Iб в холодный и теплый периоды года.
Таблица 21.
Оптимальные нормы микроклимата в рабочей зоне производственного помещения.
Период года Категория работ по уровню энергозатрат, Вт Температура, ˚С Относительная влажность, % Скорость движения воздуха, м /с
по СанПиН 2.2.4.548-96 в помещении по СанПиН 2.2.4.548-96 в помещении по СанПиН 2.2.4.548-96 в помещении
Холодный Iб 140-174 21-23 22-23 60-40 50-55 0,1 0,1
Теплый Iб 140-174 22-24 23-24 60-40 55-60 0,1 0,1
Допустимые величины показателей микроклимата устанавливаются в случаях, когда по технологическим требованиям, техническим и экономически обоснованным причинам не могут быть обеспечены оптимальные величины.
Допустимые величины показателей микроклимата на рабочих местах должны соответствовать значениям, приведенным в табл. 22. применительно к выполнению работ категории Iб в холодный и теплый периоды года.
Тепловая нагрузка среды (ТНС) - сочетанное действие на организм человека параметров микроклимата (температура, влажность, скорость движения воздуха, тепловое облучение), выраженное одночисловым показателем в °С.
Таблица 22.
Допустимые нормы микроклимата в рабочей зоне производственных помещений.
Период года Категория работ по уровню энергозатрат, Вт Температура, ˚С
по СанПиН 2.2.4.548-96 Относительная влажность, %
по СанПиН 2.2.4.548-96
Скорость движения воздуха, м /с
по СанПиН 2.2.4.548-96
диапазон ниже оптимальных величин диапазон выше оптимальных величин для диапазона температур воздуха ниже оптимальных температур, не более для диапазона температур воздуха выше оптимальных температур, не более
Холодный Iб 140-174 19,0-20,9 23,1-24,0 15-75 0,1 0,2
Теплый Iб 140-174 20,0-21,9 24,1-28,0 15-75 0,1 0,3
Рекомендуемая величина интегрального показателя тепловой нагрузки среды (ТНС-индекса) для профилактики перегревания организма по СанПиН 2.2.4.548-96 для категории работ по уровню затрат Iб составляет 21,5-25,8˚С.
Оптимальные величины показателей микроклимата соблюдены на рабочем месте производственного помещения, на котором выполняются работы по выполнению экспериментальной работы инженерного диплома.
Расчёт освещённости.
Одним из основных факторов, обеспечивающих здоровый, безопасный и высокопроизводительный труд, является правильное и рациональное освещение рабочих мест. Во всех случаях, когда не хватает естественного освещения, прибегают к использованию искусственного, которое осуществляется при помощи ламп дневного освещения.
В помещении предусматривается совмещенное освещение, которое включает в себя естественное и искусственное. Естественное освещение - боковое. Искусственное освещение выполнено люминесцентными лампами.
Для расчета освещенности помещения Е (лк) следует использовать выражение :
, где: (22)
F – световой поток одной лампы, лм; определяется в зависимости от напряжения питания и мощности ламп;
n – количество ламп в помещении; n=24;
η – коэффициент использования светового потока, доли единицы; для различных типов светильников в зависимости от ρс и ρп и индекса помещения i ;
S – площадь пола помещения, 38 м2;
K – коэффициент запаса освещенности, учитывающий падение напряжения в электрической сети, изношенность и загрязненность ламп, светильников, стен помещения и т.д.; принимается равным 1,5;
z – поправочный коэффициент светильника, учитывающий неравномерность освещения, имеющий значения z = 1,15 ÷ 1,20 – для газоразрядных ламп;
ρс и ρп – коэффициенты отражения стен и потолка; с=50%, п=70%.
Индекс помещения рассчитывается по формуле:
, где (23)
А и В – длина и ширина помещения, м;
Нр – высота подвеса светильника над рабочей поверхностью (расстояние от светильника до рабочей поверхности), 3 м.
Для удобства обслуживания высоту подвеса светильников не следует принимать более 4-5м. Свес светильников с потолка принимается 0,5- 0,7м, но не более 1,5м, высота рабочей поверхности над полом обычно составляет 0,8м.

Световой поток F люминесцентной лампы ЛБ-40 (Л – люминесцентная; Б – белого цвета; 40 – мощность, Вт) по ГОСТ 6825–91 равно 3200 лм. Количество ламп в помещении 24.
При i=1,0 =43, следовательно:
Е=3200·24·0,43/38·1,5·1,2 = 480 лк.
Общая освещенность 480 лк. Условия освещенности в рабочем помещении представлены в таблице 23.
Таблица 23.
