«Наука в Сибири» N 17 (2702) 30 апреля 2009 г.

ГАЗОГИДРАТЫ И ГАЗОГИДРАТЧИКИ

Газогидраты привлекают сегодня внимание специалистов всего мира. Интеграционный проект «Фундаментальные вопросы физической химии газовых гидратов — исследования в интересах практического использования» нацелен на то, чтобы «хорошую науку приложить к конкретной практически значимой области».

Л. Юдина, «НВС»

Так говорит координатор проекта, заведующий лабораторией клатратных соединений Института неорганической химии СО РАН доктор химических наук А. Ю. Манаков.

Газогидратами в ИНХе занимаются давно. Фундаментальные результаты сибиряков хорошо известны их коллегам в стране и за рубежом.

Андрей Юрьевич приобщился к газогидратной тематике еще студентом первого курса НГУ. Научную деятельность начал в лаборатории Юрия Алексеевича Дядина, всё глубже погружаясь в тематику, и после окончания университета проблем с выбором места работы не было.

Потом на три года молодой ученый уезжал в Польшу, защитил там кандидатскую. В 1997-м вернулся в Россию, в родной институт, к газогидратам.

— Андрей Юрьевич, как формировалась команда исполнителей проекта?

— Газогидратная тематика в Сибирском отделении — одна из старейших. Достаточно сказать, что в коллективе первооткрывателей газовых гидратов в природе два человека из СО РАН — академики А. А. Трофимук и Н. В. Черский — занимали ключевые позиции. Был, правда, и некоторый период «затишья» в самом начале 90-х. Сейчас опять оживление. В рамках Сибирского отделения современная команда газогидратчиков сформировалась, пожалуй, лет 10 назад. Вместе выполняли газогидратные интеграционные проекты под руководством академика Ф. А. Кузнецова. Без этих проектов знакомства химиков и геологов, возможно, и не произошло бы. Большую роль в организации тех проектов играл Ю. А. Дядин. Работал очень большой коллектив из множества институтов, всех упомянуть невозможно. Сейчас все мы «варимся в одном котле», знаем интересы и возможности друг друга. В настоящее время в нашем институте газогидратная тематика развивается в трех группах (мы, В. Р. Белослудов, В. И. Косяков) — разные интересные направления с любопытными результатами. В Тюмени, в Институте криосферы Земли, группа А. Н. Нестерова занимается кинетикой гидратообразования, гидратообразованием в пористых средах и т.д. Круг интересов М. В. Кирова из того же института — конфигурация протонной подсистемы в гидратных каркасах. Давным-давно работает с газогидратами группа А. Д. Дучкова из Института нефтегазовой геологии и геофизики. Со всеми, помимо общих интересов, есть и совместные публикации.

Когда объявили конкурс, идея подготовить газогидратный проект практически одновременно появилась во всех коллективах, что сразу же определило и круг участников. Все буквально загорелись, ибо у каждого были свои идеи и предложения — фундаментальные исследования порой предполагают оригинальные выходы. Проект получился физико-химической направленности, чисто геологические направления в нем не представлены. Хорошие отношения установили с представителями Института гидродинамики (лаборатория В. В. Сильвестрова). Там есть нужный прибор и знающие специалисты, с ними занимаемся порошковыми дифракционными исследованиями. Завязали отношения с Институтом цитологии и генетики.

— При чем здесь биологи?

— Тут вот какая ситуация. Исследования подводили к тому, что кристаллы газогидратов могут образовываться в разных системах. В свое время знаменитый Лайнус Полинг, дважды лауреат Нобелевской премии, выдвинул гидратную теорию наркоза. Он обратил внимание на то, что вещества, обладающие анестезирующими свойствами, во многих случаях образуют клатратные гидраты, и предположил, что анестезирующее действие вызвано образованием гидратоподобных структур вблизи нервных окончаний. Мы попробовали сделать гидрат из разных биологических объектов. Начали с обычных сосновых игл.

— Получилось?

— Совсем не то, чего ожидали. Но результат наводит на интересные размышления. Вот и понадобилась помощь биологов.

— То есть, разнообразный круг интересов?

