Gaseous Refining Process for the Solar Grade Silicon Feedstock

Elkem and SINTEF have in a joint project investigated a method for the removal of boron from silicon used in solar cells. The use of silicon for solar cells application is continuously increasing and much emphasis is put on producing low-cost, high-quality silicon with low emissions of CO2. The method is based on gas refining of liuqid metal, where the reactive gas is a mixture of hydrogen, steam as well as a carrier gas. Boron dissolved in the molten silicon reacts with hydrogen and oxygen supplied from the refining gas and forms a volatile compound, BHO. The tests in laboratory scale have shown that up to 95% of the boron can be removed from the melt, from initial levels around 30 ppm down to less than 1 ppm. The limitations of the process are two-fold; one is the unavoidable loss of silicon due to oxidation to gaseous SiO, which is lost in the off-gas. Secondly, the use of hydrogen as one of the components in the refining gas mixture introduces a safety aspect that will increase the cost of the production. In the project, the effect of initial Si-composition, temperature, gas composition and flow rates have been investigated. The refining effect has been clearly demonstrated, and a theoretical model consistent with observations have been developed.

Prosjektet er et samarbeid mellom Elkem og SINTEF, hvor førstnevnte er ansvarlig for koordinering og gjennomføring av aktiviteter. I løpet av perioden vil partnerne i fellesskap utvikle en ny renseteknologi for fjerning av bor fra solcellesilisium. Innled ende forsøk utført av SINTEF viser at hydrogenholdige gasser kan reagere med bor løst i flytende silisium og fjernes via en gassfase. Dette har potensiale, i industrialisert skala, til å senke energibehovet for Elkems produksjon av lav-bor silisium til so lcelleindustrien, i tillegg til at kvaliteten på produktet forbedres. I en større sammenheng bidrar dette til å redusere prisen på elektrisitet produsert av silisiumbaserte solceller, som er en nødvendighet for å sikre at framtidas energiproduksjon i stør st mulig grad er basert på fornybare og ikke-forurensende energikilder. Elkem vil være ansvarlig for å tilpasse den nye teknologien inn i eksisterende produksjonsanlegg. SINTEF vil ansette en post-doc som vil drive aktivitetene i regi av SINTEF, hvis hov edansvar vil være modellering av systemet, gjennomføring av lab-skala forsøk, undersøke parametre som styrer de kjemiske reaksjonenen i systemet samt utvikling av metoder for å dokumentere rense-effektiviteten av den foreslåtte prosessen. Innledende fors øk har vist at bor kan fjernes fra flytende silisium ved å boble hydrogenbærende gasser gjennom smelten. Potensialet for videreutvikling til industriell skala er betydelig, og Elkem med sin spesialkompetanse på smelte- og raffineringsprosesser ved høye te mperaturer ser dette som en god mulighet til å redusere sitt energibehov sammenlignet med dagens industriprosess, samt bedre produktkvaliteten og på sikt bidra til at prisen på strøm fra solceller går ned.