HighVis - Development of a new Al-enriched quartz sand product for next generation solar crucibles with superior viscosity.

I løpet av de første 10 månedene av prosjektet ble det utført 2 forsøkskampanjer ved Glatt i Tyskland. I Den første kampanjen belegg- og granuleringsforhold, bindemidler og Al-forløpertype og innhold var optimiseret. Under denne kampanjen ble det brukt 2 bindemiddeltyper: polyvinylalkohol (PVA) og silikasol. Tilsetningen av det andre bindemiddelet var nødvendig for å bevare granulets stabilitet ved høye temperaturer selv om granulering kun med PVA var meget effektiv. Videre ble aluminiumnitrat (Al (NO3) 3) samt boehmitt (AlOOH) testet som Al-forløper. Under den andre kampanjen ble produkter med forskjellig Al- (ved å bruke prosedyren utviklet under den første kampanjen) syntetisert. Både belagte prøver så vel som granulerte prøver med forskjellig Al-konsentrasjon og forløpere ble fremstilt. Deretter ble Glatt-prøvene karakterisert ved NTNU ved bruk av elektronmikroskopi (SEM EDS) samt mikro-XRF, Raman-spektroskopi og ICP MS. Både de belagte og granulerte produktene viste god Al-fordeling, og partikkelstørrelsesfordelingen til granulerte prøver var lik det originale TQC-produktet. Dette er viktig hvis dette nye produktet skal brukes til fusjonsformål. I løpet av 2021 har SINTEF fokusert på å utvikle den molekylære modellen for silikaglass-interaksjoner med Al. Modellene viste at Al vil ha en tendens til å erstatte silisium i glassnettverket i stedet for å ligge i kanalene. Dette var i strid med noen modeller nylig rapportert i litteraturen, men det er i tråd med generell forståelse av aluminiumsoppførsel i glass. Samlet sett var alle aktiviteter i henhold til plan, bortsett fra SINTEFs modellering av viskositet og innkjøp av smelteovn. På grunn av covid-relatert personalfravær og lengre testperioder enn forventet for ovner vil disse aktivitetene bli realisert i 2022. Dette vil ikke påvirke gjennomføringen av prosjektet.

-

In this project we want to formulate a new high purity quartz product for high-tech applications with improved viscosity properties by homogeneous distribution of a defined concentration of Aluminium in currently available quartz materials. This material should be very attractive on the market, in particular for producing crucibles used in wafer production in the photovoltaic (solar) industry. Crucibles made from high viscosity quartz will allow pulling of higher volume monocrystalline silicon ingots, since they can be made larger without deformation or collapse during extended service time at >1420 deg., allowing multiple silicon refills through "hot charging". An added advantage of high viscosity is the reduced risk of bubble formation in the crucible. No company has yet introduced a high viscosity product on the market. However our competitors are likely to attempt a similar innovation. We therefore wish to act as fast as possible, but as the process will include a series of delicate and critical steps, we have initiated collaboration with internationally renowned researchers and laboratories through our project partners to mitigate risk and improve our chance of success. The high level of risk and associated R&D cost means that the project could not be carried by a company of TQC's size alone without NRC funding, which will be a direct decision factor. The project will follow an iterative process where a series of recipes are simulated and optimized based on advanced modelling. Al-doped quartz is then produced at an experienced research lab using a so-called incipient wetness method. The produced 1 kg material batches are then taken through a series of advanced tests in different stages of treatment to evaluate if the process was successful as planned. The most successful material batches will be reproduced in higher quantities of approx 200 kg and fused into actual crucibles that will be evaluated through real industry applications.