Projekt 23845/01

Hochleistungsplasmaverfahren für die wirtschaftliche Produktion von Solargrade-Silizium

Projektträger

Dr. Laure Plasmatechnologie GmbH
Schwanenstr. 12
70329 Stuttgart
Telefon: (07 11) 4 20-61 55

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Wirtschaftliche Herstellung von Solargrade-Silizium mit Hilfe eines Plasmaverfahrens. Untersuchung der Möglichkeit der Reduktion von Siliziumdioxid mit Wasserstoff bei sehr großen Temperaturen (Metalloxid + H2 Metall + H2O), da hierbei als Abfallprodukt nur Wasser entsteht.

Die Route hat im Vergleich zu den etablierten Verfahren den Vorteil, dass sie mit weniger Energie auskommt. Zudem ermöglicht sie die komplette Vermeidung des Einsatzes giftiger oder umweltschädlicher Stoffe. Gleichzeitig soll die Herstellung von Solargrade-Silizium im Vergleich zum Stand der Technik kostengünstiger werden


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie direkte Umwandlung des Siliziumdioxids soll über die Reduktion im Wasserstoffplasma erfolgen.
Damit die Umwandlung stattfinden kann, müssen sehr energiereiche Plasmen bereitgestellt werden. Benutzt werden thermische Plasmen. Die Anlagen und Geräte wurden ursprünglich für die Simulation des Wiedereintritts von Raumfahrzeugen entwickelt. Mit dieser Technik können Plasmafreistrahlen mit einer spezifischen Enthalpie zwischen 50 und 500 MJ/kg problemlos dargestellt werden. Um die Siliziumreinigung mit dieser Technik zu erproben, wurden zunächst Voruntersuchungen in einer vorhandenen Anlage durchgeführt. Auf Basis der Voruntersuchungen wurde eine Pilotanlage aufgebaut, in Betrieb genommen und auf ihre Eignung als Siliziumproduktionsanlage untersucht.

Die Charakterisierung erfolgte zu Projektbeginn zunächst mit einem Photoelektronenspektrometer (XPS). Im Projektverlauf konnte relativ schell Silizium erzeugt werden, das einen so geringen Anteil an Verunreinigungen aufwies, dass die Empfindlichkeit des XPS nicht mehr für eine Charakterisierung ausreichte. Aus diesem Grund wurde die Diagnoseeinrichtung um ein SIMS -System erweitert. Das kombinierte XPS-SIMS-System wurde im Rahmen von Testmessungen auf seine Tauglichkeit als Charakterisierungswerkzeug untersucht. Weiterhin wurden mit dem kombinierten System eine Vielzahl von Proben untersucht.


Ergebnisse und Diskussion

Mit dem Projekt ist der erste Schritt hin zu einer plasmagestützten Erzeugung von Solargrade Silizium gelungen. Es konnte gezeigt werden, dass mit relativ einfacher Anlagentechnik, die in keinem Verhältnis zu den konventionellen Siliziumherstellungsverfahren steht, Silizium gereinigt werden kann.
Die Reinigungswirkung konnte für metallurgisches Silizium oder Rohsilizium ebenso nachgewiesen werden wie für Sand. Auffallend ist, dass in den erzeugten Proben kein Kohlenstoff nachgewiesen werden kann. Das Gleiche gilt für Bor und Phosphor, die weder mit dem XPS noch mit dem SIMS-System nachgewiesen wurden. Die Konzentration dieser Stoffe im erzeugten Silizium ist für die Qualität der Solarzelle, die daraus hergestellt wird, entscheidend.

Auf eine Beimischung zusätzlicher Substanzen, die die Reinigungswirkung des Wasserstoffplasmas unterstützen, konnte bis jetzt verzichtet werden. Da nur Sand, Wasserstoff und Argon im Plasma umgesetzt werden, sind die Kosten gering. Der Energieaufwand, der im Rahmen der bisher durchgeführten Tests aufgezeichnet wurde, liegt nach derzeitigem Erkenntnisstand unter den Prognosen, die vor Projektbeginn gemacht wurden.

Daten, die während der Versuche aufgenommen wurden, lassen den Schluss zu, dass der Siliziumpreis unter 10 € pro Kilogramm erzeugtes Silizium liegen wird.

Das Plasma wird als Plasmafreistrahl bereitgestellt, in den der Ausgangsstoff eingemischt wird. Neben extrem hohen Temperaturen treten auch sehr große Geschwindigkeiten auf. Dies erschwert die Abscheidung des Siliziums. Aufgrund der Anströmung mit mehrfacher Überschallgeschwindigkeit bildet sich vor den Proben eine Stoßwelle aus, die dafür sorgt, dass ein Großteil des umgesetzten Pulvers nicht in das vorgesehene Aufnahmegefäß strömt, sondern mit der Strömung am Gefäß vorbei. Bei der Anströmung von Platten, Bänder oder Scheiben konnten deutlich bessere Ergebnisse erzielt werden. Hier ist eine weitergehende Untersuchung von Nöten.

Probenuntersuchungen erfolgten mit einem Photoelektronenspektrometer (XPS), welches im späteren Projektverlauf um ein Sekundärionenmassenspektrometer (SIMS) erweitert wurde. Mit beiden Systemen konnte die Reinigungswirkung nachgewiesen werden. Die Reinigungswirkung an Rohsilizium und Quarzsand konnte mit dem SIMS-System nachgewiesen werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Rahmen des DBU-Programms UMWELT BAUT BRÜCKEN wurde das Projekt zwei Schülergruppen aus Deutschland und Bulgarien vorgestellt. Die Schülergruppen verfassten anschließend mit der Unterstützung von professionellen Journalisten Zeitungsartikel über das Projekt.

Die Veröffentlichung der Projektergebnisse auf der Homepage der Dr. Laure Plasmatechnologie GmbH ist, in Abstimmung mit der DBU, geplant.

Unter Umständen werden Teile der Projektergebnisse auf der Tagung der Deutschen Gesellschaft für Plasmatechnologie veröffentlicht.


Fazit

Die Reinigungswirkung konnte nachgewiesen werden. In der Pilotanlage konnte bereits gezeigt werden, dass sowohl Quarzsand als auch Rohsilizium gereinigt werden kann. Für beide Ausgangstoffe konnte mit Hilfe des SIMS-Systems qualitativ gezeigt werden, dass das aus dem Plasma abgeschiedene Silizium reiner war als die Ausgangstoffe. Die Konzentration der Verunreinigungen bewegte sich deutlich unterhalb der Empfindlichkeitsgrenze des XPS-Systems, also unter 0,1 -0,5 %. Der endgültige Nachweis, dass die Anforderungen von Solargrade Silizium erreicht werden, konnte noch nicht geführt werden, da die Quantifizierung der SIMS-Ergebnisse im Projektzeitraum nicht mehr erarbeitet werden konnte. Hierfür müssen auf Basis der bisher gewonnenen Ergebnisse Referenzproben hergestellt und beschafft werden. Weiterhin muss die Abscheidung, speziell im Hinblick auf die Ausbeute, optimiert werden.