Gaseous Refining Process for the Solar Grade Silicon Feedstock

Elkem og SINTEF har i et samarbeidsprosjekt undersøkt en metode for fjerning av bor fra flytende silisium. Bruken av silisium for solcelle-applikasjoner er stadig økende, med fokus på lav produksjonskost, høy kvalitet og lavt karbonavtrykk. I dette prosjektet har en studert bruk av en reaktiv gass bestående av vanndamp, hydrogen og bæregass for å fjerne bor fra flytende silisium. Bor som foreligger løst i silisium reagerer med hydrogen og oksygen tilført via gassfasen og danner flyktige BHO-forbindelser. Tester i liten skala viser at opp til 95% av bor kan fjernes via gassraffinering, fra et opprinnelig nivå rundt 30 ppm til nivåer under 1 ppm. Prosessbegrensingene er hovedsaklig tap av silisium-enheter til flyktig SiO-gass, samt utfordringer knyttet til sikkerhet ved bruk av hydrogengass og de økte kostnadene dette medfører. I dette prosjektet har parametre som kjemisk sammensetning av silisiumfasen, temperatur, kjemisk sammensetning av gassfasen og gassmengde blitt systematisk undersøkt for å finne optimale forhold for denne renseprosessen. Resultatene viser at raffineringseffekten kan forklares med en teoretisk modell som er blitt utviklet gjennom arbeidet i dette prosjektet. Metoden må fortsatt videreutvikles for å kunne anvendes i en industriell skala, og dette vil bestemmes av en rekke forhold slik som utviklingskost, markedspris på sol, framtidige strømpriser og tilgang på råvarer.

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.