Условия освещенности в рабочем помещении:
Характеристика зрительной работы Наименьший размер объекта различения, мм Разряд зрительной работы Подразряд зрительной работы Контраст объекта различения с фоном Характеристика
фона Освещенность, лк
При системе комбинированного освещения При системе общего освещения
всего в том числе общего 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Высокой точности 0,3-0,5 III а малый тёмный 2000
1500 200
200 500
400
Согласно СНиП 23-05-95, норма освещённости на рабочей поверхности не может быть ниже 300 лк. По данным расчета искусственного освещения достаточно для проведения работ или производственного обучения.
Заключение.
Рассмотрены пожароопасные свойства веществ и материалов, используемых и получаемых в процессе выполнения работы. Приведены средства пожаротушения и меры безопасности при работе с данными веществами. Определена категория помещения по взрывопожарной и пожарной безопасности, исходя из расчетов, цех относится к категории А. Расчеты велись по наиболее взрывопожароопасному веществу - изопропиловому спирту.
Также рассмотрены характеристики токсичных веществ, приведены меры и средства первой помощи при воздействии на организм, описан характер воздействия, определен класс опасности.
Рассмотрены меры безопасности при работе с электроустановками и меры по предотвращению электротравм. Приведена классификация рабочего помещения по опасности поражения людей электрическим током. Цех относится к помещениям без повышенной опасности.
Представлен анализ потенциальных опасностей и вредностей при выполнении работ. Анализ технологических операций показал, что операция плазмохимической чистки является наиболее опасной. Предложены меры для обеспечения безопасности проведения операций.
Определены санитарно-гигиенические условия в рабочем помещении, микроклиматические условия соответствуют оптимальным нормам климата в рабочей зоне. Совместное освещение, используемое в цехе, достаточно для проведения работ.
Экология производства.
Состояние экологии - одна из важнейших проблем современности. В результате своей жизнедеятельности человечество постоянно нарушает экологический баланс, происходит это при добыче полезных ископаемых, при производстве материальных и энергетических средств. Усугубляет ситуацию и то, что значительная доля загрязняющих веществ и СО выбрасывается в атмосферу в процессе эксплуатации двигателями внутреннего сгорания, применяемыми во всех сферах нашей жизни.
В основном существуют три основных источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общем загрязнении воздуха сильно различается в зависимости от места. Сейчас общепризнанно, что наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы.
В странах ЕЭС на долю промышленности и энергопроизводства приходится до 30% выбросов оксида углерода, до 50 % – оксида азота, до 55% – углеводородов, и это при жестких экологических требованиях к транспорту и применяемым топливам.
Применение ФЭС коренным образом изменит ситуацию, так как в самом принципе преобразования солнечной энергии заложено условие экологической безопасности.
Экологический анализ дипломной работы
Предупреждению нежелательных и необратимых нарушений характеристик окружающей среды может способствовать только комплексный подход в решении экологических проблем.
По видам вредных воздействий на природную среду и человека выделяют токсичные, радиоактивные, пожаро- взрывоопасные, коррозионно-активные (агрессивные) и отходы, вызывающие инфекционные заболевания.
Отнесение отходов к классу опасности для окружающей среды (ОС) может осуществляться расчетным или экспериментальным методами. В дипломной работе используем только расчетный метод.
Класс опасности отходов для ОС определяется на основании показателя (К), характеризующего степень опасности отхода при его воздействии на ОС, рассчитанного по сумме показателей опасности веществ, составляющих отход (компоненты отхода), для ОС.
Показатель степени опасности отхода К для ОС рассчитывают по следующей формуле:
, где (24)
- показатели степени опасности отдельных компонентов отхода для ОС.
Показатель степени опасности i-того компонента отхода для ОС Ki рассчитывается по формуле:
, где (25)
Сi - концентрация i-того компонента в отходе, мг/кг отхода;
Wi - коэффициент степени опасности i-того компонента отхода, который представляет собой условный показатель, численно равный количеству компонента отхода, ниже значения которого он не оказывает негативных воздействий на ОС. Размерность коэффициента степени опасности для ОС условно принимается как мг/кг.
Коэффициент Wi, рассчитывается по значению его логарифма по одной из следующих формул:
при 1≤ Zi ≤ 2;
при 2 < Zi ≤ 4;
при 4 < Zi ≤ 5, где
Zi - вспомогательный показатель, определяемый по формуле:
, где (26)
Xi - относительный параметр опасности компонента отхода для ОС, который определяется как среднее арифметическое баллов степени опасности для ОС в различных природных средах. Значения параметра опасности компонентов отхода представлены в таблице 24.
Таблица 24.
