| dc.description.abstract | Silisium er et avgjørende element i produkter som omgir oss hver dag, som solcellepaneler, elektronikk og i kjemiske produkter. Behovet for en bærekraftig og sirkulær verdikjede for silisium er presserende. Dagens produksjon av silisium utføres ved karbotermisk reduksjon, en prosess som er skadelig for klimaet siden den produserer CO2. Et alternativ til dette er produksjon av silisium gjennom aluminotermisk reduksjon av kvarts i slagg, som muliggjør en karbonfri prosess og kan utnytte materialer som ikke egner seg for dagens silisiumproduksjon. Metallet som produseres gjennom denne prosessen inneholder omtrent 74% Si, 10% Al og 16% Ca (SisAl-metall) [1]. Under produksjonen av solceller blir omtrent halvparten av silisiumet avfallsprodukter. Et betydelig avfallsprodukt er silisiumpulveravfall(kerf) som oppstår under skjæring av wafers til solceller. Kerfen består av nesten rent silisiumpulver, men inneholder noen urenheter fra skjæreprosessen og et inert oksidlag på partiklenes overflate, noe som skaper utfordringer i resirkuleringsprosessen [2], [3].
Denne avhandlingen har undersøkt en kombinert raffineringsrute for SisAl-metall og kerf, som starter med slagg-raffinering, etterfulgt av vakuumraffinering og retningsstyrt størkning. For slaggraffineringen ble forskjellige massekombinasjoner av kerf, SisAl-metall, 1,1/1 CaO/SiO2-slagg og kvarts smeltet i induksjonsovner ved 1550℃. De første eksperimentene viste at 40 minutters holdetid var tilstrekkelig, og forholdet 1,5/1/2/0,9 av kerf, SisAl-metall, slagg og kvarts viste lovende resultater med hensyn til silisiumutbytte og smelteegenskaper. Slagg-raffineringen ble utført på 200 g-, 20 kg- og 100 kg-skala. På 20 kg-skalaen oppnådde metallet mellom 96,2% - 98,9% silisium, og på 100 kg-skalaen hadde metallproduktet 97,79% silisium. Vakuuminduksjonsraffinering ble gjort for 400 g metall ved 1550℃ i 60, 90 og 100 minutter, og oppnådde henholdsvis 99,5%, 99,4% og 99,5% rent silisium. Retningsstyrt størkning ble diskutert som et mulig neste trinn i raffineringsprosessen.
Dette arbeidet er en del av NTNUs bidrag til EU Horizon Resilex-prosjektet, som har som mål å øke sirkulariteten i solenergibransjen. Prosjektet har mottatt finansiering fra Den europeiske unions HORIZON Action Grant-program under avtalenummer 101058583. | |
| dc.description.abstract | Silicon is a vital element in products that surround us daily, like solar panels, electronics, and chemical applications. The need for a sustainable, circular silicon value chain is pressing. State-of-the-art silicon production is done through carbothermic reduction, a process that is inherently damaging to the climate, as it produces CO2. An alternative to this is silicon production through aluminothermic reduction of quartz in slag, which enables a carbon-free process, which can utilize materials unsuited for state-of-the-art silicon production. The metal produced through this process contains about 74% Si, 10% Al, and 16% Ca (SisAl metal). [1] During the production of solar cells, about half of the silicon becomes waste products. The silicon powder waste created during wafer sawing (kerf) is a major waste product. The kerf consists of almost pure silicon powder but holds some impurities from the cutting process and an inert oxide layer on the surface particles, which causes challenges in the recycling processes [2], [3].
This thesis has investigated a combined refining route for SisAl metal and kerf, starting with slag refining, followed by vacuum treatment and directional solidification. For slag refining, different mass ratios of the kerf, SisAl metal, 1,1/1 CaO/SiO2-slag, and quartz were melted in induction furnaces at 1550℃. The initial experiments found that 40 minutes of holding time were sufficient, and the ratio 1,5/1/2/0,9 of kerf, SisAl metal, slag, and quartz showed promising results regarding silicon yield and melt properties. The slag refining was done on a 200 g scale, 20 kg scale, and 100 kg scale. On the 20 kg scale, the metal reached purities between 96,2-98,9% silicon, and on the 100 kg scale, the product had 97,79 % silicon. Vacuum induction refining was done on a 400 g scale at 1550℃ for 60, 90, and 100 minutes achieving 99,5%, 99,4%, and 99,5 % pure silicon, respectively. Directional solidification was discussed as a possible next step in the refining scheme with the help of theoretical calculations.
This work is a part of NTNU’s contribution to the EU Horizon Resilex project, which aims to increase the circularity in the PV industry. The project has received funding from the European Union’s HORIZON Action Grant program under Grant Agreement N° 101058583. | |