— Во всем мире исследования гидратов ведутся комплексно, представителями самых разных специальностей. В основном, всё-таки, разрабатывается топливно-энергетическое направление. Трудно сказать, станут ли гидраты действительно «топливом будущего», но совершенно ясно, что на Земле их очень много. По самым скромным (возможно, и реалистичным) оценкам количество газа в гидратах равно количеству газа в разведанных месторождениях обычного типа. Оптимисты дают на два порядка больше. Кроме того, гидраты, пожалуй, самый чувствительный к изменению условий залегания компонент верхней части земной коры, т.е. в любом случае заслуживают пристального внимания. Гидратная проблематика пересекается с множеством научных направлений. Сейчас, например, одна из интересных задач — разработка гидратных методов криоконсервации биологических тканей. Это уже медицина.

— У зарубежных коллег накоплен более богатый опыт в работе с этими объектами?

— Каждый ставит перед собой определенные задачи. У американцев в настоящее время существует программа по газогидратам. На ее реализацию выделено 150 млн долларов. Главная цель программы — сделать гидраты действующим источником природного газа. Они активно ведут разведку, и на карте обозначено уже множество мест залегания гидратов в разных точках земного шара.

На севере Канады в зоне вечной мерзлоты расположен один из международных газогидратных «полигонов». В зоне вечной мерзлоты разведали большое скопление газогидратов, исследовали их всеми возможными современными методами, провели пробную добычу. Газ, конечно, извлекли, но цены он был сумасшедшей! Материалы исследований составили толстенный том. Японцы проявляют к гидратам не меньший интерес, ведется бурение в районе глубоководного желоба Нанкаи (вблизи Японских островов). Кроме того их интересует возможность транспортировки природного газа в гидратной форме. Значительную часть потребляемого газа японцы возят из Юго-Восточной Азии в виде сжатого или сжиженного газа. (Не дай Бог, взорвется! Настоящая катастрофа.) Реальная альтернатива — транспортировка в форме гидрата. Этот проект продвинулся довольно далеко, строятся полупромышленные установки с производительностью несколько тонн гидрата в сутки.

— Газогидаты иногда сравнивают со сказочным ларцом на дне океана, ключ от которого находится в руках ученых. Ваш проект поспособствует привлечению этих богатств на службу человечеству?

— Хочу подчеркнуть, что мы прежде всего занимаемся фундаментальными аспектами проблемы. Но в наших силах, хочу на это надеяться, предложить составляющие, соединив которые, можно будет предложить вполне конкретный вариант. К программе ведь только подступаем. Хотелось бы в деталях разобраться и в том, что делают коллеги-газогидратчики за рубежом, в чем-то перенять их опыт. Чтобы не отстать очень сильно.

— С «Газпромом» контактируете?

— Пока отношения не очень складываются — предпринимаются только попытки. У нас хорошие отношения со специалистами по гидратам из подразделения «Газпрома» — Московского ВНИИГАЗа. Шла речь о формировании газогидратной программы «Газпрома» с привлечением соответствующих институтов, газогидратного центра ВНИИГАЗа. Но затея, к сожалению, не увенчалась успехом.

— Не хватило денег?

— Трудно сказать. Возможно, желания. Хлопот много, а у «Газпрома» забот хватает. Финансовый кризис опять же. Запасов газа пока вполне достаточно. Хотя, если заглянуть далеко вперед, то можно и обеспокоиться. А если знать наверняка, что существует надежный запасной вариант — газогидраты... Но это так, мысли вслух.

— В стране много запасов газогидратов?

— Известен ряд скоплений — Черное, Охотское моря, даже озеро Байкал. Скопления в вечной мерзлоте. Но все специалисты едины во мнении, что искать надо более активно — находят, когда хотят этого и ведут поиск. Много территорий, где предположительно могут быть газогидраты, не разведаны, соответственно, их запасы не оценены.

— Андрей Юрьевич, какие конкретные направления вырисовываются сегодня в работе над проектом?

— Они вытекают из тех тем, которые ведутся в институтах. С Институтом нефтегазовой геологии и геофизики сотрудничаем по теме «Экспериментальное моделирование гидратонасыщенных пород и изучение их свойств». Этим направлением занимаются еще только в МГУ. Развитие расчетных методик всегда имеет смысл — зачастую лучше прежде посчитать, чем сразу углубляться в дорогостоящие и сложные эксперименты. И, наконец, разработка некоторых способов, форм транспорта природного газа. Здесь, пожалуй, более перспективным может оказаться даже не транспорт газа, а разделения газовых смесей через образование гидратов.

