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