PEMBUATAN PROTOTIPE POLYCRYSTALLINE SILICON UNTUK
BAHAN BAKU INDUSTRI SEL SURYA
Dwi Gustiono1,∗, Suratman2, Ratno Nuryadi1, Yelvia Deni1, Seto Roseno1, dan Ika Maria Ulfa1 1Pusat Teknologi Material, TIEM-BPPT
Gd II BPPT Lt.22 Jl. M.H. Thamrin No. 8 Jakarta 10340 Telp. 021-3169895/Fax. 021-3169857
2
Pulitbang Teknologi Mineral dan Batu Bara, ESDM Jl. Jendral Sudirman No. 623 Bandung Jabar 40211
Telp. 0226030483/Fax: 0226003373 ∗
e-Mail: [email protected] Disajikan 29-30 Nop 2012
ABSTRAK
The purpose of the research is to manufacture polycrystalline silicon wafer as solar cell raw materials made of locally available quartz sand and/or quartzite gravels (stones). Target of the research activity will be obtaining: (a) prototype of silica substance with minimum purification of 99.5%; (b) specific formulations and processes of metallurgical grade silicon; (c) formulation process polysilicon as a result of directional solidification process (DSS) with purification of around 99.999% in form of ingot; (d) silicon wafer as raw materials for solar cell industry. Expected outcome of the research activity is to strengthening the capability and autonomy solar cell industry in supplying its main component i.e polycrystalline silicon wafer; increasing local content of solar cell components; establishing utilization programme for production of national raw materials in order to enhance performace and higher economical scale of materials.
Kata Kunci: Materials technology, advanced materials, silica, quartz sand, silicon, polycrystalline silicon, wafer, raw material,
solar cell
I.
PENDAHULUAN
Semakin lama, kebutuhan energi semakin meningkat akan tetapi bahan baku fosil yang menjadi sumber energi utama terus berkurang. Di prediksi energi berba-sis fosil di alam akan habis dalam waktu 40 tahun[1]. Oleh karena itu, diperlukan alternatif energi terbaru-kan seperti pembangkit listrik tenaga matahari. Pem-bangkit listrik tenaga matahari ini banyak dipakai di berbagai negara karena dapat digunakan dalam ber-bagai aplikasi, skala, iklim dan lokasi geografis yang berbeda.
Pemasok utama kebutuhan energi dunia berasal dari sumber energi fosil, yaitu sekitar 85% dari total kebu-tuhan. Sementara itu pasokan energi dari sumber lain-nya, yaitu sumber energi baru terbarukan berada dalam kisaran 15%. Pemanfaatan sel surya untuk pemenuhan energi global, berdasarkan data dari World consump-tion of primary energy, 2008 seperti yang diperlihatkan pada GAMBAR1, sudah berkontribusi sebesar 0.04% dari kebutuhan energi dunia.[1] Sementara itu
penggu-naan Solar Cell di Indonesia walaupun presentasinya masih kecil, telah menunjukan peningkatan. Oleh
kare-nanya penguatan dari sektor hulu dalam penyediaan bahan baku industri sel surya, berupa silicon grade so-lar cell perlu segera dilakukan di dalam negeri.
A. Teknologi Pembuatan Silikon dari Bahan Mine-ral Silika
Proses konsentrasi pasir silika dengan kadar silika dalam konsentrat sekurang-kurangnya 97-98% - SiO2
sangat dipengaruhi oleh karakteristik mineralogi dari deposit pasir silika asal. Ada dua jalur proses yang telah umum digunakan untuk proses peningkatan kadungan silika dalam pasir silika:[1]
1. Berdasarkan sifat fisika mineral pasir silika: berat jenis, kemagnetan, dan kelistrikan (konduktan); 2. Berdasarkan sifat kimia permukaan, proses flotasi.
Purifikasi pasir silika dengan jalur proses hidromet-allurgi - Pelindian (Leaching)- menurunkan kandungan unsur-unsur pengotor utama: Media pelindian yang telah umum digunakan: (a) Aqua regia (HCl+HNO3); (b) HCl; (c) H2SO4; (d) Asam Organik; (e) Oxalic Acid;
Silikon tidak tersedia di alam bebas, biasanya bentuk silikon yang tersedia di alam bebas berikatan dengan oksigen (sebagai oksida) contohnya saja silikon oksida yang terdapat pada pasir kuarsa, batuan kuarsit. Si-likon biasanya diklasifikaikan ke dalam tiga level ke-murnian, yaitu:
• Metallurgical grade silicon (MG-Si)[2]
Tingkat kemurnian dari metallurgi-cal grade sili-con adalah 98%. Metallurgical grade silisili-con bi-asanya digunakan pada paduan aluminium mau-pun baja dan sebagai bahan baku untuk industri silikon yang sesuai untuk aplikasi PV.
• Solar grade silicon (SG-Si)
Tingkat kemurnian dari solar grade silicon adalah 99,9999% (biasanya disebut dengan 6N ataupun six nines pure). Solar grade silicon biasanaya digu-nakan pada aplikasi PV.
