Fem spørsmål og svar om silisium

Silisium – som på engelsk heter silicon – er svært viktig for den elektroniske hverdagen vi lever i. Men det brukes også til blant annet stålprodukter og støpejern, forteller Jafar Safarian på NTNU.

Fem spørsmål og svar om silisium
Silisium er det grunnstoffet det er nest mest av i jordskorpen etter oksygen. Det er et av få kjente stoff som utvider seg når det stivner. Foto: Wikimedia Commons

Silisium brukes i blant annet solceller, mobiltelefoner og datamaskiner. Det er en viktig halvleder med stor betydning for elektronisk produksjon. Brikkemangelen – altså halvledermangelen – det siste året handler om mangel på mikrobrikker av silisium.

Men hvordan lages silisium? Vi spør førsteamanuensis Jafar Safarian ved Institutt for materialteknologi ved NTNU.

1. Hva er silisium?

– Silisium (Si) er et kjemisk grunnstoff i gruppe 14 i det periodiske systemet. Det er grunnstoffet det er nest mest av i jordskorpen etter oksygen – omtrent 28 prosent av massen – og det finnes i naturen mest som oksid (kvarts) og silikater. Over 90 prosent av jordskorpen består av silikatmineraler. Silisium oppfører seg som metall når det smeltes, men har ikke ledningsevne i fast form og er klassifisert som metalloid. Et hardt, sprøtt krystallinsk stoff med blågrå metallisk glans. Silisiums smelte- og kokepunkt er henholdsvis 1414 °C og 3265 °C.

2. Hva brukes silisium til?

Jafar Safarian.
Hovedutfordringen ved silisiumproduksjon er miljøspørsmål og utslipp, sier førsteamanuensis Jafar Safarian ved Institutt for materialteknologi på NTNU. Foto: Privat

– Silisium er i mange produkter som halvleder, legeringselement i metalliske produkter og silisiumforbindelser, sier Safarian.

– 15 prosent av verdensproduksjonen av silisium av metallurgisk kvalitet, med 96–99 prosent Si-renhet, er videreforedlet til halvlederrenhet; typisk 99,9999999 prosent. Høy renhet er svært viktig for silisiumsolceller. Hovedanvendelsen etter masse er legeringselement i metalliske produkter. Ferrosilisium – jern-/silisiumlegering – brukes til stålprodukter og støpejern. Metallurgisk silisium brukes også til legeringer, som kommersielle aluminiumslegeringer. Forbindelser som silisider, karbider og oksider har ulike bruksområder. Silisiumkarbid (SiC) som keramisk eller skjærende materiale og molybdendisilisid (MoSi2) som spiseelement i ovner og i mikroelektronikk som kontaktmateriale, forklarer han.

3. Hvordan produseres silisium?

– Elementært silisium utvinnes fra kvarts (SiO2). Nåværende teknologi er en høytemperatur karbotermisk reduksjonsprosess der kvartspartikler varmes opp, smeltes og reduseres med fast karbon  – kull, metallurgisk koks, tre – i nedsenket elektrisk lysbueovn (SAF). Prosessens kjemiske reaksjon: SiO2 + 2 C → Si + 2 CO Silisiumkarbid (SiC) dannes i de øvre delene av ovnen, og noe av silisiumoksidreduksjonen kan gjøres gjennom følgende reaksjon: 2 SiC + SiO2 → 3 Si + 2 CO Det produserte silisiumet smeltes og tappes fra SAF, mens CO- og SiO-gasser forlater ovnen. SAF-teknologien brukes med kvarts og jernmalm som råstoff for smeltet ferrosilisiumlegering med 80 prosent Si og 20 prosent Fe. SisAl – patentert av NTNU – er en CO2-fri prosess i pilotskalatesting. I den teknologien gjør aluminium fra sekundære kilder reduksjonen av silisiumoksid i stedet for karbon: 3 SiO2 + 4 Al → 3 Si + 2 Al2O3

4. Hvilke utfordringer er størst ved silisiumproduksjon?

– Hovedutfordringen er miljøspørsmål og utslipp. Karbotermisk reduksjon i SAF gir ca. 7,5 kilo CO2 pr. kilo silisiumprodukt. Forbrenning av ovnens avgass ved hjelp av luft gir NOx-utslipp. Det lages 10–13 gram NOx pr. kilo magnesiumsilisid (MG-Si), sier Safarian.

– Å redusere NOx-utslipp har tekniske og økonomiske utfordringer. MG-Si i SAF gir store mengder SiO-gass i ovnens avgass og uønsket silisiumtap selv om det lages verdifull mikrosilika. Silisiumutbyttet i ovnen er i praksis 80–90 prosent. Siden silisiummetall er mer verdifullt enn mikrosilisium og støvet i avgassen har spesielle utfordringer, er å øke silisiumutbyttet i ovnen interessant. Produksjon av MG-Si i karbotermisk reduksjon har høyt energiforbruk med 11–13 kWh/kg Si.

5. Hva bør forskningen fokusere på framover?

– Redusering av CO2- og NOx-utslipp er av høyeste prioritet. Avkarbonisering i metallurgisk industri for å nå de definerte målene i de internasjonale avtalene for 2050. Eksisterende teknologier må forbedres for vesentlig lavere eller null CO2-utslipp. Brukt elektrisk energi for prosessen kan gi indirekte CO2-utslipp, så lavere energiforbruk for prosessen er viktig, påpeker han:

– Å utvikle nye alternative bærekraftige prosesser, hvor SisAl er et godt eksempel med betydelig lavere CO2-utslipp, ingen NOx-utslipp, lavere energiforbruk og høyt silisiumutbytte. Gjenvinning fra End of Life-produkter (EOL) som brukte PV-panel. Forskning på separering av produktkomponenter og resirkulering av høyrent solsilisium og utvikling av teknologier.

Artikkelen ble først publisert i TU-magasinet, nr. 6/2022

Les også