Solkraft fra metallurgi

Til sommeren om to år skal Elkem Solars nye fabrikk levere de første produktene til solcelleprodusenter over hele verden. Arbeidet er allerede i gang for å bygge om deler av det gamle Fiskaa Verk ved Kristiansand. I tillegg skal nye produksjonsanlegg bygges.

Anlegget blir det første i sitt slag i verden som bruker en ren metallurgisk prosess for å fremstille superrent silisium. Det gjør at energiforbruket per kilo silisium synker til rundt en femtedel av det dagens metode krever. Den kvaliteten Elkem Solar produserer kan brukes til både mono- og multikrystaline solceller. Elkem har fremstilt begge solcelletypene i sine laboratorier.

Monokrystaline solceller kan ha en virkningsgrad på godt over 20 prosent, men krever en mer raffinert teknologi for å få krystallen til å gro, mens multikrystaline, som har en virkningsgrad på litt over halvparten, er billigere å produsere.

Elkem Solar har jobbet i mange år for å raffinere prosessen, og det ligger mye kunnskap og hemmeligheter i den nye prosessen, men hovedtrekkene er klare

Slik skal Elkem lage superrent silisium metallurgisk:

Trinn 1:

Det første trinnet er det samme som brukes av alle silisium-metall-prosesser. Her smeltes kvarts, som er silisiumoksid, SiO ₂, sammen med et reduksjonsmiddel i form av koks eller kull i en elektrisk ovn. I denne prosessen reduseres kvartsen til silisium og karbonet binder seg til oksygen og danner CO ₂. Denne prosessen bruker fra 10 til 12 kWh/kg, altså litt mindre enn ved fremstilling av aluminium.

Trinn 2:

Det neste trinnet kalles en slaggbehandling. Her skiller Elkem Solars prosess seg fra de andre som fremstiller silisium av solcellekvalitet. Mens andre fortsetter med en kjemisk prosess, fortsetter Elkem Solar å raffinere silisium i en metallurgisk prosess og sparer enorme energimengder.

I slaggbehandlingen blandes det ennå ganske urene silisium-metallet med ulike oksider for å fjerne bor og andre forurensninger. Hele denne prosessen skjer i smeltefase, og det tilføres energi for å holde smelten ved like.

Trinn 3:

Etter slaggbehandlingen behandles størknet silisium med syre. Det løser opp og fjerner en del av de metalliske forurensningene som er igjen i materialet.

Trinn 4:

Etter syrebehandlingen smeltes silisium-metallet ned igjen og utsettes for det som kalles en rettet størkning. I denne prosessen konsentreres forurensninger på toppen av de klossene (ingots) som blir støpt ut, og ved å sage bort toppen blir kvaliteten vesentlig renere.

Trinn 5:

I det siste trinnet blir den ferdige kvaliteten støpt ut til salgbare produktstørrelser. Markedet for dette svært rene silisiumet er solcelleindustrien. Det er fremdeles ikke rent nok til å sages opp i solceller (wafere), men produsentene vil øke renheten selv gjennom å gjøre en rettet størkning selv slik at forurensningene konsentreres på toppen.

Den nye prosessen som Elkem Solar skal bruke i sin nye fabrikk har et samlet energiforbruk ut over det første trinnet som er felles for alle som lager superrent silisium på fra 10 til 20 kWh/kg.

Den konkurrerende prosessen som brukes av alle i dag bruker fra 75 til 130 kWh/kg. Dette er en kjemisk prosess som bruker triklorsilan SiHCl3 i gassfase og som derfor er svært kostbar. Fordelen med denne prosessen er at den gir svært rent silisium, i størrelsesorden 99,999999 prosent rent.

Elkem Solars metode gir ikke samme renhet, men er god nok til solceller etter et rensetinn til på kundesiden. Solceller krever en renhet på fra 99,999 til 99,99999 prosent avhengig av hva slags urenheter det er i silisiumet.