Erzeugung von Solargrade-Silizium mit thermischem Plasma

Präsentation zum Thema: "Erzeugung von Solargrade-Silizium mit thermischem Plasma"—  Präsentation transkript:

1 Erzeugung von Solargrade-Silizium mit thermischem Plasma
Im Zuge der Entwicklung der Energiepolitik hin zu einem verstärkten Einsatz von regenerativen Energiequellen rückt zwangsläufig auch die Frage nach dem Energieaufwand und der Schadstoffproduktion in den Vordergrund, die bei der Massenproduktion von Systemen zur Nutzung dieser regenerativen Energien entstehen. Obwohl die Energiebilanz bei der Photovoltaik insgesamt positiv ausfällt, so muss doch berücksichtigt werden, dass zur Herstellung des Ausgangsstoffes für Solarzellen, Silizium, eine beträchtliche Menge an Energie aufgewendet werden muss, und - vielleicht noch bedeutsamer - ungeachtet der oft betonten CO2-freien Energieerzeugung, bei der bislang üblichen Reduktion von SiO2 zu metallischem Silizium mit Hilfe von Kohlenstoff (SiO2 + 2C  Si + 2CO) für jede Tonne Si zwei Tonnen CO, bzw Tonnen CO2 frei werden. Dies gilt nicht nur für Silizium das zu Solarsilizium weiterverarbeitet wird, sondern für die gesamte Siliziumerzeugung (Jahr 2002: 4.1 Mio. t), da Silizium in der Natur nicht gediegen, sondern nur als Siliziumdioxid vorkommt. Die Entwicklung eines Verfahrens, das, bei ähnlichem oder geringerem Energieaufwand ohne die Emission von Treibhausgasen oder anderen schädlichen Stoffen auskommt, stellt daher ein lohnendes Ziel dar. Zieht man darüber hinaus in Betracht, dass Kohlenstoff eine höchst problematische Unreinigung des gewonnenen Siliziums darstellt, die während des Produktionsprozesses in das Silizium eingetragen wird, drängt sich die Untersuchung alternativer Technologien geradezu auf. Der interessanteste Ansatz ein metallisches Oxid zu reduzieren besteht zweifellos in der direkten Reduktion des Oxids mit Wasserstoff (Metalloxid + H2  Metall + H2O), da hierbei als „Abfallprodukt“ nur Wasser entsteht. Die Bindungsenergie des H2-Moleküls ist jedoch relativ hoch, so dass das Aufbrechen der H-H Bindung in der Regel recht hohe Temperaturen erfordert. Vergleich Plasma-Si -↔Konventionelle Route Derzeitiger Stand Siliziumproduktion Das Rohsilicium wird in weiteren hochtechnisierten Verfahren chemisch gereinigt: zunächst wird das Rohsilicium-Metall gemahlen. Mit Steinsalz (chemisch: NaCl) wird durch einen energieintensiven Prozess in mehreren Schritten Salzsäure gewonnen. Die Salzsäure wird zu Chlorwasserstoff, dem Salzsäuregas, umgewandelt. Rohsilicium und der gasförmige Chlorwasserstoff reagieren chemisch zu Trichlorsilan, einer wasserklaren Flüssigkeit Nur rein genügt jedoch den Anforderungen der Mikroelektronik noch immer nicht. Das Silizium muß ein völlig gleichmäßiges Kristallgitter bilden, in dem alle Atome exakt die gleichen Abstände und Winkel zueinander haben. Solche Eigenschaften besitzt nur ein Kristall, das aus einem Stück gewachsen ist. In einem elektrischen Lichtbogenofen wird mit Kohle und Holz vorgemischter hochreiner Quarzkies der Körnung 16 - x mm erhitzt, und etwa bei °C beginnt die chemische Reaktion: dem SiO2 wird zunächst ein Sauerstoff-Atom entzogen.  Diese Flüssigkeit wird destilliert, die Verunreinigungen dadurch abgetrennt. Die gewonnene hochreine Flüssigkeit wird wieder mit viel Energieaufwand zu reinstem Poly-Silizium (polykristallines Silizium) umgewandelt, das sodann in einen Block gegossen wird. Jetzt zeigt sich das Silicium-Metall so sauber und rein, das auf 10 Milliarden Siliciumatome nur 1 Fremdatom kommt. Vorratsbehälter Auftriebs- kolone Abtriebs- Destillative Reinigung Einschmelzen und Rekristallisation Wafer- herstellung Vorlage- tank Konden- sation Entnahme und Zerkleinerung Das Poly-Silicium wird daher bei 1.410° C geschmolzen: In die Schmelze wird ein Impfkristall eingetaucht, das langsam unter Drehen herausgezogen wird. Die so entstehenden zylinderförmigen Stäbe sind bis zu 2 m lang und 30 cm dick und bestehen aus monokristallinem Silizium. Beim Ziehen dieser Einkristalle werden gleichzeitig gezielt kleine Mengen von Fremdatomen, wie Bor oder Phosphor, zugesetzt, um die geforderte Leitfähigkeit des späteren Chips oder der späteren Solarzelle einzustellen. Die Stäbe werden dann mit technisch großem Aufwand in dünne Scheiben, sogenannte Wafer, geschnitten.   Die Umwandlung in Gas ist der Grund dafür, daß so grober Quarzkies verwendet wird, da er im Gemenge Hohlräume (Räume zwischen den Quarzkörnern) aufweist und das Durchströmen des gasförmigen Siliciumoxids ermöglicht. Feinere Körnungen Quarzkies oder hochreiner Quarzsand, wie er in der Glasindustrie verwendet wird, ist aufgrund seiner hohen Schüttdichte (geringe Hohlräume zwischen den einzelnen Sandkörnern) nicht geeignet. Das gasförmige SiO reagiert zum einen unter Bildung von CO2, das bei der "Verbrennung" des Kohlenstoffs (chemisch C) entsteht, zu metallischem Silicium, dem sogenannten Rohsilicium. Quelle: Quelle: Route über Wasserstoffplasma Eine völlig andere Situation findet man dagegen vor, wenn man Plasma-Anlagen zur Simulation des Wiedereintritts von Raumfahrzeugen in Bodentesteinrichtungen betrachtet (Bild 1). Hier werden die Bedingun­gen, die während des Wiedereintrittsfluges in Höhen von ca km an der Oberfläche eines Raumfahrzeugs auftreten, in so genannten Plasmawindkanälen nachgebildet (Bild 2). Dabei muss die Plasmaströmung, die auf eine Materialprobe einwirkt eine Temperatur von mehr als 5000 K aufweisen, und es muss relativ viel Gas zur Oberfläche der Materialprobe transportiert werden, um die Strömung beziehungsweise die Wechselwirkung des heißen Gases mit dem Hitzeschutzmaterial realistisch zu simulieren. Solche Plasmaquellen, die ursprünglich für die Simulation des Wiedereintritts entwickelt wurden, werden von der Dr. Laure Plasmatechnologie GmbH nun erfolgreich für die Entwicklung von Beschichtungsverfahren eingesetzt. Werden diese Plasmaquellen mit Wasserstoff betrieben so verfügt man über ein Werkzeug mit dem Metalloxide sehr gut reduziert werden können. Wasserstoffplasma Wasserstoff-Silizium-Plasma Vergleich Plasma-Si ↔Si-Wafer   Simulation des Wiedereintrittsflugs am Boden Raumfahrzeug beim Wiedereintrittsflug Dr. Laure Plasmatechnologie GmbH