Energi og miljø

FME-senteret, arbeidspakke 7 / Energieffektiv kjemisk silisiumproduksjon (2014-2017)

Målet er å få en bedre forståelse av de komplekse prosessene involvert i pyrolyse av silan (termisk dekomponering). Det er ønskelig med lite biprodukter fra prosessen, så vel som lav total energibruk. FME-senteret på solenergi er et samarbeid mellom IFE, SINTEF, NTNU og UiO, i samarbeid med 10 ulike industripartnere. Prosjektet er støttet av EnergiX-programmet i Norges Forskningsråd.
Kontakt

Marstein, Erik Stensrud

St.f.avdelingsleder

Wyller, Guro Marie

Doktorgradsstipendiat

 

Solceller krever silisium med renhetsgrad på 99.9999% eller høyere. Rensing av metallurgisk silisium med renhet på 99% til renheten som kreves for solcelle- eller elektronisk bruk følger vanligvis en produksjonsprosess som krever veldig høy energibruk. Industristandarden for å gjøre dette er å bruke en såkalt Siemens-reaktor  som gir høy renhet og kvalitet, men er ineffektiv og konsumerer mye energi. IFEs industripartnere i dette prosjektet, REC Silicon og Dynatec Engineering, bruker andre produksjonsprosesser, som minker energikostnaden bemerkelsesverdig.

Målet med denne forskningen, som startet i 2014, er å få en bedre forståelse av de komplekse prosessene involvert i pyrolyse (termisk dekomponering) av silan. Man vet at silanmolekyler reagerer med andre molekyler for å forme høyere ordens silaner, som igjen kan danne partikkelkjerner. Nukleering av stadig nye partikkelkjerner konkurrerer med vekst av partikler som allerede er dannet. Videre kan partiklene forme lengre kjeder og større clustre via sintring. Målet er å ha lite biprodukter fra denne prosessen, så vel som lav total energibruk.

Industristandarden for å fremstille solcellesilisium er produksjon av triklorsilan (TCS) og dekomponering av denne gassen i en Siemens-reaktor. Denne prosessen gir høy renhet og kvalitet, men er ineffektiv og energiintensiv. Alternativt kan pyrolysen foregå i en flytende seng-reaktor (FBR), som brukt av senterpartner REC Silicon, eller ved sentrifugal kjemisk gass deponering (C-CVD), som utviklet av senterpartner Dynatec Engineering. Energibruken til disse to teknologiene er estimert til 5 kWh/kg eller mindre, mens Siemens-metoden konsumerer rundt 50 kWh/kg i den tilsvarende  prosessen.

Vi bruker en free-space reaktor (FSR) til å utføre eksperimenter for å forstå kjemien bak silandekomponering. Reaktoren har en enkel geometri som gjør det lett å kontrollere prosessparametere som temperatur og gasskonsentrasjoner.   Dette er derfor det foretrukne verktøyet for å studere den første fasen av silandekomponering. Silanen former små silisiumnanopartikler i en varmesone i reaktoren. Ved å bruke reaktoren i et regime hvor nanopartiklene akkurat har tid til å formes, kan man isolere de komplekse reaksjonene som skjer i en FBR eller sentrifugal reaktor.

Vi utvikler også avanserte monitoreringsverktøy for å forstå prosessene og styre produksjonsreaktorer for silisium. Vi fokuserer på optisk monitorering av partikkelstrøm ut av reaktoren og gassanalyse via gasskromatografi og massespektrometri. Verktøyene er spesialiserte for å jobbe med silanprosesser, og har blitt utviklet gjennom dette og andre prosjekter på IFE.

Prosjektet ser også på hvordan vi kan simulere kjemien til silangass via numeriske metoder. Vi utvikler verktøy for å simulere reaksjonskinetikk og termiske prosesser. Vi bruker et såkalt CFD-verktøy (computational fluid dynamics), kalt SiSim, for å simulere varmeoverføring og gasstrømmer i silisiumsproduksjonsreaktorer. SiSim-programmet er utviklet av IFE og Sintef.

FME-senteret for solenergi er et samarbeid mellom IFE, SINTEF, NTNU og UiO, i samarbeid med 10 ulike industripartnere. Prosjektet er støttet av EnergiX-programmet i Norges Forskningsråd.

Se også www.solarunited.no

Guro Marie Wyller og Thomas Preston analyserer

Guro Marie Wyller og Thomas Preston analyserer resultater fra gassmålinger fra FSR-reaktoren.

Silisium. Trygve Mongstad og Thomas Preston

Trygve Mongstad og Thomas Preston diskuterer ulike silisiummaterialer.

2016-10-06 Trygve Tveiterås Mongstad / Marte Orderud Skare