Silisium er naturens gave

Grunnstoffet silisium utgjør hele 27 prosent av jordskorpa. Det er bare oksygen det er mer av – 45 prosent.

Selv om en klump med silisium ser slik ut, er grunnstoffet ikke et metall. Det er et såkalt halvmetall som har både metalliske og ikkemetalliske egenskaper.

Silisium er blitt etterkrigstidens kanskje viktigste grunnstoff. Det startet som et materiale for kjemisk industri, og du finner grunnstoffet i alt fra plast til leppestift. Så fulgte elektronikkindustrien og moderne IT, og vår lørdagsunderholdning ville sett temmelig annerledes ut hadde det ikke vært for silisium.

Det produseres rundt to millioner tonn silisium årlig. Halvparten blir brukt til legering av aluminium som gir støpegodset bedre egenskaper og gjør at det flyter bedre ut i formene. 40 prosent av forbruket går til kjemiske anvendelser, mens bare ti prosent brukes i elektronikk- og solcelleindustrien, hvor materialet kanskje er mest kjent.

Likevel øker forbruket raskt innen solceller med rundt 30 prosent i året. Mange ser på silisium som naturens gave til mennesket. De fleste mennesker bor i solrike områder hvor solcellene en dag vil kunne levere det meste av strømmen som brukes.

I den andre del av skalaen er de aller minste «solcellene» i form av bildesensorer i alle slags kameraer som er bygget i silisium og som lager en elektrisk strøm fra de lysfotonene som treffer bildepunktet.

På verdensmarkedet har silisium en pris som ligger på mellom to og tre euro per kilo. Prisen har økt kraftig de siste årene fordi forbruket har økt uten at produksjonskapasiteten har fulgt etter.

Halvleder

Silisium har vært selve byggematerialet for vår moderne elektronikkbaserte tilværelse. Den kanskje viktigste egenskapen er at grunnstoffet er en halvleder. Det betyr at silisiums elektriske ledningsevne er ganske dårlig, men den kan endres betraktelig under visse omstendigheter.

Halvlederegenskapene kan modifiseres med små mengder forurensning i form av bor og fosfor, og ved å påføre en slik konstruksjon en ytre spenning, kan det lede strøm. Dette er selve grunnprinsippet i en transistor, som både kan fungere som en forsterker og en elektronisk bryter på denne måten.

Silisium har også den egenskapen at den elektriske ledningsevnen endrer seg med trykket. Det er grunnlaget for en stor sensorindustri, spesielt fordi elektronikk kan integreres på samme del som samtidig føler trykk.

For å fremstille silisium må bindingen mellom oksygen og silisium fjernes. Det krever både strøm til å nå høy temperatur samt reduksjonsmiddel for å ta vare på oksygenet. Det var tilgangen på billig elektrisk energi som la grunnlaget for norsk silisiumindustri.

Silisiumprosessen er krevende – så i dag er teknologi og driftskompetanse viktigste konkurransefortrinn. Bedrifter som Elkem og Fesil er blant de ledende produsenter i verden.

Stor norsk industri

I Norge har vi verdens største ovner for produksjon av silisium på mer enn 40 MW installert effekt.

I alle varianter av metallurgisk fremstilt silisium er det for mye forurensninger av fosfor og bor som må renses ut når det skal brukes i elektronikk og til solceller.

For å lage en kvalitet som kan brukes i solceller bruker man en prosess hvor silisium kondenseres ut fra dampfase. Problemet er at dette er en kompleks prosess med svært høyt energiforbruk. For hver kilo silisium som fremstilles, går det med mer enn 100 kWh.

Elkem arbeider med en ny metallurgisk prosess som skal kunne fremstille veldig rent silisium med under en femtedel av kraftforbruket.

Kvarts

Silisiums store kjærlighet til oksygen gjør at SiO 2 – silisiumoksid, eller kvarts som stoffet kalles, er den store kilden til grunnstoffet.

For å forstå hvorfor kvarts er så stabilt, må vi se litt på hvordan de to grunnstoffene det består av henger sammen. Et grunnstoff består av en kjerne med protoner, nøytroner og elektroner som går i baner i form av ulike skall rundt kjernen.

Hvor mange skall, og ikke minst hvor mange elektroner det er i det ytterste skallet, er svært viktig for grunnstoffets egenskaper. I et halvmetall som silisium har det ytre skallet fire elektroner som gjerne vil ha fire til for å få et fullt skall.

Det gjør silisium til en perfekt partner for andre grunnstoffer som f.eks. oksygen. De deler på elektronene i ytre skall og danner en veldig stabil forbindelse i form av SiO 2. Som følge av ulik størrelse kan hvert oksygenatom bare dele et av sine elektroner med hvert silisiumatom. Dette gjør at kvarts opptrer som et gitter hvor hvert oksygenatom er bundet til to silisiumatomer – og hvert silisiumatom er bundet til fire oksygenatomer. Den sterke bindingen gjør at det går med mye energi for å bryte den.

Silisium er ikke så nøye på hvem den inngår «partnerskap» med, derfor kan molekylstrukturen styres til ønsket produktkvalitet.

Produksjonen av silisium

For å skille Si fra O 2 i kvarts må temperaturen opp i over 1900 grader. Ved å tilsette karbon som reduksjonsmiddel i ovnen dannes det Si og CO der såkalt metallurgisk silisium tappes av fra bunnen av ovnene. Slikt silisium er rundt 98 prosent rent, og det kreves en betydelig rensing før det kan brukes i elektronikk og i solceller.

Det går med 10 til 12 kWh elektrisk energi for å produsere et kilo silisium. I tillegg kommer en tilsvarende mengde kjemisk energi i form av kull eller koks.

Det vil være mulig å gjenvinne omtrent halvparten av energien i form av fjernvarme eller om lag 15 prosent som elektrisk energi.





Kilde: Professor II Halvard Tveit, NTNU – Elkem