Energi og miljø

Nye konsepter for produksjon av superrent silisium

IFE tester ut tre forskjellige reaktorkonsepter for silisiumproduksjon fra silan.
Kontakt
 

To av prosjektene retter seg mot produksjon av silisium til solceller. Det tredje prosjektet har fokus på silisium til neste generasjon Li-ionbatterier.

- All de tre konseptene er svært lovende, og representerer store fremskritt, sier forsker Werner Filtvedt. Han koordinerer arbeidet med de tre reaktorkonseptene og er prosjektleder for det ene.

Project Manager Werner Filtvedt by the Dynatec reactor at IFE.Fagområdeleder Werner Filtvedt foran Dynatec reaktoren. Dynatec reaktoren representerer en helt ny teknologi for mer energieffektiv silisiumproduksjon. IFE har vært med i designprosessen, og utarbeidet modellering, gass-infrastruktur og avgassbehandling. Dynatec-gruppen har stått for produksjonen av selve reaktoren. Foto: Mona L. Ramstad (IFE)

Energiintensiv prosess

Foredlingen av silisium er energiintensivt og svært kostnadskrevende. I dag er «Siemensmetoden» mest utbredt, med en markedsandel på rundt 80 %. Fordelen med metoden er at den gir stabil og høy grad av renhet. Ulempen er et svært høyt energiforbruk. Kan man få ned det enorme energiforbruket, vil det bidra til rimeligere og mer konkurransedyktige solceller, og billigere solstrøm på markedet.

«Siemensmetoden» går ut på at silisiumholdig gass, som oftest monosilangass eller triklorsilan, avdampes på staver i en beholder. For at gassen skal felle ut silisium i form av fast stoff er det behov for kraftig oppvarming. Samtidig er det nødvendig med avkjøling av veggene i reaktoren, for å hindre uønskede avsetninger.

– Det blir som en hvitglødende varmeovn i en fryser. Alle forstår at denne prosessen blir ekstremt energikrevende, sier Filtvedt.

Hallgeir Klette (IFE) i kontrollrommet mens eksperimentene kjører. Foto: Werner Filtvedt (IFE)Fra kontrollrommet mens tester på reaktorteknologiene kjøres. Til venstre i bildet: Hallgeir Klette, avdelingsingeniør ved Solenergi og prosjektleder for to av reaktorkonseptene. Foto: Werner Filtvedt.

Dynatec reaktoren – en ny og unik reaktorteknologi

Derfor jobber IFE med å utvikle nye metoder som kan utfordre dagens teknologi. Dynatec reaktoren, som utvikles i samarbeid med Dynatec Engineering, har som mål å oppnå over 80 % energireduksjon. For å sette dette i perspektiv, går det ved bruk av dagens standard teknologi med ca. 150 kW timer for å lage 1 kg silisium. Ved ny teknologi vil det kun gå med 30 kW timer.

- Vi har beregnet forbedringspotensialet ved bruk av modellering. Nå gjenstår det å få resultater fra eksperimenter som kan verifisere våre kalkuleringer, men vi mener den nye teknologien vi utvikler kan ha stort potensiale, sier Filtvedt.

Den patenterte teknologien innebærer at silisiumet avsettes direkte på veggene i beholderen, ved hjelp av høy rotasjon som skaper en «sentrifuge-effekt». Veggene er designet slik at de enkelt kan tas ut, uten kjøling mellom deponerings kjøringene, noe som muliggjør semi-kontinuerlig produksjon.

Prosjektet har en tidshorisont på tre år, med et budsjett på 22 millioner kr.

«Fluidized bed» reaktoren – forbedring av eksisterende teknologi

Kuler fra Fluidized Bed reaktorenIFE jobber i tillegg med å forberede en teknologi som allerede er på markedet. Metoden kalles «Fluidized bed», og IFE har bygget en reaktor i pilotskala som kan kjøre tester på denne produksjonsmetoden. Her varmes silangass opp på samme måten, men i stedet for å avsettes på staver, som i Siemensmetoden, avsettes silisium på kuler. De ferdige kulene tas ut gjennom en åpning i bunnen av beholderen, mens prosessen fortsatt kjører.

De største fordelene med metoden er at man unngår å måtte bruke like mye kjøling, og reduserer dermed energiforbruket betydelig. Samtidig har man en kontinuerlig prosess, slik at produksjonen effektiviseres. IFE jobber med å forbedre prosessen ytterligere, og få kontroll på en del faktorer som renhet, porøsitet og tap i form av pulver. IFE har søkt patent på noen av de utviklede metodene.

Bildet til venstre viser silisiumkuler som er produsert i Fluidized bed reaktoren. Etter dette prosesstrinnet smeltes silisiumet på nytt før det størknes eller trekkes til silisium krystaller. Disse blokkene eller monokrystallene kappes videre opp til wafere som prosesseres til ferdige solceller.

«Free space» silisium til bruk i batterier

Det tredje reaktorkonseptet IFE jobber med, er en helt nyutviklet reaktor som lager silisium til Li-ion batterier. I dette industriprosjektet jobber IFE med flere internasjonale kunder.

«Free space» teknologien foregår, som navet tilsier, i et tomt rør, og silisiumet avsettes verken på staver eller kuler, men i form av små partikler i et «fritt» rom. Denne reaktoren i pilotskala er avbildet lenger nede på siden.

IFE har patentert teknologien, og jobber også med et nytt design som skal patenteres. Målet er å lage silisium-pulver med partikler som er så like  og egnede som mulig.

- I tillegg ønsker vi å ha muligheten å styre egenskaper, som for eksempel om vi lager amorfe eller krystallinske kuler, og muligheten å styre egenskaper som tettheten og størrelsen på kulene.

Milepæler i 2011 var en ny design av «Free space» reaktoren, som ble oppgradert fra 2. generasjons til 3. generasjons reaktor. Det siste designet er i gang med å testes ut, og vil bli modifisert igjen dette året.

- Denne teknologien har lengre tidshorisont, og mye arbeid gjenstår før batterier med dette anodematerialet kan tas i bruk, presiserer Filtvedt.

Men til gjengjeld har dette konseptet svært stort potensial, og kan innebære et fremskritt som vil revolusjonere batteriteknologien.

The Free Space reactorFree space reaktoren er bygget i pilotskala ved IFE, og lager nano- og mikrokuler av silisium. Kulene testes videre ut som ingrediens i en helt ny generasjon Li-ion batterier som har potensial til å revolusjonere batteriteknologien.

2012-08-20 Tekst og foto av Mona L. Ramstad