Teknologi og råmaterialer i fremtidig solcelleproduksjon

1

Teknologi og råmaterialer i fremtidig solcelleproduksjon

Erik Larsen & Knut L. SandvikInstitutt for geologi og bergteknikk, NTNU, 7491 Trondheim

2

3

Solcellemarkedet

Gjennomsnittlig vekstrate for elektrisk solenergi i tidsrommet 1990-2001 var 22% pr. år

[År]

[MWP]

Kvartsbehov:2001: ~ 65 000 tonn2010: ~ 350 000 tonn

4

Solcellemarkedet

- Krystalline celler: laget av Si- Tynn film celler: laget av amorf Si/CdTe/CuInGa diselenide- Andre celler: elektrokjemiske celler, organiske celler, etc..

Tynn film

Monokrystallin

Multikrystallin

Andre

5

Solcelleproduksjon - krystallin Si

- Kvartsitt og hydrotermal kvarts- Grovknusing- Renhet av kvarts: typisk 97-98% SiO2

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 (SoG-Si)5) Wafer kutting og prosessering til celler

6

- Krav til størrelse (10-150 mm)- Renhet av MG-Si: typisk 98.5% Si

Kvarts + Karbon

Karbotermisk reduksjon

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 (SoG-Si)5) Wafer kutting og prosessering til celler

7

- Bi-produkter/avfall- Meget energikrevende- Renhet av EG-Si: ppb-ppt

MG-Si + HCl

Triklorsilan (HSiCl3)

Rensing av HSiCl3

Avsetning på Si stenger

EG-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 (SoG-Si)5) Wafer kutting og prosessering til celler

8

EG-Si avfall +prosesstap

(SoG-Si)

Vekst (monokryst. Si)

Støp (multikryst. Si)

Si blokk

- Meget energikrevende- Renhet av Si: ppm-ppb

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 (SoG-Si)5) Wafer kutting og prosessering til celler

9

Wafer kuttingSi

blokker

Avkapp Sagetap

Celleprosessering

Til blokkprod.

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 (SoG-Si)

5) Wafer kutting og prosessering til celler

10

Produksjonskostnader

- Mineralprosessering utgjør omtrent 0.5% av totale kostnader

11

Material forurensninger (ppm)

A - God kvalitet klumpkvartsB - Prosessert hydrotermal kvartsC - Prosessert kvarts fra sonert pegmatittD - Hydrometallurgisk behandlet kvarts

MG - Metallurgisk gradUMG - Oppgradert metallurgisk gradSoG - Solar grad

A B C D MG UMG SoGB <1 <0.04 15-50 <30 <1P <5 0.2 <5 0.05 10-50 <15 <5Fe 600 15 0.1 <0.03 2000 <150 <10Al 400 30 7 7 100-200 <50 <2Ca 150 15 0.1 0.5 100-600 <500 <2Ti 30 1.2 4 1.2 200 <5 1Cr 15 2-5 <0.01 <0.003 50 <15 1

Kvarts Silisium-metall

12

Renhet og pris på kvarts

A

B

D

C

1 ppm

~ 0.05 $/kg

~ 0.1 - 0.2 $/kg

~ 0.4 - 0.6 $/kg

~ 1.5 - 2.5 $/kg

1 %

0.1 %

0.01 %

0.001 %

A - KlumpkvartsB - Prosessert (normal pegmatitt)C - Prosessert (pegmatittkjerne)D - Hydrometallurgisk behandlet

13

Nåværende teknologi

Gruvedrift & prosessering

Klump kvarts

MG-Si

EG-Si

SoG-Si

Wafer

Celle- modul

Karbotermisk reduksjon

Prod. av EG-Si

Prod. avblokker

Wafer saging

Prod. of cells& cell modulesProd. av celler& cellemoduler

Blokk

14

Nåværende teknologi

Gruvedrift & prosessering

Klump kvarts

MG-Si

EG-Si

SoG-Si

Wafer

Celle- modul

Karbotermisk reduksjon

Prod. av EG-Si

Prod. avblokker

Wafer saging

Prod. of cells& cell modulesProd. av celler& cellemoduler

Blokk

- Over 50% av totale kostnader

15

Nåværende teknologi

Gruvedrift & prosessering

Klump kvarts

MG-Si

EG-Si

SoG-Si

Wafer

Celle- modul

Karbotermisk reduksjon

Prod. av EG-Si

Prod. avblokker

Wafer saging

Prod. of cells& cell modulesProd. av celler& cellemoduler

Blokk

- Nesten 50% tap

16

Nåværende teknologi

Gruvedrift & prosessering

Klump kvarts

MG-Si

EG-Si

SoG-Si

Wafer

Celle- modul

Karbotermisk reduksjon

Prod. av EG-Si

Prod. avblokker

Wafer saging

Prod. of cells& cell modulesProd. av celler& cellemoduler

Blokk

- Omtrent 30% av totale kostnader - Meget energikrevende

17

Nåværende teknologi

Gruvedrift & prosessering

Klump kvarts

MG-Si

EG-Si

SoG-Si

Wafer

Celle- modul

Karbotermisk reduksjon

Prod. av EG-Si

Prod. avblokker

Wafer saging

Prod. of cells& cell modulesProd. av celler& cellemoduler

Blokk

- Omtrent 10% av totale kostnader - Meget energikrevende- Begrenset tilgjengelighet- Unødvendig høy renhet

18

Nåværende teknologi

Gruvedrift & prosessering

Klump kvarts

MG-Si

EG-Si

SoG-Si

Wafer

Celle- modul

Karbotermisk reduksjon

Prod. av EG-Si

Prod. avblokker

Wafer saging

Prod. of cells& cell modulesProd. av celler& cellemoduler

Blokk

- Omtrent 3% av totale kostnader- Urene råmaterialer - Kan ikke raffineres til SoG-Si kvalitet

19

Nåværende teknologi

Gruvedrift & prosessering

Klump kvarts

MG-Si

EG-Si

SoG-Si

Wafer

Celle- modul

Karbotermisk reduksjon

Prod. av EG-Si

Prod. avblokker

Wafer saging

Prod. of cells& cell modulesProd. av celler& cellemoduler

Blokk

- Mindre enn 0.5% av totale kostnader- Færre høy-kvalitets forekomster - Ingen prosessering pga. prosesskrav

20

- Økt mineralprosessering- Elektrolyse / plasmametallurgi- Rensing kombinert med krystallisering

Fremtidig rute

Gruvedrift & prosessering

Klump kvarts

MG-Si

EG-Si

SoG-Si

Wafer

Celle- modul

Karbotermisk reduksjon

Prod. av EG-Si

Prod. avblokker

Wafer saging

Prod. of cells& cell modulesProd. av celler& cellemoduler

Blokk

21

Prosess. kvarts

Gruvedrift & prosessering

SoG-Si

Elektrolyse /plasmatekn.

Prod. avblokker

Wafer

Celle- modul

Wafer saging

Prod. of cells& cell modulesProd. av celler& cellemoduler

Blokk

- Økt mineralprosessering- Elektrolyse / plasmametallurgi- Rensing kombinert med krystallisering

Fremtidig rute

22

Konklusjon

- I tillegg vil totale kostnader gå ned

23

KonklusjonI DAG

I MORGEN