Solsilc-prosessen Solcellesilisium fra rene råmaterialer

Transkript

1 Solsilc-prosessen Solcellesilisium fra rene råmaterialer Rannveig Kvande FESIL Sunergy AS Presentasjon Samarbeidsforum, NTNU, 1. november 2011

2 Solenergi i Norge ikke bare en solskinnshistorie

3 Verdens energibehov er stadig økende Befolkningsvekst : 7.7 milliarder : 9.3 milliarder : 10.1 milliarder Energibehovet er stadig økende - Økende befolkning - Levevilkår i mange utviklingsland blir stadig bedre Fornybar energi (vind, sol, biomasse etc.) må kunne dekke en stadig større del av verdens energibehov i fremtiden Prognoser tilsier at solceller vil være konkurransedyktig i de fem største elektrisitetsmarkedene i EU før 2020

4 Silisium for solceller Veldig rent silisium (> % Si) kreves som råvare for solceller Poly-Si Si: Silisium over i gassfase, destillering, avsetting (Siemens, FBR) + Veldig rent silisium, jevn kvalitet - Store investeringskostnader, energikrevende, dyrt, unødvendig rent UMG-Si Si: Raffinering (oppgradering) av metallurgisk silisium + Lite energikrevende, lavere kostnader, materiale tildels tilpasset solcelleindustrien - Krever flere raffineringstrinn, kvalitet kan variere noe Solsilc-Si Si: Produksjon av silisium fra rene råmaterialer + Unngår omfattende raffineringstrinn, flytende hele veien, lite energikrevende, lave kostnader - Selektiv mht råvarekilder, kvalitet kan variere noe

5 Hvorfor kreves høyrent silisium for solceller? Forurensninger har en negativ innvirkning på solcellen: kortslutning, indiserer dislokasjoner og sprekker etc. men viktigst: de fleste forurensninger påvirker og hemmer elektronenes ferd i solcellen Jo lettere elektronene har for å bevege seg jo bedre blir virkningsgraden til solcellen Effektiviteten til en solcelle ligger typisk i området % (teoretisk grense på omtrent 29%) Hvordan er en solcelle bygd opp? Frontkontakt Antirefleksjonslag Fosfordopet (n-type) p-n overgang Bordopet (p-type) <1 µm 200 µm Bakkontakt

6 FESIL Sunergy kort fortalt FESIL Sunergy AS (FS) har som mål å produsere silisium til solceller (feedstock) på en meget kostnadseffektiv måte Solsilc-prosessen er basert på å benytte veldig rene råvarer (kvarts, carbon black og silisiumkarbid) for å kunne tappe et meget rent silisium direkte fra reduksjonsovnen FS er 51% eid av FESIL AS FS er 49% eid av Sunergy Investco BV (nederlandsk utility-selskap) Et halv-industrielt testanlegg er bygget på Lilleby i Trondheim - Reduksjonsovn (1.5 MW) - Induksjonsovn (700 kg) - DS*-ovn (400 kg) *DS = Directional Solidification - Raffineringsovn - Øser - Prøvetakingsutstyr - Sageutstyr (blad Ø 800 mm) Kontorbygg Testproduksjon 6

7 Solsilc-prosessens seks trinn 1. Produksjon av silisiumkarbid 2. Agglomerering av kvarts, karbon og SiC-finstoff 3. Karbotermisk reduksjon 4. Holdeovn (induksjon +filtrering/skumming) 5. Raffineringsstørkning 6. Rensing og saging/knusing

