Snurr silisium!

Forskerne slynger det ut i sentrifuger, eller virvler det opp som hete hagl. Slik kan superrent silisium lages kjapt og billig.

Publisert
De utvikler metoder for billigere silisiumproduksjon på Institutt for energiteknikk. Fra venstre: Martin Kirkengen, avdelingssjef Energisystemer, Trygve Tveiterås Mongstad, forsker, Werner Olav Filtvedt, forsker og fagområdeleder. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no.)
De utvikler metoder for billigere silisiumproduksjon på Institutt for energiteknikk. Fra venstre: Martin Kirkengen, avdelingssjef Energisystemer, Trygve Tveiterås Mongstad, forsker, Werner Olav Filtvedt, forsker og fagområdeleder. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no.)


Silisium i solceller må være rent. For hver million atomer med silisium godtas maksimalt ett atom med forurensing.

Å framstille så rent silisium, krever mye energi. Hele 100 kilowattimer per kilo silisium. Med høye strømpriser og stadig fallende solcellepriser går produksjonen ofte med tap.

Silisiumprodusentene er desperate etter en løsning, får jeg vite av Werner Filtvedt og Trygve Tveiterås Mongstad på Institutt for energiteknikk (IFE) på Kjeller. Og nå kan de ha funnet løsningen.

Sentrifuge

I en stor laboratoriehall står en trommel på tre bredbente blå metallbein. På dekselet av børstet aluminium står det Dynatec med store bokstaver.

Denne reaktoren på Institutt for energiteknikk kan produsere superrent silisium. Silangass slynges ut mot de varme veggene i en sentrifuge, slik at gassen spaltes, og silisium avsettes på veggene. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no.)
Denne reaktoren på Institutt for energiteknikk kan produsere superrent silisium. Silangass slynges ut mot de varme veggene i en sentrifuge, slik at gassen spaltes, og silisium avsettes på veggene. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no.)

Dette er navnet på det norske firmaet som utvikler teknologien i samarbeid med IFE. Trommelen ser ut som en diger vaskemaskin. Og sannheten er ikke så langt unna. Dette er en sentrifuge.

Med denne helt spesielle sentrifugen har forskerne klart å redusere strømforbruket i prosessen til en tiendedel.

Silisium fra gass

For å skjønne hvordan det er mulig, må vi først beskrive dagens mer strømkrevende prosess. Den kalles Siemens-metoden.


Slik dannes silisium av silangass. Prosessen avgir litt mer energi enn den krever. Dette kan forskerne også utnytte til å spare energi. (Animasjon: Per Byhring, forskning.no)

I Siemens-reaktoren pumpes det inn en gass som inneholder silisium. Ofte brukes gassen silan. Den består av fire hydrogenatomer og ett silisiumatom.

Midt i Siemens-reaktoren står et bueformet varmeelement av silisium. Varmen får hydrogenatomene til å løsne, slik at det rene silisiumet avsettes på det varme røret.

Grillelement i fryseboks

Prosessen kalles kjemisk dampavsetning, Chemical Vapor Deposition (CVD).

Varmelementet er svært varmt, rundt 900 grader Celsius. Veggene i reaktoren må holdes mye kjøligere, bare 250 grader. Slik hindres silisium i å feste seg til veggene isteden.

Denne voldsomme temperaturforskjellen gir det høye energiforbruket. Filtvedt og Mongstad sammenligner Siemens-reaktoren med et grillelement i en fryseboks.


Forenklet skisse av Siemens-reaktoren. (Animasjon: Per Byhring, forskning.no)

Vrengt ut-inn

Da de i samarbeid med Dynatec utviklet sin CVD-reaktor, tok de utgangspunkt i Siemens-reaktoren og vrengte den ut-inn.

Det betyr at silisiumet ikke avsettes i midten av tanken, men på ytterveggene.

I IFE-reaktoren er det ytterveggene som er glovarme. Her skal silangassen spaltes til silisium og hydrogen.

Men også i midten av tanken er det varmt. Her kan silangassen spaltes og danne små støvpartikler. Det er ikke ønskelig. Derfor gjelder det å få silangassen fortest mulig ut til veggene.

Slynger silangass

Her kommer sentrifugen til nytte. Hele tanken roterer. Reaktoren får hjelp av at silan er en tung gass. Den slynges ut mot veggene, og silisium avsetter seg her, som et tykt rør.

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

Filtvedt og Mongstad er nøye med å understreke at denne teknologien fortsatt er et stykke fra å slippes ut på markedet. Men så er den også unik i verdenssammenheng, mener de.


Forenklet skisse av CVD-reaktoren til IFE og Dynatec. (Animasjon: Per Byhring, forskning.no)

Som hagl i tordensky

På kortere sikt har IFE-forskerne også et annet trick oppe i ermet: En reaktor som lager silisiumkuler på størrelse med haglkorn. Den utvikles i samarbeid med blant annet solcelleprodusenten REC.

Forskerne sammenligner denne reaktoren med hvordan hagl lages i en tordensky: Små iskorn løftes med oppvindene inne i skyen, og vokser seg større og større.

I reaktoren blir oppvindene laget av gasser som blåser opp nedenfra mellom silisiumkulene. De flyter derfor fritt, og oppfører seg som en væske i bunnen av tanken. Prosessen kalles væskeseng, eller fluidized bed.

Silangassen kommer inn i tanken sammen med oppvinden. Varmeelementer i veggene holder silisiumkulene varme. Dermed spaltes silangassen, og silisiumet avsettes på overflaten til kulene. Haggelkulene av silisium vokser.

Vanskelig å styre

Kuler av superrent silisium, på størrelse med hagl. Prosessen de er laget med, ligner også på måten hagl dannes i tordenskyer. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no.)
Kuler av superrent silisium, på størrelse med hagl. Prosessen de er laget med, ligner også på måten hagl dannes i tordenskyer. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no.)

Væskesenga er en prosess som er mye brukt i industrien i dag til mange forskjellige formål.

Når forskerne her på IFE tar den i bruk til å lage silisium, er strøminnsparingen nesten like stor som for sentrifugen.

Men væskeseng-teknologien har også sine utfordringer. Temperaturen varierer forskjellige steder i tanken.

Dermed blir reaksjonene også forskjellige, og prosessen blir vanskelig å styre.

Som om ikke det var nok, treffer haglkornene av silisium veggene, og tar med seg forurensinger. Mye arbeid er gjort for å løse disse problemene.

Kan revolusjonere

Forsker og fagområdeleder Werner Filtvedt med et glass silisiumkuler fra væskesengreaktoren i bakgrunnen. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no.)
Forsker og fagområdeleder Werner Filtvedt med et glass silisiumkuler fra væskesengreaktoren i bakgrunnen. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no.)

Utviklingen av silisiumreaktorene skjer i nært samarbeid med industrien. Likevel er forskningen her på Institutt for energiteknikk mer grunnleggende enn det solcellebedriftene kan ta seg tid til.

Derfor har Werner Filtvedt og Trygve Tveiterås Mongstad ved Institutt for energiteknikk store forhåpninger til at mer kunnskap og teknologi skal revolusjonere produksjonen av superrent silisium til solceller.

Referanser og lenker:

Om silisiumreaktorene på nettsidene til Institutt for energiteknikk

W.O.Filtvedt et.al: Chemical vapor deposition of silicon from silane: Review of growth mechanisms and modeling/scaleup of fluidized bed reactors, Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 107, December 2012, Pages 188–200