Innovative Production of Silicon for Solar Cells in a Microwave Furnace

Um Sonnenenergie direkt in Strom zu wandeln, werden Solarzellen aus Silizium eingesetzt. Die herkömmliche Gewinnung von Solarsilizium für die Fertigung von Solarzellen ist mit einem Energieaufwand von 100 kWh/kg sehr energieintensiv. Ein erfolgsversprechender Ansatz eines alternativen, energieeffizienteren Verfahrens zur Gewinnung von Solarsilizium ist die carbothermische Direktreduktion. Mit dem in dieser Arbeit sowohl theoretisch als auch experimentell erforschten, neuartigen Lösungsansatz soll es möglich werden die Vorteile der carbothermischen Direktreduktion nutzbar zu machen. Der Lösungsansatz basiert auf dem Einsatz von Mikrowellen, die erstmals zur Gewinnung von Silizium genutzt werden. Durch die Auslegung einer geeigneten Mikrowellenkammer ist es möglich das für die Siliziumgewinnung erforderliche Temperaturprofil bereitzustellen. Thermodynamisch entspricht dies einer Mindesttemperatur von 1.811°C. Die an der Tiegeloberfläche gemessene Temperatur liegt zwischen 1.200 bis 1.400°C. Die Temperaturen im Inneren des Tiegels können mit 1.950 bis 2.000°C angegeben werden. Dies entspricht den Temperaturen im für die Siliziumgewinnung in der Industrie eingesetzten. Als Rohstoffe können neben konventionellen Rohstoffen auch Pellets aus hochreinen Rohstoffen eingesetzt werden. Dies bildet die Grundlage für eine Direktreduktion von Solarsilizium im Mikrowellenofen. Werden Pellets aus hochreinen Rohstoffen eingesetzt, so liegt die darstellbare Siliziumreinheit bei mehr als 99,99%. Durch den direkten Kontakt zwischen dem Reaktionsgemisch und späteren Silizium mit Bornitrid als Tiegelmaterial, kommt es zu einer unerwünschten Kontamination mir Bor. Diese kann durch eine geeignete Beschichtung mittels Siliziumcarbid minimiert werden. Neben der Reinheit der Rohstoffe stellen diese den Hauptanteil der späteren Produktionskosten des Verfahrens. Diese liegen, je nach Umsetzungsszenario, zwischen 5,78 bis 10,18 $/kg und sind nur über den Einsatz nachwachsender Rohstoffe erreichbar. Das gesetzte Kostenziel von weniger als 10 $/kg ist somit nach der abschließenden Kristallisation erreichbar. Damit wird in dieser Arbeit nicht nur ein energieeffizientes Verfahren zur Gewinnung von Silizium für Solarzellen erforscht, sondern zugleich die Möglichkeit einer CO2-neutralen Produktion von Silizium durch den Einsatz nachwachsender Rohstoffe geschaffen. Dies lässt die Gewinnung von Silizium und somit auch die Produktion von Solarzellen zu einer nachhaltigeren Energieform werden.Solar cells are able to directly transform solar energy into electrical energy. Modern solar cells are made of silicon. The conventional production of solar silicon requires around 100 kWh/kg of energy, which makes its energy-intensive. A promising alternative and energy-efficient approach is the production of solar silicon by direct carbothermal reduction (DCR). However, the DCR is still too expensive. The aim and scope of this thesis is to study an innovative solution to make the advantages of the DCR accessible. The solution is based upon microwave heating, which is used for the production of silicon for the first time.The temperature profile necessary for silicon production is achieved by using a mono-mode microwave cavity. Thermodynamically, a temperature of at least 1,811°C is needed to produce silicon from quartz and carbon. Within the studied experimental setup in a microwave furnace, temperatures reach 1,200-1,400°C at the top of the sample and 1,950-2,000°C in its core. This is in correspondence with the temperature profile obtained in conventional electric-arc furnaces used for industrial silicon production, today. Raw materials studied in this approach include conventional raw materials as well as high-purity raw materials, i.e. quartz powder and carbon black. The silicon purity using high-purity raw materials exceeds 99.99%. Due to the direct contact with boron nitride, which is used as a crucible material, the silicon is contaminated with boron. This is critical for its latter use in solar cells. Coating boron nitride with silicon carbide seems a suitable solution. Raw materials are the major cost position with the production costs. The production costs using microwave heating are estimated within a range of $5.78/kg to $10.18/kg. This is only possible due to the use of renewable raw materials. Especially rice hulls are a promising raw material source, since burning rice hulls leads to a high reactive mixture of silicon dioxide and carbon, suitable for silicon production. Thus, the approach has the potential to reach the targeted production cost of less than $10/kg. The energy-efficient approach in this thesis allows the CO2-neutral production due to the use of renewable raw materials, too. The innovative solution is capable to provide high-quality silicon for further processing as a feedstock for solar cells. Due to the use of renewable raw materials production of silicon and thus solar cells becomes real sustainable energy