— Скажите, Андрей Юрьевич, какая из газогидратных тем ИНХа, на ваш взгляд, наиболее близка интересам практики?

— Не буду говорить за коллег, мне ближе основные направления работ моей лаборатории. Была в институте группа профессора В. Л. Богатырева. Она занималась гидратами в ионообменных смолах. По структуре смолы — типичные полимеры, некая паутина или клубок из углеводородных цепей. В ионообменных смолах эти полимерные молекулы сшиты между собой молекулярными мостиками. В зависимости от целей содержание этих сшивок может быть разное. В воде смола набухает, но не растворяется. И самое интересное, внутри такой структуры могут образовываться гидраты. Если смолу перевести в тетраалкиламмониевую форму, то при замерзании в грануле смолы образуются микрокристаллы гидратов. Причем, эти кристаллики занимают практически весь объем гранулы. Сейчас пытаемся изучить структурные особенности таких образований.

— Не будем вдаваться в подробности — это область специалистов. Но всё-таки в чем здесь специфика?

— Это единственный клатратный гидрат, который при разложении не изменяет свое фазовое состояние, как были твердые гранулы, так и остались, хотя внутри его структура разрушилась. А ведь одно из основных затруднений при транспорте газа в виде гидратов — малая скорость реакции гидратообразования из газа и жидкой воды. Необходимо, упрощенно говоря, чтобы вода и газ хорошо и быстро перемешались. А это сложно. Японцы обошли данный момент, создав специальный реактор. У них действует полупромышленная установка. Но не получается цикличность: гидрат образовал — разложил, образовал — разложил. Когда гидрат растаял, получаем обычную жидкую воду. Чтобы вновь сделать гидрат, ее нужно распылять и т.д. А в гидратах ионных смол, о которых мы вели речь, гранулы как были, так и остались неразрушенными. Так что идея вполне реально может сработать при решении проблем хранения и транспорта газа.

— Что на данный момент представляется наиболее непреодолимым?

— Да не только на данный момент! Вся беда в том, что научная разработка зачастую не имеет адреса. Знаете, как интересно заниматься делом, когда заказчик стоит на пороге!

— Но, позвольте, Андрей Юрьевич, вы только что делали упор на то, что ваше основное назначение — фундаментальная наука.

— Одно другому не противоречит. Да, технологию мы не разработаем. Но фундамент для нее можем заложить. И если на нашем фундаменте специалисты начнут возводить здание, вот это и есть та самая связь науки и практики. Результативно действующая цепочка. Только своими силами прорываться трудно. Но мы всё равно ищем возможности. Надеемся, что в рамках интеграционного проекта удастся предложить что-то реальное.

Фото В. Новикова

стр. 5

Версия для печати  
(постоянный адрес статьи) 
http://www.sbras.ru/HBC/hbc.phtml?6+500+1

«Наука в Сибири» N 48 (2683) 11 декабря 2008 г.

МОЛОДЫЕ ХИМИКИ УКРЕПЛЯЮТ ПОЗИЦИИ

Сразу трое молодых ученых Института неорганической химии СО РАН — аспиранты Екатерина Майничева, Павел Абрамов и кандидат химических наук Артем Гущин вошли в число победителей престижного конкурса среди молодых ученых России.

Л. Юдина, «НВС»

Проводит конкурс Европейская академия — неправительственная организация, объединяющая ученых стран Старого света. Она имеет свое представительство и в Москве. Этот конкурс — 15-й. Его лауреатами стали 22 молодых исследователя в возрасте до 33 лет. Победителям вручены дипломы, медали и денежные премии. Лучший результат в неофициальном общекомандном зачете — у Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН.

Екатерине Майничевой 24 года, коренная жительница Академгородка. Здесь родилась, ходила в детский садик, училась в школе-колледже № 130, а потом в НГУ. Родители и брат — сотрудники Сибирского отделения Академии наук.

