Silicium is op de snelgroeiende solarmarkt de eerste keus qua materiaal, omdat het relatief efficiënt zonne-energie omzet in elektrische energie. Bij de productie van de siliciumschijven gaat in de fotovoltaïsche industrie echter circa 50% van het waardevolle basismateriaal verloren. Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) coördineert het EU project Sikelor, dat moet komen tot een industrieel bruikbaar en grondstoffen besparend hergebruik van het silicium afval.
Silicium wordt in de vorm van flinterdunne schijven in de standaard zonnepanelen verwerkt. Een belangrijk deel van het met hoge kosten verkregen halfgeleidermateriaal gaat echter onmiddellijk na de productie verloren. Bij het op maat snijden van de wafer uit blokken ontstaat afval in de vorm van fijn siliciumpoeder.
Deze hoeveelheid materiaal is bijna even groot als hoeveelheid materiaal in het eindproduct. Dat komt door de gebruikte zagen (bijvoorbeeld een draad van siliciumcarbide of diamant), die ongeveer even dik is als elke aparte schijf. Samen met de universiteiten van Greenwich (GB) en Padua (I) en de firma’s Garbo (I) en EAAT (D) werken HZDR-onderzoekers aan een technologische oplossing voor het hergebruik van het afval.
Problematiek
De siliciumdeeltjes in het zaagsel moeten zo schoon mogelijk opnieuw worden gesmolten. Daarom moeten de onderzoekers ze eerst scheiden van de vloeistof die wordt gebruikt bij het zagen. Daarna wordt het stof samengeperst en gesmolten.
In het stof zitten verontreinigingen. Doordat het oppervlak van de deeltjes in vergelijking met het volume erg groot is, ontstaat oxidatie (siliciumdioxide). Ook komen er koolstofdeeltjes in het zaagsel en ontstaat bij het smelten het niet gewenste siliciumcarbide. Het doel is het om met een economisch en ecologisch geschikt proces het siliciumafval industrieel te verwerken.
Aan het einde van het traject van drie jaar moet het Sikelor-project (Silicon kerf loss recycling) een industrieel bruikbare proces opleveren.
Verwerking
Voor het elektromagnetisch roeren en separeren is er een speciale rol. Vooral de vraag hoe het magnetisch veld en de spoelen eruit moeten zien om de verontreinigde mengsels efficiënt te roeren, houdt de onderzoekers bezig. De foto toont fysicus Dr. Josef Pal die aan de Multimag-installatie van de HZDR onderzoekt hoe verschillend ingestelde magneetvelden inwerkt op vloeibare metalen. (foto: HZDR/Frank Bierstedt)
Momenteel werken ze eraan om het vuil door elektromagnetisch roeren te scheiden en te separeren langs de wanden, zodat het in voldoende mate kan worden afgescheiden. Maar dit gewenste resultaat is alleen te bereiken met een geschikte combinatie van de magneetveldparameters. Daarom wil het HZDR een demonstratiemodel bouwen, waarmee de onderzoekers met een op de siliciumlegering lijkende model kunnen studeren op de aparte processtappen.
De aldus verkregen kennis kan dan worden gebruikt in een tweede demonstratiemodel aan de universiteit van Padua. Daar kan silicium (dat pas bij 1410 °C smelt) worden verwerkt. EAAT plant en levert de installatie voor de energievoorziening, die in staat moet zijn om de verschillende stappen in de verwarming te verzorgen en parallel daaraan verschillende frequenties voor de magneetvelden mogelijk maakt.
Besparingen
Als het lukt om in het project het afval bij de waferproductie weer te verwerken tot basismateriaal, bespaart de solarindustrie fors op kosten. Silicium wordt momenteel op de wereldmarkt verhandeld voor circa $ 18/kg. Experts rekenen op een aanzienlijke stijging in de komende jaren. De partners in het project beogen dat het recyclingproces uitkomt op circa $ 10/kg recycleerbaar materiaal.
