Teknologi og rmaterialer i fremtidig solcelleproduksjon Erik Larsen

Teknologi og råmaterialer i fremtidig solcelleproduksjon Erik Larsen & Knut L. Sandvik Institutt for geologi og bergteknikk, NTNU, 7491 Trondheim 1

2

Solcellemarkedet [MWP] [År] Gjennomsnittlig vekstrate for elektrisk solenergi i tidsrommet 1990 -2001 var 22% pr. år 3 Kvartsbehov: 2001: ~ 65 000 tonn 2010: ~ 350 000 tonn

Solcellemarkedet Andre Tynn film Multikrystallin Monokrystallin - Krystalline celler: laget av Si - Tynn film celler: laget av amorf Si/Cd. Te/Cu. In. Ga diselenide - Andre celler: elektrokjemiske celler, organiske celler, etc. . 4

Solcelleproduksjon - krystallin Si 1) Gruvedrift og prosessering av råmat. (kvarts + koks) 2) Karbotermisk reduksjon til metallurgisk grad Si (MG-Si) 3) Rensing av MG-Si til elektronisk grad Si (EG-Si) 4) Produksjon av blokker fra solar grad Si (So. G-Si) 5) Wafer kutting og prosessering til celler - Kvartsitt og hydrotermal kvarts - Grovknusing - Renhet av kvarts: typisk 97 -98% Si. O 2 5

Solcelleproduksjon - krystallin Si 1) Gruvedrift og prosessering av råmat. (kvarts + koks) 2) Karbotermisk reduksjon til metallurgisk grad Si (MG-Si) 3) Rensing av MG-Si til elektronisk grad Si (EG-Si) 4) Produksjon av blokker fra solar grad Si (So. G-Si) 5) Wafer kutting og prosessering til celler Kvarts + Karbon Karbotermisk reduksjon - Krav til størrelse (10 -150 mm) - Renhet av MG-Si: typisk 98. 5% Si 6 Raffinering MG-Si

Solcelleproduksjon - krystallin Si 1) Gruvedrift og prosessering av råmat. (kvarts + koks) 2) Karbotermisk reduksjon til metallurgisk grad Si (MG-Si) 3) Rensing av MG-Si til elektronisk grad Si (EG-Si) 4) Produksjon av blokker fra solar grad Si (So. G-Si) 5) Wafer kutting og prosessering til celler MG-Si + HCl Triklorsilan (HSi. Cl 3) EG-Si - Bi-produkter/avfall - Meget energikrevende - Renhet av EG-Si: ppb-ppt 7 Rensing av HSi. Cl 3 Avsetning på Si stenger

Solcelleproduksjon - krystallin Si 1) Gruvedrift og prosessering av råmat. (kvarts + koks) 2) Karbotermisk reduksjon til metallurgisk grad Si (MG-Si) 3) Rensing av MG-Si til elektronisk grad Si (EG-Si) 4) Produksjon av blokker fra solar grad Si (So. G-Si) 5) Wafer kutting og prosessering til celler Vekst (monokryst. Si) EG-Si avfall + prosesstap (So. G-Si) Si blokk Støp (multikryst. Si) - Meget energikrevende - Renhet av Si: ppm-ppb 8

Solcelleproduksjon - krystallin Si 1) Gruvedrift og prosessering av råmat. (kvarts + koks) 2) Karbotermisk reduksjon til metallurgisk grad Si (MG-Si) 3) Rensing av MG-Si til elektronisk grad Si (EG-Si) 4) Produksjon av blokker fra solar grad Si (So. G-Si) 5) Wafer kutting og prosessering til celler Si blokker Wafer kutting Avkapp Sagetap Celleprosessering Til blokkprod. 9

Produksjonskostnader - Mineralprosessering utgjør omtrent 0. 5% av totale kostnader 10

Material forurensninger (ppm) A - God kvalitet klumpkvarts B - Prosessert hydrotermal kvarts C - Prosessert kvarts fra sonert pegmatitt D - Hydrometallurgisk behandlet kvarts MG - Metallurgisk grad UMG - Oppgradert metallurgisk grad So. G - Solar grad 11

