Het raffineren van silicium voor de productie van zonnecellen

Zonnepanelen zijn opgebouwd uit zonnecellen, die bijna altijd zijn gemaakt van poly- of monokristallijn silicium. Siliciumdioxide (SiO2) is het meest voorkomende mineraal in de aardkorst. Het productieproces van uiterst zuivere silicium voor zonnecellen begint met het vinden van een bron van siliciumdioxide in de vorm van silica of zand. In het meest gunstige geval heeft de silica lage concentraties ijzer, aluminium en andere metalen. De silica wordt gereduceerd (zuurstof wordt weggenomen) door middel van een reactie met koolstof in de vorm van steenkool, houtskool en het verhitten tot 1500-2000°C in een vlamboogoven.

Het resultaat is metallurgisch zuivere silicium (MG-Si). Het is 98% zuiver en wordt veel gebruikt in de metallurgische industrie.

Productie van metallurgisch zuiver silicium en afzonderlijke concentraties onzuiverheden. Het deel dat wordt gebruikt voor halfgeleiders is erg klein, en het deel dat wordt gebruikt voor zonnecellen is daar een fractie van.
Een klein deel van het metallurgisch zuivere silicium wordt verder geraffineerd om te worden gebruikt bij de productie van halfgeleiders. MG-Si in poedervorm wordt gemixt met watervrije HCl bij 300°C in een gefluïdiseerd bed reactor om SiHCl3 te vormen.

Tijdens deze reactie reageren onzuiverheden zoals Fe, Al en B om halogeniden (bijvoorbeeld FeCl3, AlCl3, en BCl3) te vormen. De SiHCl3 heeft een laag kookpunt van 31,8°C en met behulp van distillatie wordt SiHCl3 gescheiden van de halogenide onzuiverheden. De resulterende SiHCl3 heeft nu elektrisch-actieve onzuiverheden (zoals Al, P, B, Fe, Cu of Au) in concentraties van minder dan 1 deeltje per miljard.
 
Tenslotte wordt de pure SiHCl3 gemengd met waterstof bij een temperatuur van 1100°C gedurende ongeveer 200-300 uur om een uiterst zuivere vorm van silicium te verkrijgen.

De reactie vindt plaats in grote vacuümkamers en het silicium wordt aangebracht op dunne polysilicium staven (silicium met kleine korrelgrootte) om zo uiterst zuivere polysilicium staven met een diameter van 150-200mm te produceren. Deze methode werd in de jaren ’60 ontwikkeld door Siemens en wordt daarom vaak aangeduid de Siemens methode of het Siemens proces.

De gefabriceerde staven van het voor halfgeleiders geschikte silicium worden opgedeeld om te dienen als basismateriaal voor het kristallisatieproces. De productie van dit voor halfgeleiders geschikte silicium vergt veel energie. Zonnecellen kunnen ook werken met hogere concentraties van onzuiverheden dan het geval is bij chips, dus er zijn stemmen opgegaan die pleiten voor alternatieve methoden om silicium te fabriceren dat ‘slechts geschikt is voor zonnecellen’.

Door zonnepanelen advies kun je aardig besparen op de kosten. Bekijk hier waarop je kunt vergelijken en vraag offertes via onze specialisten!