Fotovoltaik teknolojisine Uygun Polisilisyum Üretimi

Resim 1: Siemens yönteminde üretilmiş yüksek saflıkta bir polisilisyum çubuğu.

Polisilisyum, fotovoltaik güneş enerjisi ve elektronik endüstrilerinde ham madde olarak kullanılan yüksek saflıkta polikristalin bir silisyum formudur.[1] Özellikle güneş panellerinin temelini oluşturan güneş hücreleri polisilisyumdan üretilir. Mikroçip ve entegre devre imalatında da ultra saf polisilisyum kullanılır, ancak hacim olarak en büyük kullanım fotovoltaik sektöründedir. Nitekim 2006 yılında güneş enerjisi amaçlı polisilisyum kullanımı, diğer tüm kullanım alanlarını geride bırakarak ilk kez en büyük paya ulaşmıştır.[2] Bu nedenle polisilisyum, temiz enerji teknolojilerinde stratejik bir öneme sahiptir.

Üretim Süreci Adımları

Polisilisyum üretimi, doğal silika kaynaklarından başlayarak oldukça saf bir silikon malzemeye ulaşan çok adımlı bir süreçtir. Aşağıda adım adım bu süreç açıklanmaktadır:

1- Silika madenciliği ve işlenmesi: Polisilisyum üretiminin ham maddesi, silika (silisyum dioksit, SiO₂) içerikli cevherlerdir. Silika doğada kuvars kayaçları veya silis kumu şeklinde bolca bulunur.[3] Yüksek saflıkta polisilisyum elde edebilmek için, demir ve alüminyum gibi safsızlıkları düşük olan kaliteli kuvars tercih edilir. Madencilik ile çıkarılan kuvars cevheri öğütülür ve kimyasal işlemlerle temizlenerek sonraki aşamaya uygun hale getirilir.

2-Metalurjik Silisyum Üretimi: Temizlenmiş silika, karbon ark kaynakları (ör. kok kömürü, odun kömürü) ile karıştırılarak elektrik ark fırınında ~1500–2000 °C’de ısıtılır. Bu yüksek sıcaklıkta gerçekleşen karbotermik indirgeme reaksiyonunda silikanın oksijeni uzaklaştırılır ve ham silisyum elde edilir.Kimyasal denklemle ifade edilirse: SiO₂ + C → Si + CO₂. Sonuçta oluşan metalurjik sınıf silisyum (MG-Si) yaklaşık %98–99 saflığındadır. Bu metalurjik silisyum, alaşım endüstrisinde doğrudan kullanılsa da güneş panelleri veya elektronik için yeterince saf değildir.

Polisilisyum Saflaştırma (Siemens Prosesi): Metalurjik silisyum (MG-Si), kimyasal yöntemlerle ultra yüksek saflığa çıkarılır. En yaygın yöntem olan Siemens prosesinde, MG-Si ince parçacıklar haline getirilip hidrojen klorür (HCl) gazı ile reaksiyona sokularak triklorosilan (SiHCl₃) adlı uçucu bir bileşik oluşturulur.[4] Triklorosilan ~31,8 °C gibi düşük bir kaynama noktasına sahip olduğu için damıtma kolonlarında kolaylıkla saflaştırılır. Ardından saflaştırılan bu silisyum bileşiği, yüksek saflıkta ince silisyum çekirdek çubukların bulunduğu bir reaktöre beslenir. Yaklaşık 1100 °C’de gerçekleşen kimyasal buhar biriktirme (CVD) işlemiyle triklorosilan gazı yeniden elementel silisyuma dönüştürülerek çekirdek çubuklar üzerinde biriktirilir. Bu işlem sonucunda çapı ~15–20 cm’ye ulaşan uzun polisilisyum çubukları elde edilir ve enerji yoğun bir adım olduğu bilinir. Oluşan polisilisyum çubuklar, kullanım kolaylığı için daha küçük parçalara (“chunk”lara) kırılır. Siemens yöntemi, oldukça yüksek saflıkta (%99.9999+ saflıkta) silikon üretimini mümkün kılar. Elde edilen polisilisyumun saflığı uygulamaya göre 7N–11N (99.99999%–99.999999999%) saflık düzeyine ulaşabilir. Örneğin güneş paneli üretimi için tipik saflık 6N–9N seviyesindeyken elektronik sınıfı için 10N+ derecesinde saf silikon gerekir.