Учеба на втором курсе университета ознаменовалась тем, что Катя пришла в Институт неорганической химии, в лабораторию химии кластерных и супрамолекулярных соединений. К четвертому курсу определилась с объектом исследований — «Полиядерные аквакомплексы металлов — супрамолекулярные аддукты с органическим макроциклическим кавитандом кукурбит[6]урилом» и процессы гидролиза.

Четыре с половиной года ведет исследования. 10 декабря Екатерина Майничева вышла на защиту кандидатской диссертации (аспирантуру она заканчивает в июле 2009 года).

— Катя, какие моменты в научной работе привлекают вас больше всего?

— Эксперименты! Химия — это прежде всего эксперименты. Интереснейший длительный процесс, томительное ожидание результата — получится монокристалл или случится сбой.

— Что требуется совершить, чтобы получился?

— Подобрать соответствующие условия синтеза, иной раз перебрав множество вариантов. Из ста синтезов, бывает, «сработает» только один.

Дело в том, что работаем мы с малыми количествами вещества, и действовать в каждом конкретном случае следует четко и аккуратно.

Знаете, начнешь заниматься синтезом — захватывает абсолютно! А если еще получается, эксперимент удается — радости нет предела.

— Получили требуемый монокристалл — что дальше?

— Исследуем его различными физико-химическими методами.

— Катя, удалось ли наладить за столь короткий научный стаж зарубежные контакты, побывать в лабораториях коллег?

— Год находилась в Германии в лаборатории почетного профессора ИНХ СО РАН Д. Фенске, который занимается гигантскими кластерами металлов. Собственно, он один из основателей данного направления. Когда профессор Д. Фенске приезжал в ИНХ на научное мероприятие, где проходило его посвящение в Почетные сотрудники института, я там выступила с докладом в рамках отчетной сессии по проектам ИНТАС. После профессор предложил мне и Тане Митькиной, тоже представившей аудитории свое сообщение (в сентябре этого года Таня защитилась), поработать в его лаборатории. Там я получила ряд интересных результатов, которые вошли в диссертацию.

Недавно вернулась из Дании. Поездка состоялась благодаря стипендии фирмы «Халдор-Топсе», которая давала возможность трехнедельной стажировки.

— Можно считать — наука навсегда?

— Пока планирую оставаться в науке, а далее посмотрим, как жизнь повернется.

Павел Абрамов. 23 года. Сегодня с полным правом называет себя жителем Академгородка, хотя приехал в Новосибирск с северо-востока Иркутской области. После школы сразу поступил в НГУ и почти сразу выбрал место, где он хотел бы работать — Институт неорганической химии СО РАН. С 1-го курса Павел был приписан к лаборатории химии кластерных и супрамолекулярных соединений, группе, которая занимается кластерными соединениями металлов, в частности, вольфрама. Это одно из направлений его диссертационной работы. В круге интересов начинающего ученого — комплексы на основе селена, получение новых халькогендиных комплексов, кластеров, платиновых металлов, рения, молибдена: «Чем только не занимался я в последнее время!»

— Чтобы отличиться в конкурсе, надо не просто иметь публикации, но статьи, которые одобрены коллегами?

— На конкурс отправляли, как водится, пакет документов, в числе которых и пять лучших научных работ с высоким импакт-фактором. Также требовалось указать несколько зарубежных рецензентов. Возможно, работы попали к тем, с кем мы сотрудничаем. О полученных нами результатах отзываются очень неплохо.

— Думаете ли защититься досрочно, до окончания аспирантуры?

— Впереди много времени — почти два года. Не буду загадывать. Но пока график опережаю.

— Есть ли планы относительно зарубежных командировок?

— В следующем году собираюсь в Германию. Задумок — множество. Прорабатываются разные варианты. Надо быть активными — искать, находить, добиваться!

Артем Гущин. 27 лет. Кандидат химических наук, научный сотрудник института.

Побеседовать с ним не удалось. Почти год, как Артем работает в Дании. Следующий год, как запланировано, проведет в научной лаборатории в Испании.

Сегодня у молодых исследователей масса возможностей проявить себя. Соответственно, и фактов, подтверждающих, что молодежь все увереннее заявляет о себе, становится больше с каждым днем. Заметно увеличивается число героев в Институте неорганической химии. В прошлом номере газеты мы рассказывали о кандидате химических наук Софье Артемкиной, получившей стипендию Л'Ореаль-ЮНЕСКО. И вот еще трое ребят из лаборатории, которой заведует директор института доктор химических наук В. П. Федин, отмечены в российском масштабе.