Относительный параметр опасности компонента отхода на окружающую среду.
Показатель HCl CO C3H8O
вел-на балл вел-на балл вел-на балл
ПДКрз, мг/м3 1,0 2 0,3 2 1000 4
Класс опасности II 2 IV 2 IV 4
ПДКсс, мг/м3 0,1 2 - - - -
ПДКмр, мг/м3 0,3 3 - - - -
Балл информационной обеспеченности 4 1 2 1 2 1
Xi 2,5 4,5 4,5
Значения вспомогательного показателя Zi, коэффициента степени опасности Wi и другие расчетные данные, необходимые для расчета показателя степени опасности по каждому веществу Ki приведены в табл.25.
Таблица 25.
Результаты расчета коэффициента степени опасности.
Компонент отхода HCl CO C3H8O
Ci, мг/кг 30000 1400 940
Xi 2,5 4,5 4,5
Zi 3,0 3,0 5,0
Lg Wi 3,0 3,0 6,0
Wi 103 103 106
Ki 30 1,4 0,0094
Рассчитываем показатель степени опасности отхода, суммируя показатели степени опасности отдельных компонентов отхода:
K = 30+1,4+0,0094=31,4
Анализируя данный показатель и делая вывод из того, что данная степень попадает в диапазон значений 10<K<102, говорит о том, что класс опасности отхода IV. Степень вредного воздействия опасных отходов на окружающую среду низкая.
Средства обезвреживания отходов
Одним из основных способов снижения воздействия промышленного производства на воздушную среду является повышение эффективности очистки и обезвреживания выбросов.
Для улавливания газообразных отходов применяются следующие методы:
- пылеулавливание (существует две основных системы пылеулавливания техническая, для технических целей и санитарная для защиты воздушного бассейна от загрязнения вредными химическими веществами);
- газоочистка, т.е. процесс очистки газов от газообразных примесей.
- доокисление.
- для кислот применяют нейтрализацию, а для всех растворителей, разбавление перед сливом и перегонку.
Вывод.
В результате проведённых исследований, были получены отходы, класс опасности которых, на основании полученных расчётов составил К = 31,4, следовательно, класс опасности отходов для окружающей среды – IV. Степень вредного воздействия на окружающую среду низкая. Также предложены меры по снижению вредного воздействия отходов на окружающую среду.

Выводы.
1. Рассмотрены принцип работы солнечного элемента и требования, предъявляемые к материалу для его создания. Обоснован выбор мультикремния как материала для солнечных элементов.
2. Описаны физико-химические аспекты выращивания мультикристаллического кремния. Дано сравнение технологических процессов получения мультикремния методом водородного восстановления и методом карботермического восстановления. Показана целесообразность применения процесса карботермического восстанвления при получении кремния для солнечной энергетики.
3. Разработана технологическая схема получения мультикристаллического солнечного кремния. Выявлены состав основного и вспомогательного оборудования и перечень исходных материалов, необходимых для производства.
4. Проведен расчет материального баланса и состава оборудования, обеспечивающего производство солнечного кремния объемом 12 тонн в год.
5. Разработана технологическая планировка цеха по производству солнечного кремния с заданным годовым объёмом и спецификация к ней.
6. Проведен расчет экономических показателей цеха, установлено, что себестоимость выпускаемой продукции находится в пределах рентабельности.
7. Разработаны мероприятия по охране труда и экологической безопасности производства.
Литература
1. Толмачев В.В. Квантовая физика полупроводников. - М.: Эликс, 2007. 83 с.
2. Мейтин И.И. Пусть всегда будет солнце. – 2011.
3. Фалькевич Э.С., Пульнер Э.О., Червоный И.Ф. и др. Технология полупроводникового кремния. - М.: Металлургия, 2002. 408с.
4. Для приготовления шихты полупроводниковых материалов по приготовлению и легированию загрузок: рабочая инструкция. / №09-4/13, 2009.
5. Бельский С.С. Совершенствование процессов рафинирования при получении кремния высокой чистоты: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. – Иркутск, 2009. 16 с.
6. Потолоков Н.А., Решетников Н.М., Кутовой И.С. и др. Промышленное производство мультикристаллов: проблемы, перспективы // Сб. Тезисы докладов VII Международной конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «Кремний-2010» - Н.Новгород, 6-9 июля 2010. С. 70.
7. Абдюханов И.М. Технологии производства металлургического кремния повышенной чистоты для наземной фотоэнергетики, 2007.