Renhet og pris på kvarts 1 ppm D ~ 1. 5 - 2. 5 $/kg 0. 001 % 0. 01 % C ~ 0. 4 - 0. 6 $/kg 0. 1 % B ~ 0. 1 - 0. 2 $/kg 1% A ~ 0. 05 $/kg 12 A - Klumpkvarts B - Prosessert (normal pegmatitt) C - Prosessert (pegmatittkjerne) D - Hydrometallurgisk behandlet

Nåværende teknologi Prod. av of celler cells & cellemoduler cell modules Cellemodul Wafer saging Blokk Prod. av blokker So. G-Si Prod. av EG-Si Gruvedrift & prosessering 13 Klump kvarts Karbotermisk reduksjon MG-Si EG-Si

Nåværende teknologi Prod. av of celler cells & cellemoduler cell modules Cellemodul - Over 50% av totale kostnader Wafer saging Blokk Prod. av blokker So. G-Si Prod. av EG-Si Gruvedrift & prosessering 14 Klump kvarts Karbotermisk reduksjon MG-Si EG-Si

Nåværende teknologi Prod. av of celler cells & cellemoduler cell modules Cellemodul - Nesten 50% tap Wafer saging Blokk Prod. av blokker So. G-Si Prod. av EG-Si Gruvedrift & prosessering 15 Klump kvarts Karbotermisk reduksjon MG-Si EG-Si

Nåværende teknologi Prod. av of celler cells & cellemoduler cell modules Cellemodul - Omtrent 30% av totale kostnader - Meget energikrevende Wafer saging Blokk Prod. av blokker So. G-Si Prod. av EG-Si Gruvedrift & prosessering 16 Klump kvarts Karbotermisk reduksjon MG-Si EG-Si

Nåværende teknologi Prod. av of celler cells & cellemoduler cell modules Cellemodul - Omtrent 10% av totale kostnader - Meget energikrevende - Begrenset tilgjengelighet - Unødvendig høy renhet Wafer saging Blokk Prod. av blokker So. G-Si Prod. av EG-Si Gruvedrift & prosessering 17 Klump kvarts Karbotermisk reduksjon MG-Si EG-Si

Nåværende teknologi Prod. av of celler cells & cellemoduler cell modules Cellemodul - Omtrent 3% av totale kostnader - Urene råmaterialer - Kan ikke raffineres til So. G-Si kvalitet Wafer saging Blokk Prod. av blokker So. G-Si Prod. av EG-Si Gruvedrift & prosessering 18 Klump kvarts Karbotermisk reduksjon MG-Si EG-Si

Nåværende teknologi Prod. av of celler cells & cellemoduler cell modules Cellemodul - Mindre enn 0. 5% av totale kostnader - Færre høy-kvalitets forekomster - Ingen prosessering pga. prosesskrav Wafer saging Blokk Prod. av blokker So. G-Si Prod. av EG-Si Gruvedrift & prosessering 19 Klump kvarts Karbotermisk reduksjon MG-Si EG-Si

Fremtidig rute Prod. av of celler cells & cellemoduler cell modules Cellemodul - Økt mineralprosessering - Elektrolyse / plasmametallurgi - Rensing kombinert med krystallisering Wafer saging Blokk Prod. av blokker So. G-Si Prod. av EG-Si Gruvedrift & prosessering 20 Klump kvarts Karbotermisk reduksjon MG-Si EG-Si

Fremtidig rute Prod. av of celler cells & cellemoduler cell modules Cellemodul - Økt mineralprosessering - Elektrolyse / plasmametallurgi - Rensing kombinert med krystallisering Wafer saging Blokk Prod. av blokker So. G-Si Gruvedrift & prosessering 21 Prosess. kvarts Elektrolyse / plasmatekn.

Konklusjon - I tillegg vil totale kostnader gå ned 22

Konklusjon I DAG I MORGEN 23