— Владимир Петрович, вероятно, дают о себе знать результаты проводимой молодежной политики?

— Именно так! ИНХ — один из первых институтов Сибирского отделения. В нем работала плеяда замечательных ученых, заложены хорошие традиции. И поныне в ИНХе трудится много бесконечно преданных делу людей. Но в какой-то момент, лет пять назад, вопрос омоложения коллектива встал перед нами во весь рост. Была разработана программа привлечения в институт молодых и талантливых. И, как видите, эта политика дает свои плоды. Будем и дальше активно действовать в обозначенном направлении, «завлекать» студентов НГУ — благо, что у нас под боком такая замечательная кузница кадров. Но конкуренция высока. В Сибирском отделении много химических институтов, и все они прилагают немало усилий, чтобы заинтересовать выпускников, привлечь на свою сторону. Возьмите хотя бы Институт катализа — один из лучших в РАН! Не так просто с ним соперничать.

— Наверное, важно не только выбрать трудолюбивых и талантливых, но и направлять их в дальнейшем?

— Должен заметить, что сейчас в науку приходят в основном очень толковые и активные, со своими идеями и представлениями об этапах дальнейшей деятельности. Безусловно, важно изначально сформулировать верно задачу, даже, может быть, ориентируясь на личностные качества молодого человека. Иначе можно много усилий затратить на то, что сейчас неинтересно, неактуально.

— Тематика вашей лаборатории отвечает требованиям времени?

— Уже тот факт, что она чуть ли не самая молодая в ИНХ — создана пять лет назад, говорит об актуальности исследований. И работы, которые ведут сотрудники, лет 10 назад были просто немыслимыми. Супрамолекулярная химия — это то, что сегодня происходит на наших глазах. Фундаментальные исследования ведутся в таких классах соединений, которые прежде были неизвестны, но сулят широкое практическое использование.

— Много ли сотрудников в лаборатории? Сколько молодых?

— На сегодня научных сотрудников около двадцати — всех возрастов. Плюс примерно десять студентов и аспирантов.

— Владимир Петрович, назовите характерные черты каждого из троих, что недавно отмечены наградами.

— Все ребята замечательные. Катя — очень собранная, умница. Здорово умеет концентрировать внимание на главном, отсекая все лишнее.

Павел — романтик. Берется сразу за многое, главное, потом получает интересные результаты, порой что-то новое, неожиданное.

Артем — уже состоявшийся научный сотрудник. Собранный, аккуратный, работоспособный.

— Что бы хотели пожелать молодым, которые или собрались идти в науку, или уже работают в научных лабораториях?

— Успехов! И чтобы госпожа Удача всегда находилась рядом. Ведь бывает так, что все продумано, распланировано, выполнено, как требуется, а нужного результата не получается. Потому чуточку везения никогда не помешает. Но при этом не следует забывать безотказно работающий лозунг — терпение и труд всё перетрут!

Фото В. Новикова и из архива ИНХ СО РАН

P.S. Поздравляем Катю Майничеву с блестящей защитой кандидатской диссертации!

стр. 1, 4
Постоянный адрес статьи
http://www.sbras.ru/HBC/hbc.phtml?7+483+1

Наука в Сибири
N 3 (2638)
24 января 2008 г.

МУЛЬТИКРЕМНИЙ
ДЛЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

По данным последнего доклада Европейского сообщества, общая установленная мощность солнечных модулей на конец 2006 года составила 6,5 ГВт; к 2020 году прогнозируется достичь 205 ГВт. Предполагается, что в 2030 году солнечными станциями будет вырабатываться 10%, а в 2040 году — от 20 до 28% общего мирового объема выработки электроэнергии. Важнейший перспективный материал для производства элементов солнечной энергетики — мультикремний. Технологии его получения — тема заказного проекта, о ходе реализации которого рассказал д.ф.-м.н. А. И. Непомнящих (ИГХ СО РАН).

