Дитя Земли для солнечных панелей: как и где сегодня применяют теллур

Мы продолжаем рассказывать о различных химических элементах, истории их открытия, применении и патентом аспекте. На этот раз речь пойдет о теллуре. 

История открытия теллура

Открытие теллура (англ. Tellurium, нем. Tellur, франц. Tellure) относится к началу расцвета химико-аналитических исследований во второй половине XVIII в. К тому времени в Австрии в области Семигорье (Трансильвания) была найдена новая золотосодержашая руда. Ее называли тогда парадоксальное золото (Aurum paradoxicum), белое золото (Aurum album), проблематичное золото (Aurum problematicum), так как минералоги ничего не знали о природе этой руды, горняки же считали, что она содержит висмут или сурьму. 

В 1782 г. Франц Иозеф Мюллер (впоследствии барон Рейхенштейн), горный инспектор Семигорья, исследовал руду и выделил из нее, как он полагал, новый металл. Чтобы удостовериться в своем открытии, Мюллер послал пробу вещества шведскому химику-аналитику Торберну Бергману, который установил, что новый металл отличается по химическим свойствам от сурьмы. Затем в 1786 г. профессор ботаники и химии университета в Пеште Пауль Китайбель выделил из минерала верлита (содержащего теллуриды серебра, железа и висмута) какой-то металл, который он счел до тех пор неизвестным. Китайбель составил описание нового металла, но не опубликовал его, а лишь разослал некоторым ученым. Так оно попало к венскому минералогу Францу Эстнеру, который познакомил с ним Юлиуса Клапрота. Последний дал благоприятный отзыв о работе Китайбеля, но существование нового металла пока еще не было окончательно подтверждено. Клапрот продолжил исследования Китайбеля и в результате их полностью устранил всякие сомнения. В январе 1798 г. он выступил с сообщением перед Берлинской академией наук об открытии им в трансильванском белом золоте особого металла, который получен «от матери земли» и назван поэтому теллуром (Tellur) от слова tellus земля (планета). И действительно, первые десятилетия XIX в. теллур причисляли к металлам. В 1832 r. Йёнс Якоб Берцелиус обратил внимание на сходство теллура с селеном и серой (на что делались указания и раньше), после чего теллур причислили к металлоидам (по номенклатуре Берцелиуса). 

Потребление 

Теллур в основном использовался в производстве теллурида кадмия (CdTe) для тонкопленочных солнечных элементов. Теллурида висмута (BiTe) применяется в термоэлектрических приборах. Металлургическое использование теллура характерно в качестве легирующей добавки в сталь для улучшения механической обработки, незначительная добавка в медных сплавах полезна для улучшения обрабатываемости без снижения проводимости, в свинцовых сплавах — для повышения устойчивости к вибрации и усталости, в чугуне в качестве карбидного стабилизатора. Он также был использован в химической промышленности в качестве вулканизирующего агента и ускорителя при переработке каучука и в качестве компонента катализаторов для производства синтетических волокон. Другие виды применения включали использование в фоторецепторах и термоэлектрические приборы, капсюли-детонаторы, а также в качестве пигмента для получения различных цветов в стекле и керамике.

Конечное потребление теллура по областям применения распределено следующим образом: 

• солнечные батареи — 40%;

• электротехника — 30%;

• металлургия — 15%; 

• резинотехническая промышленность — 5%;

• другие — 10%.

Добыча из недр

По информации Геологической службы США USGS общие мировые запасы в недрах составляют 36 000 тонн, в том числе:

• РФ — 5,8;

• США — 4,0;

• Китай — 3,1.

Производство в 2023 г. составило около 700 тонн, в том числе:

• Китай — 430;

• РФ — 75;

• Япония — 75;

• Канада — 27;

• Швеция — 25.

Более 90% теллура произведено из анодных шламов в качестве побочного продукта электролитического рафинирования меди. Остальная часть получена из дымовой пыли, образующихся в процессе переработки свинца, плавке висмутовых, медных и свинцово-цинковых руд. Потенциальные источники — теллуридные руды золота.

Теллур в России

Теллур производится как сопутствующий продукт медной индустрии РФ; основные фигуранты — это АО «Уралэлектромедь», подразделение ОАО «Уральская горно-металлургическая компания»; ПАО Горно-металлургическая компания «Норильский никель»; Кыштымский медеплавильный завод, входящий в АО «Русская медная компания».

В частности электролитные шламы «Уралэлектромедь» содержат около 3% теллура. Основой являются сульфаты меди и свинца, и селенотеллурида серебра и меди.

Россия является существенным экспортером теллура, отправляя на внешний рынок большую часть полученного продукта, примерно 50 тонн ежегодно. Основной покупатель — Китай (включая Гонконг). Наиболее распространённая коммерческая форма теллура — порошок, упакованный в специальные мешочки. 

Патентный аспект

На портале Google.Patents указано 100000 документов по слову Tellurium. Среди патентообладателей нет лидеров, патенты распылены по сотням промышленных компаний. Топ-5 выглядит так:

1. Samsung Electronics Co., Ltd. — 4,9%;

2. Macronix International Co., Ltd. (旺宏电子股份有限公司) — 3,4%;

3. Otsuka Chemical Co., Ltd. (大塚化学株式会社) — 1,5%;

4. Du Pont De Nemours And Company — 1,3%;

5. Energy Conversion Devices, Inc. — 1%.

Первые строки занимают компании из Тайваня, Японии, Китая, Южной Кореи и США, специализирующиеся на электротехнике, в частности, на упомянутых выше солнечных батареях.