8. Бевз В. Е., Данилейко Н. Н., Войчук Ф. С. Устройство для выращивания монокристаллов кремния: патент № 4533700 / 98-43/26, а.с. 327429 СССР, МПК С 30 В 15/00 - Заявл. 30.07.90
9. Толстогузов Н.В. Теоретические основы и технология плавки кремнистых сплавов. - М.: Металлургия, 1992.
10. Наумов А. В. Рынок солнечной энергетики: кризис электронной техники, 2009. № 2 (46). С. 8-12.
11. Наумов А. В. Современное состояние рынка поликристаллического кремния нанометровых структур и приборов на его основе // Сб. Тезисы докладов VII Международной конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «Кремний-2010» - Н.Новгород, 6-9 июля 2010. С. 58.
12. Кузнецов Ф. А., Резниченко М.Ф. Перспективы развития солнечной электроэнергетики. Роль Азии. С. 80.
13. Бельский С. С. Совершенствование процессов рафинирования при карботермическом получении кремния высокой чистоты: автореф. дисс. канд. техн. наук. – Иркутск, 2009. 16 с.
14. Химическая энциклопедия. В 5 т. / Под ред. И.Л. Кнунянца — М.: Советская энциклопедия, 1990. Т. 2. 671 с.
15. Ulset T. Update on Elkem Solar grade silicon production and application experien // PHOTON's 8th Solar Silicon Conference – Stuttgart, 2010.
16. Johnson R. Calisolar. Solar Cells Based on Smart Silicon // Silicon Conference – Stuttgart, 2010.
17. Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева Л.Л. Химические свойства неорганических веществ: учебник для вузов. – М.: Химия, 2000. 480 с.
18. Попов С.И. Металлургия кремния в трехфазных руднотермических печах // Иркутск, 2004. 237 с.
19. Технология полупроводникового кремния / Под ред. Э.С. Фалькевича - М.: Металлургия, 1992. 408 с.
20. Немчинова Н.В., Клёц В.Э., Непомнящих А.И. // Фундаментальные ис-
Следования, 2006. №12. С. 13.
21. Fujiwara K., Obinata Y., Ujihara T., Usami N., et al. // J. Crystal Growth, 2004.Vol. 266. P. 441.
22. Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии: пер. с англ. - М.: Мир, 1984. 475 с.
23. Бельский С.С., Немчинова Н.В., Красин Б.А. // Современные наукоемкие технологии, 2006. №8. С. 21.
24. Крестовников А.Н., Вигдорович В.Н. Химическая термодинамика - М.: Металлургиздат, 1962. 280 с.
25. Красин Б.А., Непомнящих А.И., Немчинова Н.В., Рожкова С.М. // Матер. 3 Российской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» - Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2006. С. 161.
26. Васильева И.Е., Шабанова Е.В., Сокольникова Ю.В. и др. Комплекс методов определения примесей в мультикремнии и продуктах его производства // Аналитика и контроль, 2001. Т.5. №1. С.24.
27. Красин Б.А., Непомнящих А.И., Немчинова Н.В., Красин И.Б. // Матер. научно-практической конференции «Перспективы развития технологии, экологии и автоматизации химических, пищевых и металлургических производств» - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2005. С.45.
28. Пшеничнов Ю.П. Выявление тонкой структуры кристаллов: справочник. - М.: Металлургия, 1974. 528 с.
29. Немчинова Н.В. // Вестник ИрГТУ, 2007. № 2 (30). Т.1. С. 30.
30. Кузнецов Ф. А. Перспективы развития солнечной электроэнергетики. Роль Азии / Ф. А. Кузнецов, М. Ф. Резниченко – Там же.
31. T. Buonassisi, A. A. Istratov, M. D. Pickett. Metal precipitation and grain boundaries in silicon: Depedence on grain boundary character and dislocation decoration //Appl. Phys. Lett, 2006. Vol. 89. P. 97-102.
32.Кведер В.В. Инженерия дефектов в кремнии для фотовольтаики // Тез. докл. – С. 49.
33. Seibt M., Sattler A., Rudolf C. Gettering in Silicon Photovoltaics: Current State and Future Perspectives // Phys. Stat. Sol. (a)., 2006. Vol. 203. P. 696-699.
34. Быткин С. В. Сравнительный анализ электрофизических параметров монокристаллов кремния, подвергнутых длительному хранению при 300 К / / Сб. тезисов VI Международной конференции и V Школы молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «Кремний-2009» - Новосибирск, 7-10 июля 2009. С. 54-56.
35. Критская Т. В. Особенности технологий фотоэлектрических преобразователей на основе кристаллического кремния // Сб. тезисов VII Международной конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «Кремний-2010» - Н.Новгород, 6-9 июля 2010. С. 64.

Приложенные файлы

  • docx 19086113
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий