Den nye utgaven av sentrifugen til firmaet Dynatec kan hente ut rent silisium uten å avkjøle anlegget. Dermed produserer det silisium rundt 40 ganger raskere enn et tradisjonelt anlegg. Forskningsleder Werner Filtvedt i Dynatec viser fram et stykke silisium som er hentet ut fra den krumme innerveggen av sentrifugen bak ham. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no)
Den nye utgaven av sentrifugen til firmaet Dynatec kan hente ut rent silisium uten å avkjøle anlegget. Dermed produserer det silisium rundt 40 ganger raskere enn et tradisjonelt anlegg. Forskningsleder Werner Filtvedt i Dynatec viser fram et stykke silisium som er hentet ut fra den krumme innerveggen av sentrifugen bak ham. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no)

Silisium til solceller lages lynraskt i ny sentrifuge

Mer og billigere silisium, krever en voksende solcelleindustri. En norskutviklet sentrifuge kan snart levere.

Published

I en stor hall på Institutt for energiteknikk (IFE) står en sentrifuge. Den ville egnet seg dårlig for klestørk.  Sentrifugen spinner så fort at klærne trolig ville bli revet i filler.

Werner Filtvedt fra firmaet Dynatec nøler med å si nøyaktig hvor fort. Han er forskningsleder. Mye av teknologien er fortsatt industrihemmeligheter.

Denne sentrifugen skal nemlig kunne fôre en stadig sultnere solcelleindustri med renere og billigere silisium. Og det lyt skje fort, som Prøysen i sin tid sang. Runddansen er i gang, både ute i industrien og inne i sentrifugen.

– Vi gror silisium opptil 40 ganger raskere i denne sentrifugereaktoren enn hva som er tilfelle i en tradisjonell reaktor, sier Filtvedt.

Het sentrifuge

Det er ikke første gang forskning.no har beskrevet sentrifugen til Dynatec. For to år siden var vi i samme hall og så den mindre forløperen.

Denne prototypen viste at metoden fungerte. Nå skal den nye sentrifugen vise at metoden også kan brukes i større skala ute i industrien.

– I tillegg skal vi ta ut det produserte silisiumet uten å kjøle ned sentrifugen, forteller Filtvedt.

Temperaturen er også en viktig grunn til at Dynatec-sentrifugen ville egnet seg dårlig til skjortetørk. Skjorta ville blitt forkullet. Å lage silisium krever varme.

Slynger ut silisium

Det som skjer, er at silangass sendes inn i sentrifugen. Gassen utvinnes av kvarts eller andre vanlige steintyper som inneholder silisium. De fleste som lager superrent silisium i dag bruker denne silangassen eller tilsvarende gasser.

Silan består av hydrogen som er kjemisk bundet til silisium. Når den varmes opp, rives bindingene opp. Hydrogen og silisium skiller lag.

Her kommer sentrifugen til nytte. Silan er en tung gass. Den slynges ut mot veggene, og silisium blir avsatt her.

Hydrogengassen er mye lettere. Den samles i midten av tanken og kan pumpes ut.

Trykk den grønne pila for å se hvordan silisium skilles ut av silangass! Flere animasjoner av Dynatec-sentrifugen, Fluidized Bed-teknologien og Siemensmetoden finnes i artikkelen Snurr Silisium!

Varmhøsting

Nå har altså forskerne fra IFE og Dynatec klart å hente ut silisiumet mens sentrifugen fortsatt er varm. Det kalles varmhøsting. Ventetida mellom nedkjøling og ny oppvarming er borte.

– Vi blåser først inn litt rent silisiumpulver. Det legger seg på veggene i sentrifugen. Det virker omtrent som teflon i en stekepanne. Silisiumet som avsettes på veggene, løsner lett selv om sentrifugen er varm, forteller Filtvedt.

Små biter

Ut fra sentrifugen kommer stykker av silisium, formet av den krumme veggen i sentrifugen. Trykket fra sentrifugen får silisiumet til å gro som staver.  Disse stavene kan lett brytes opp i mindre biter.

­Slike små biter er lette å smelte for produsentene av solceller. Den tradisjonelle Siemensmetoden gir ikke denne fordelen.  Dessuten krever den mye mer energi.

Jo renere, desto bedre

Det tynne laget av silisium på sentrifugeveggen gir også en bonuseffekt. Det hindrer at veggen forurenser silisiumet. Det bør nemlig være renest mulig.

– Jo renere silisium, desto bedre effekt får solcellene. Industrien vil ha renest mulig silisium, sier Filtvedt.

Foreløpig gir Dynatec-metoden ikke fullt så rent silisium som Siemensmetoden. Filtvedt tror likevel at videre forbedringer skal kunne løse det problemet.

Flytende seng

Dynatec-metoden gir også renere silisium enn en annen metode som brukes av industrien i dag. I denne metoden blåses silangass opp mellom silisiumkuler i et oppvarmet rør.

Kulene flyter på gassen, som en væske i bunnen av røret. Metoden kalles derfor Fluidized Bed, flytende seng.

Silisium avsettes på kulene i den flytende senga. De vokser, omtrent som hagl i en tordensky. Fluidized Bed brukes blant annet av produsenten REC.

– Fluidized Bed-teknologien er billigere enn Siemensmetoden, men ser også ut til å ha mer svinn i form av støv. Vi arbeider for å forbedre den, forteller Hallgeir Klette, avdelingsingeniør på solenergisenteret til IFE.

Avdelingsingeniør Hallgeir Klette foran Fluidized Bed-reaktoren som utvikles på Institutt for energiteknikk på Kjeller. Denne teknologien er alt i bruk, men forbedres i samarbeid med industrien. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no)
Avdelingsingeniør Hallgeir Klette foran Fluidized Bed-reaktoren som utvikles på Institutt for energiteknikk på Kjeller. Denne teknologien er alt i bruk, men forbedres i samarbeid med industrien. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no)

Selger med tap

Dynatecmetoden har derimot fortsatt et stykke igjen før den kan brukes av produsentene. Det neste målet er å lage en prototyp som kan prøves ut i industrien.

– Mange solcelleprodusenter selger nå med tap. Konkurransen er hard. Bare de som bruker Fluidized Bed-teknologien tjener litt penger. Sentrifugering av silangass kan hjelpe industrien å bli lønnsom igjen, sier Filtvedt.

– Bør tenke flere markeder

– Dette er et interessant prosjekt, men hvis Dynatec-metoden produserer renere silisium enn Fluidized Bed, bør den brukes i andre markeder enn bare solceller, kommenterer Marisa Di Sabatino til forskning.no.

Marisa Di Sabatino. (Foto: NTNU)
Marisa Di Sabatino. (Foto: NTNU)

Di Sabatino er førsteamanuensis ved Institutt for materialteknologi ved NTNU, og hun peker på at solceller ikke krever så rent silisium som for eksempel til datachips og annen elektronikk.

– Prisen på rent silisium til solceller har falt til under en tiendedel fra årtusenskiftet til i dag. Elkem lager silisium med lavere renhet, men som er god nok til solceller. Likevel sliter de med å være konkurransedyktige på pris, sier hun.

– Siemensmetoden ble opprinnelig utviklet nettopp for å produsere silisum til elektronikk. Den bruker mye mer energi enn Elkemmetoden. Til gjengjeld er silisiumet renere.

­– Hvis Dynatecmetoden kan gi like rent silisium til lavere pris, kan de konkurrere i disse markedene. Uansett er det en fordel at silisium produseres i Norge, hvor energien er billig og fornybar for en stor del, sier Di Sabatino.

– Liten gevinst ved å bytte fra Fluidized Bed

– Det er i dag få produsenter som produserer polysilisium fra silangass, skriver Harry M. Rong i en e-post til forskning.no.

Rong er leder for produktutvikling og innovasjon i Elkem Siliscon Materials. Polysilisium er navnet på det rene silisiumet som blant annet brukes av solcelleindustrien.

Disse produsentene har alt utviklet teknologi for produksjon med Fluidized Bed-teknologien, ifølge Rong. Han mener at gevinsten trolig vil være liten ved å bytte fra Fluidized Bed til Dynatecs sentrifuge.

Avhengig av silan-produksjon

På den andre siden tror han, i likhet med Di Sabatino, at sentrifugen kan være interessant for de som i dag bruker Siemens-metoden. Problemet her er likevel anlegg som kan lage silangass tilfredstillende.

– Det finnes firmaer som har slik teknologi, men etter det jeg kjenner til så selger de ikke teknologien, skriver Rong.

Lenker:

Nye konsepter for produksjon av superrent silisium. Informasjon på nettsidene til IFE fra 2012.

W.O.Filtvedt mfl: Chemical vapor deposition of silicon from silane: Review of growth mechanisms and modeling/scaleup of fluidized bed reactors, sammendrag, Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 107, December 2012, Pages 188–200, doi:10.1016/j.solmat.2012.08.014