Ingot ve Wafer Üretimi: Polisilisyum saflaştırıldıktan sonra katı halde külçe (ingot) olarak yeniden kristalize edilir. İki temel yöntem vardır: (a) Monokristal silikon ingot üretiminde Czochralski çekme tekniği kullanılır. Ergitilmiş polisilisyum banyosuna bir tek kristal silisyum “tohum” çubuk daldırılıp yavaşça döndürülerek yukarı çekilir; bu sayede ergiyikten tek kristalli silisyum silindiri büyütülür. (b) Polikristal silikon ingot üretiminde ise polisilisyum ergitilerek bir pota içinde yavaş soğutma ile katılaştırılır; bu katılaşma sırasında birden çok kristal tanesi oluşarak büyük dikdörtgen kesitli polikristalin blok meydana gelir.[5]Her iki tip ingot da sonrasında wafer adı verilen ince dilimlere kesilir. Yarı iletken testereler veya tel testereler kullanılarak milimetrenin onda biri kalınlığında (ör. ~150–200 µm) dilimler elde edilir.Bu silikon waferlar, fotovoltaik hücre üretiminin temelini oluşturur ve aynı zamanda mikroelektronik endüstrisinde yonga üretimi için de kullanılır.[6]

Güneş Hücresi Üretimi: Wafer halindeki ham dilimler, bir dizi işlemle işlevsel güneş hücrelerine dönüştürülür. İlk olarak wafer yüzeyleri temizlenir ve ardından kimyasal kazıma ile yüzeyde mikroskobik pürüzler oluşturularak gelen ışığın yansıması azaltılır (tekstüre işlemi). Daha sonra waferlara yüksek sıcaklıkta difüzyon işlemi uygulanarak istenen bölgeler dopanır. Örneğin p-tipi bir waferın ön yüzeyine fosfor difüzyonu yapılarak negatif tip katkılama sağlanır ve wafer içinde p-n eklemi oluşturulur.Bu p-n yarıiletken yapısı, güneş ışığıyla etkileştiğinde elektrik akımı üretecek olan diyot işlevini görür. Ardından hücrenin ön ve arka yüzeyine iletken metal kontaklar (ızgara şeklinde ince gümüş/alüminyum hatlar) baskı yoluyla uygulanır ve fırınlanarak silisyum ile ohmik bağlantı yapmaları sağlanır.[7] Ön yüzden gelen ışığın daha iyi soğurulması için genellikle antireflektif (yansıma önleyici) kaplama (ör. silikon nitrür) ince bir tabaka olarak hücreye kaplanır. Son olarak üretilen her bir hücrenin elektriksel karakteristiği test edilir ve sınıflandırılır.

FV Güneş paneli montajında, bu hücreler birbirlerine iletken şeritlerle (ribbon) seri bağlanıp modüler bir sistem oluşturacak şekilde düzenlenir. Hücrelerin her iki tarafı da koruyucu malzemelerle kaplanır: Ön yüz genellikle temperli cam, hücrelerin etrafı ise özel şeffaf yapıştırıcı/kaplama (örn. EVA filmi) ve arka yüzeyde su geçirmez bir folyo ile lamine edilir. Elde edilen tabaka, alüminyum bir çerçeve içine yerleştirilerek dış ortam koşullarına dayanıklı güneş paneli haline getirilir. Artık güneş panelleri, güneş ışığını elektrik enerjisine çevirip kullanıma hazır hale getirebilir.

Alternatif Üretim Yöntemleri

Polisilisyum üretiminde, Siemens yönteminin yüksek enerji tüketimi ve maliyetine alternatif olacak bazı yöntemler geliştirilmiştir. Başlıca iki alternatif yaklaşım öne çıkmaktadır: akışkan yataklı reaktör (FBR) prosesi ve yükseltilmiş metalurjik silisyum (UMG) yöntemi.