Топ-5 популярных тем в рамках международной патентной классификации выглядят так:

1. полупроводниковые приборы H01L — 24,3%;

2. термоэлектрические устройства H10N — 21,5%;

3. сокращение выбросов парниковых газов Y02E — 16,6%;

4. защита природы в разных процессах Y02P — 16,1%;

5. электронные запоминающие устройства H10B — 10,4%.

Лидируют патенты, посвященные полупроводниковым приборам (H01L); примерами являются : 

• US9029856B2 — methods of forming a metal telluride material, related methods of forming a semiconductor device structure, and related semiconductor device structures;

• US9054241B2 —back contact electrodes for cadmium telluride photovoltaic cells;

• EP2654087B1 — tellurium inorganic reaction systems for conductive thick film paste for solar cell contacts.

А что же в России?

В базе ФИПС на «теллур» числится 292 патент РФ на изобретения, из которых 146 действующие. Тематика изобретений РФ разнообразна.

В разделе «технологии процессов, B» 12 патентов, в основном катализаторы (аммооксидирования, конверсии этана в этилен, окисления углеводородов), например №2455064; №2656846; №2690512. 

В разделе «химия и металлургия, C» 126 патентов — от гидро- и пирометаллургии первичного теллура до его аффинажа и получения изделий с его участием, например, №2629679 и №2602123. 

В разделе «электричество H» 8 патентов на термин «теллур» и 17 патентов на «теллурид», в большинстве по электротехнике и микроэлектронике, например, патент №2806180 «Способ изготовления гибких солнечных батарей с поглощающим слоем CdTe на полимерной пленке» от ООО «Сангелиант» (Москва); №2795842 «Способ изготовления фоточувствительных структур на основе двумерных наночастиц теллурида висмута» от АО «НПО «Орион» (Москва); №2785593 «Элемент постоянной памяти на основе проводящего ферроэлектрика GeTe) от Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН (Черноголовка).

Патентов РФ на полезные модели числится всего 2 штуки:  №171358 «Устройство для регистрации сцинтилляционного сигнала в досмотровом комплексе» (из монокристаллического кадмий-цинк-теллура) от ООО «Индиком» (Санкт-Петербург) и №197682 «Полупроводниковый датчик давлени» (из GaAs, легированного теллуром) от Томского технического университета. 

Программ для ЭВМ по слову «теллур» в РФ зарегистрировано всего 4 штуки, в частности:

• №2014617893 «Исследование оптических характеристик гетероэпитаксиальных структур КРТ»; 

• №2013661867 «Расчет диаграмм парциальных давлений систем Ме-Те-О (ДПД Ме-Те-О)». 

Баз данных в РФ по теллуру также — 4, все по экологии (загрязнение почв теллуром). 

В РФ зарегистрировано 3 топологии интегральных схем с теллуром, все для плат фотоприемного устройства от АО «Московский завод «САПФИР»/ ОАО «Швабе — Фотосистемы» (Москва), например №2016630137. 

Перспективные исследования 

В базе научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ гражданского назначения числится 761 документ по теллуру, в основном отчёты по НИР по грантам и диссертации. 

Наше внимание привлекли сведения о начинаемых НИОКТР со сроками исполнения 2025-2026 годы. Разработка гетероструктур с фоточувствительным эпитаксиальным слоем кадмий-ртуть-теллур легированным золотом, для высокотемпературных матричных фотоприемных устройств ИК диапазона спектра осуществляет за грант в 345 млн руб. от Минпромторга РФ — АО «Ведущий научно-исследовательский институт химической технологии». Целью работы является разработка и постановка на производство (не менее 500 см2/год) гетероструктур CdxHg1-xTe (фоточувствительный слой, легированный золотом) / Cd1-yZnyTe (подложка), полученных методом жидкофазной эпитаксии, для матричных фотоприемных устройств с областью спектральной чувствительности от 3 до 5 мкм и от 8 до 12 мкм. 

Выводы 

Главное направление потребления теллура — солнечные батареи.

Поскольку в России солнечная энергетика не популярна (имеется только десяток мелких солнечных электростанций в Якутии без учета мелких бытовых), то и потребление теллура мало. Большая часть производимого теллура отправляется на экспорт — туда, где и производится большинство тонкоплёночных солнечных элементов в мире, то есть дружественный в Китай. И тут уж ничего не поделаешь.

Патентных документов в РФ мало; да и зачем они, раз практически нет практического применения в нашей стране.

Перспективных исследований на теллур — единицы, так что и будущее этого земного элемента на нашей земле безрадостно. 

Розыгрыш регистрации 5 товарных знаков.

Полезное от Онлайн Патент:

1. Как получить господдержку для IT-компании?

2. Какие выгоды можно получит от регистрации программы для ЭВМ?

3. Как защитить базу данных клиентов?

4. Не только айтишники: какие компании могут внести свои программы в Реестр отечественного ПО?  

5. Руководство по товарным знакам в 2024 году.

Больше контента о сфере интеллектуальной собственности в нашем Telegram-канале