В выполнении данного проекта принимают участие следующие институты СО РАН: Институт геохимии им. А.П. Виноградова, Институт геологии и минералогии, Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе, Институт физики полупроводников, Институт неорганической химии им. А.В. Николаева, Институт химии твердого тела и механохимии, Институт проблем переработки углеводородов, Тувинский институт комплексного освоения природных ресурсов, Отдел физических проблем БНЦ СО РАН и СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН. Проект включает в себя три основных блока. Первый блок это технология прямого получения мультикремния солнечного качества из высокочистого рафинированного металлургического кремния. Второй связан с разработкой физико-химических основ получения поликремния из высокочистых диоксида кремния и углеродных восстановителей. Третий — это разработка процесса получения эффективных солнечных элементов на основе пластин мультикремния.

Разработанная Институтом геохимии технология состоит из трех основных частей. Первая часть — это карботермическое восстановление кремния из высокочистых исходных веществ, кварцита или кварца, и, соответственно, специально подготовленного углеродного восстановителя — древесного угля. Вторая часть технологии разработана для рафинирования расплава кремния в ковше, где расплав кремния «избавляется» от бора, фосфора и ряда других элементов. На третьей стадии происходит очистка кремния от большинства тяжелых примесей при направленной кристаллизации мультикремния.

Проведены подготовительные работы по отработке процесса рафинирования расплава кремния увлажненной газовой смесью на недавно запущенной руднотермической печи 9.6 кВА МК «KazSilicon» в г. Уштобе Республики Казахстан. Часть экспериментов по процессу рафинирования была проведена в декабре прошлого года. Вторая часть эксперимента планируется уже на конец марта следующего года. Речь идет о получении высокочистого рафинированного кремния. Для проведения эксперимента разработаны и изготовлены два генератора газовой смеси (ГГС), которые встраиваются в газовую систему. Самый главный результат, который мы здесь получили — это возможность изменения температуры в ковше. При увеличении объема газовой смеси ковш быстро реагирует на повышение температуры; уменьшение подачи газовой смеси приводит к уменьшению температуры. В результате мы можем варьировать температуру и практически полностью реализовать те режимы, которые отработаны нами в этой технологии.

На основе численного моделирования показано, что радиальные реагенты температуры в конвективном режиме резко сглаживаются в сравнении с диффузионным режимом, и фронт кристаллизации действительно становится плоским. Для создания управляемого сквозного режима конвекции нами предложен метод выращивания мультикремния во вращающемся тепловом поле, который заключается в изменении симметрии теплового поля путем создания более прогретой зоны на наружной стенке контейнера. Помимо этих работ, которые связаны напрямую с получением мультикремния, были проведены первые исследования по гетерированию примесей в мультикремнии. Кроме того, разрабатываются методы нанесения покрытия кварцевых тиглей. В качестве защитных покрытий кварцевых тиглей для выращивания мульткремния используется Si₃N₄. Недостатком этого покрытия является его относительно высокая смачиваемость расплавом кремния. В рамках данного проекта в ИНХ СО РАН исследовалась возможность использования пленочных покрытий на основе карбонитрида кремния SiC_xN_y переменного состава. Исследования показали, что смачивание подложек, покрытых карбонитридом кремния, расплавленным кремнием отсутствует. В ИППУ СО РАН были получены три партии гранулированных углеродных материалов. Осуществляется получение кремния из высокочистых компонент шихты. В СКТБ «Наука» проводилось восстановление кремния из брикетированной и порошковой шихты на основе аморфного кремнезема при температуре 1800° С. Получены образцы кремния. Выход кремния при восстановлении из порошковой шихты составил 97, а из брикетированной — 99 масс %. Начаты работы по восстановлению кремния в плазменных реакторах.

Разработана технология получения высокочистого аморфного диоксида кремния. ИХТТМ СО РАН и ТИКОПР СО РАН предложены два варианта разложения серпентинита с последующим получением чистого аморфного SiO₂. В обоих случаях подразумевается использование предварительной механоактивации серпентинита, которая совмещается с измельчением, за счет чего достигается более полное вскрытие материала. Для получения диоксида кремния повышенной чистоты твердый остаток после выщелачивания (черновой диоксид кремния) подвергается очистке от примесей путем щелочного растворения, осаждения и прокалки кремниевой кислоты. Полученный диоксид кремния очищается от оставшихся примесей слабым раствором соляной кислоты и сушится.