Akışkan Yataklı Reaktör (FBR) Prosesi: Bu yöntemde silisyum içeren gazlar (örn. monosilan SiH₄ veya triklorosilan SiHCl₃) bir reaktöre sürekli olarak beslenir. Reaktör, tabandan verilen gaz akışıyla ince silisyum tozları veya çekirdek taneciklerini yatak halinde askıda tutar. Uygun sıcaklığa ulaşıldığında (kullanılan gaza göre ~650–1000 °C aralığında), gazdaki silisyum bu çekirdek tanecikler üzerinde birikerek onların büyümesini sağlar. Yeterli büyüklüğe ulaşan polisilisyum granülleri reaktörün dibinden sürekli olarak alınabilir; böylece Siemens prosesindeki gibi üretimin durdurulmasına gerek kalmadan kesintisiz üretim mümkün olur. FBR teknolojisinin önemli bir avantajı, Siemens yöntemine kıyasla elektrik enerji tüketiminin çok daha düşük olmasıdır (monosilan bazlı FBR, Siemens çubuk reaktörünün sadece %10’u kadar elektrik harcar) Ayrıca granül formdaki polisilisyumun ergitme potalarına doldurulması daha verimli gerçekleşir. Ancak FBR süreci, akışkan dinamiğinin karmaşıklığı, safsızlık kontrolü ve patent kısıtları gibi nedenlerle endüstride sınırlı ölçüde uygulanabilmiştir.[8]Günümüzde Siemens yöntemiyle üretilen polisilisyum halen baskın durumdadır, FBR ise belirli birkaç üretici tarafından özel granül ürünler için kullanılmaktadır.
Yükseltilmiş Metalurjik Silisyum (UMG): UMG-Si, polisilisyum saflaştırmasına daha düşük maliyetli bir alternatif olarak geliştirilmiş bir yöntemdir. Bu yaklaşımda kimyasal arıtma yerine, metalurjik silisyumun safsızlıklarını azaltmak için termal ve kimyasal arıtma adımları kombine edilir. Örneğin, yönlendirilmiş katılaştırma (directional solidification) ile kütle halindeki silisyum yavaşça katılaştırılırken metalik safsızlıkların sıvı kısımda toplanıp üstten cüruf olarak atılması sağlanır.[9] Ardından fosfor gibi uçucu olmayan bazı safsızlıklar için ilave arıtma adımları uygulanabilir. Ortaya çıkan yükseltilmiş silisyum, genellikle ~%99 saflık düzeyinde olup polisilisyuma kıyasla 10⁻³–10⁻⁵ mertebesinde (binde veya on binde) daha fazla yabancı madde içerir. Bu nedenle UMG silikon, elektronik uygulamalar için uygun olmasa da güneş hücresi üretiminde belirli oranlarda kullanılabilecek kadar saftır. Maliyeti Siemens prosesinde üretilen polisilisyuma göre çok daha düşüktür; sermaye yatırımı ve enerji ihtiyacı önemli ölçüde azdır. Örneğin bir dönem UMG silisyumun kg başına üretim maliyetinin polisilisyumun yaklaşık onda birine inebileceği öngörülmüştür. 2000’lerin sonunda bazı üreticiler UMG yoluyla düşük maliyetli güneş paneli silisyumu üretme girişimlerinde bulunmuştur. Ancak 2010 sonrasında polisilisyum fiyatlarının düşmesi ve Siemens prosesinin verimliliğinin artmasıyla, UMG yöntemine ilgi azalmış ve birçok proje durdurulmuştur.[10] Günümüzde polisilisyum üretiminde ana akım yöntem yine Siemens süreci olmakla beraber, UMG ve benzeri teknikler araştırma ve sınırlı üretim ölçeğinde değerlendirilmeye devam etmektedir.

Kaynaklar:

PVEducation – Refining Silicon: Silikanın karbon ile ark fırınında indirgenerek metalurjik silisyum elde edilmesi (Refining Silicon | PVEducation), MG-Si saflığı ve kullanım alanları (Refining Silicon | PVEducation).
Wikipedia (İngilizce) – Polycrystalline silicon: Polisilisyum tanımı, kullanım alanları (Polycrystalline silicon – Wikipedia) ve üretim süreçleri (Siemens, FBR, UMG) ile ilgili genel bilgiler (Polycrystalline silicon – Wikipedia) (Polycrystalline silicon – Wikipedia).
Bernreuter Research – Polysilicon Production: Siemens prosesinde triklorosilan ile saflaştırma ve CVD yoluyla çubuk üretimi detayları (Polysilicon Production: Siemens Process | Bernreuter Research) (Polysilicon Production: Siemens Process | Bernreuter Research); FBR yönteminin enerji avantajı ve zorlukları (Polysilicon Production: Siemens Process | Bernreuter Research).
Sinovoltaics – Solar Cell Production from Silicon Wafer: Güneş hücrelerine waferlardan p-n eklemi oluşturma ve kontak basımı adımlarının açıklaması (Solar Cell Production: from silicon wafer to cell) (Solar Cell Production: from silicon wafer to cell).
Wikipedia (İngilizce) – Timeline of solar cells: 2006 yılında fotovoltaik sektörünün polisilisyum tüketimindeki liderliğine dair bilgi (Timeline of solar cells – Wikipedia).
Murat Güven, Enerji Blog – Yükseltilmiş Metalurjik Silisyum: UMG silikonun yönlendirilmiş katılaştırma ile safsızlık giderimi ve alternatif bir yöntem oluşu (Yükseltilmiş metalurjik sınıf (UMG) Silisyum – Murat Güven-Enerji-Üretim-Solar-Danışmanlık)