8 Produksjonskampanjer De to siste og viktigste Solsilc kampanjer i pilotskala H30: 150 kw reduksjonsovn Teste prosess og kvalitet Tappet silisium sendt direkte til Sunicon / SolarWorld L01: 0.7 MW reduksjonsovn Oppskalere prosess og utvikle raffineringsstørkning Raffinert silisium sendt til Sunicon H-30 L-01 Produksjonsperiode Vår 2009 Vår 2010 Råmaterialer brukt Standard Lavere bornivå Silisium produsert 1 tonn 8 tonn Størkneraffinert av FS? Nei Ja B-innhold etter RS 1) 0.8 ppmwt 0.5 ppmwt P-innhold etter RS 1) 0.5 ppmwt 0.4 ppmwt Andel Solsilc (rest = poly) for DS 2) 40% Solsilc-Si 40% og 60% Solsilc-Si 1) Refining Solidification, 2) Directional Solidification

9 Effektivitet solceller testresultater Campaign L-01 Location RS 1) Sunicon Location DS 2) Sunicon Blending ratio DS 60% Solsilc Cell producer Sunicon Resistivity [Ωcm] H-30 Sunicon Sunicon 40% Solsilc Sunicon 0.8 (P added) L-01 Sunicon Sunicon 40% Solsilc Sunicon 1.2 (P added) L-01 FS Sunicon 3) 40% Solsilc Sunicon 0.8 (P added) L-01 FS Sunicon 40% Solsilc Sunicon 0.6 (no P added) L-01 FS Sunicon 40% Solsilc Sunicon 0.7 (P added) L-01 FS Sunicon 40% Solsilc (P added) 1.0 (P added) Cell efficiency 16.4% 16.5% 16.1% 4) 16.5% 16.6% 16.9% 16.8% Ref efficiency - 1) Refining Solidification, 2) Directional Solidification, 3) A different type (non-standard) of solidification furnace was used, 4) Solidifcation in a different furnace had a large negative impact on the cell performance (not material related) Bruk av 40% Solsilc-Si (selv også 60%) som feedstock har gitt resultater som er fullt ut på høyden med solceller basert 100% poly-si produsert ved Siemensprosessen

10 Solcellepaneler testresultater Parameter H30 1) 40% Solsilc Pmpp [W] Impp [A] 7.6 Vmpp [V] 30.0 Isc [A] 8.0 L01 2) 40% Solsilc Voc [V] L01 3) 60% Solsilc FF [%] ) Produced in 2009, 2) Produced in 2010, 3) Produced in 2011 Standard klassifisering av paneler: (100% poly-si, 2011): W Panel produsert både med 40% og 60% Solsilc-Si plasserte seg i den høyeste kvalitetsklassen 10 Ref.: Datasheet Sunmodule, Solar World, August 2010

11 Konklusjoner etter L-01 kampanjen 1. Kutting av wafere gikk meget bra og waferutbyttet ble tilsvarende som ved saging av 100% poly-si wafere 2. Til tross for et noe høyt metallinnhold i L01-Si ble det oppnådd meget gode solceller 3. Resistiviteten var noe lav for flere av ingotene men celleeffektiviteten var likevel høy 4. Den viktige parameteren reversert strøm ble funnet lav og stabil 5. Gjennomsnittlig celleeffektivitet oppnådd av Solar World for senterblokker fra 40% Solsilc-Si ingoter lå i området 16.4% til 16.6%. For ingoten med 60% Solsilc-Si ble gjennomsnittlig effektivitet hele 16.8%. 1. Kommentar fra Solar World til celleresultatene: The solar cell efficiency is in the same range as for standard production. The efficiencies obtained are remarkable for 'UMG-Si' in such a blending ratio". 2. Maks celleeffektiviteten oppnådd av Solar World var 16.99%. Det indikerer et meget lovende potensiale for Solsilc-Si 6. Et asiatisk selskap oppnådde en gjennomsnittlig celleeffektivitet på 16.9% for 40% Solsilc-Si wafere. En maks effektivitet på 17.3 % ble oppnådd, noe som er den foreløpige rekorden for celler basert på 40 % Solsilc. 7. Sist produserte panel ble laget av celler basert på 60% Solsilc-Si. Her ble en effekt på 237,4 W oppnådd, noe som ligger i høyeste kvalitetsklasse for paneler basert 100% poly-si 11