В ИХТТМ СО РАН изучались процессы восстановления кремния методом СВС, где в качестве прекурсора использовались механокомпозиты SiO₂/С и SiO₂/Al. Порошок с углеродом в режиме СВС не загорается, а смесь с алюминием загорается. Термообработка прекурсора SiO₂/Al. уже при температуре 600° С обеспечивает восстановление кремния. В ИФП СО РАН разработана методика текстурирования поверхности мультикристаллического кремния, позволяющая получать структуру поверхности с равномерно распределенными конусообразными ямками требуемой глубины (около 1 мкм). Проведено сравнение результатов газофазного легирования и полученных методом диффузии из фосфоросиликатного стекла. Разработан простой, эффективный и не включающий дорогостоящих стадий процесс легирования фосфором мультикремния. Процесс легирования включает три стадии: синтез слоя SiO₂:P₂O₅ золь-гель методом; температурный отжиг для диффузии фосфора; удаление поверхностного слоя фосфоросиликатного стекла (ФСС).

Основными задачами на 2008 год являются:

— проведение опытно-промышленной плавки из кварцитов месторождения Сарыкуль и Бурал-Сардак для получения высокочистого рафинированного кремния;

— выращивание блока мультикремния промышленных размеров (125×125×300 мм) и изготовление солнечных элементов на их основе;

— отработка методов восстановления кремния из высокочистых углеродных восстановителей и диоксида кремния методами индукционного и плазменного нагрева.

Подводя итог, можно сказать следующее. Выполнен комплекс подготовительных работ и начато проведение опытно-промышленной плавки кремния на руднотермической печи 9,6 кВА МК «KazSilicon» в г. Уштобе Республики Казахстан. Показана возможность поддержания температуры в ковше при рафинировании расплава кремния в течение длительного времени. Проведена реконструкция установки СЗВН20 для выращивания блока мультикремния размерами 125×125×300 мм с нижней загрузкой тигля. Изучена зависимость формы фронта кристаллизации от режима теплообмена. Получены новые фундаментальные результаты по сопряженному теплообмену в режимах стационарной и нестационарной теплопроводности, стационарной и нестационарной термогравитационной и тепловой гравитационно-капиллярной конвекции. На основе математического моделирования неосесимметричного распределения теплового нагрева показана возможность создания управляемого сквозного режима конвекции. Это дает возможность регулировать интенсивность перемешивания расплава в течение всего процесса кристаллизации. Проведена экспериментальная проверка рассчитанных режимов.

Кроме того, проведено сравнение нитрида и карбонитрида кремния в качестве защитных покрытий кварцевых тиглей, используемых для выращивания мультикремния. Показано, что покрытие из карбонитрида кремния является более оптимальным для технологического использования. Изучены процессы синтеза высокочистых углеродных восстановителей, позволяющих получать сырье с низкой зольностью. Получены три партии углеродных восстановителей для проведения экспериментальных плавок. Показана возможность получения высокочистого аморфного диоксида кремния из отходов асбестового производства. Проведены первые экспериментальные плавки по получению кремния из диоксида кремния и углеродных восстановителей в индукционной печи СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН. Показана возможность снижения температуры процессов восстановления кремния при использовании аморфного диоксида кремния. Изучалась возможность снижения температуры прямого восстановления SiO₂ за счет использования механохимически полученных нанокомпозитов. Показана возможность снижения температуры восстановления в системе SiO₂ + Al.

Исследовано влияние обработки поверхности мультикремния на электрофизические параметры материала (время жизни неравновесных носителей заряда и скорость поверхностной рекомбинации) и выбраны технологические процессы пассивации поверхностных состояний. Разработана методика текстурирования поверхности мультикристаллического кремния, позволяющая получать структуру поверхности с равномерно распределенными конусообразными ямками требуемой глубины (около 1 мкм). Разработан и оптимизирован способ нанесения просветляющих покрытий на основе плазмохимического нитрида кремния. На базе метода «spin-on» разработан простой, эффективный и не включающий дорогостоящих стадий процесс легирования фосфором мультикремния.

Фото В. Новикова
стр. 9