• Electronic grade silicon (EG-Si)
Tingkat kemurnian dari electronic grade silicon adalah 99,999999% (biasanya disebut 9N ataupun nine nines pure). Electronic grade silicon digu-nakan untuk membuat semiconductor wafers. B. Teknologi Pembuatan Metal Silikon
Metallurgical grade silicon dengan tingkat kemur-nian mencapai 98-99% dapat diproduksi mempergu-nakan submerged electric arc furnace. Silicon didapat-kan dengan cara reduksi karbothermik di mana kuarsa dicampurkan dengan material karbon. Adapun reaksi yang terjadi selama proses reduksi adalah:
SiO2(s)+ 2C(s)→ Si(l)+ 2CO(g) (2)
Reaksi yang terjadi pada furnace dibedakan menjadi dua yaitu reaksi pada inner hot zone dan outer cooler zone. Silicon cair dihasilkan pada inner zone yang mana temperaturnya berkisar antara 1900∼2100◦C, reaksi kimia yang terjadi adalah:
2SiO2(l)+SiC(s) → 3SiO(g)+CO(g) (3)
SiO(g)+SiC(s) → 2Si(l)+CO(g) (4)
Pada outer zone di mana temperaturnya di bawah 1900◦C, SiO
(g) dan CO(g) yang keluar dari inner zone
bereaksi dengan karbon bebas. Reaksi yang terjadi adalah:
SiO(g)+ 2C(s) → SiC(s)+CO(g) (5)
2SiO(g) → Si(l)+SiO2(s) (6)
Meskipun pembuatan solar cell sangat prospek-tif mengingat jumlah kebutuhan dan ketersediaannya
GAMBAR1: Konsumsi dan Kebutuhan Energi Dunia pada Tahun
2008[1]
yang begitu besar, namun dalam proses produksinya pembuatan solar cell masih terkendala dalam beberapa hal, di antaranya yaitu:
• Proses pemurnian silika menjadi MGSi pada re-duksi karbotermik
Selama proses pemurnian ini konsumsi energi dan material yang dibutuhkan cukup banyak. Con-toh nya saja untuk menghasil-kansatu metrik ton (MT) silikon metal dan 90% silicon yield dibu-tuhkan energi sebesar 10-11 MWh.Oleh karena itu harga dari silikon metal sangat dipengaruhi oleh ketersediaan dan harga dari listrik dan bahan baku (seperti quartz dan batu bara). Boardwine mema-parkan hal-hal apa saja yang mempengaruhi harga produksi silikon metal, yaitu:
TABEL1: Komponen yang mempengaruhi harga produksi silikon
metal
• Ketersediaan pasokan energi
Jumlah energi yang tinggi bukan hanya dibutuh-kan pada saat proses pemurnian silika menjadi si-likon metal saja, namun energi yang tinggi masih dibutuhkan pada saat proses pembentukan polisi-likon. Untuk satu kilogram polisilikon dibutuh-kan energi sekitar 350 kWh, namun seiring dengan berkembangnya teknologi, saat ini telah dikem-bangkan teknologi yang dapat mengefisiensikan
energi sehingga satu kilogram polisilikon hanya di-butuhkan energi sekitar 100 kWh.
GAMBAR2: Schematic urutan proses untuk produksi solar grade
silicon in SOLSILC
Tingkat kemurnian dari solar-grade silicon (SOG-Si) adalah 99,9999% (6N purity).
TABEL2: Proses produksi solar-grade silikon pada beberapa tempat
Adapun proses produksi solar-grade silicon dapat diklasifikasikan menjadi 3 jenis:
1. Dekomposisi thermal dan reduksi H2
2. Metallothermic reduction
3. Metoda metallurgical purification
TABEL2 memperlihatkan beberapa perusahaan dan universitas yang mengembangkan proses produksi so-lar grade silicon dengan cara yang berbeda-beda.
C. Teknologi Pembuatan Polikristal Silikon
Untuk membuat polycrystalline silicon, terdapat dua teknologi yang dapat digunakan, yaitu teknologi kimi-awi dan teknologi fisik (metalurgi). Saat ini proses pro-duksi silicon untuk elektronika dan solar cell silicon yang paling mendominasi digunakan adalah Teknologi Chemical Vapor Deposition (CVD) yang diketahui se-bagai Siemen Process.
Proses pemurnian menggunakan teknologi ini me-ngandung dekom-posisi trichlorosilane dalam filament
GAMBAR 3: Proses refining untuk polisilikon berkemurnian tinggi[3–5]
panas berbentuk U terbalik (silicon seed) dengan reaksi seperti dalam reaksi PERS. (7). Arus kuat hingga 2 kA mengalir diantara cathode dan anode dari silicon seed di mana temperaturnya mencapai 1040◦C dan
1150◦C.[5]
HSiCl3(g)+H2(g)→ Si + 3HCl (7)
Trichlorosilane dihasilkan menggunakan sebuah re-actor Fluidized Bed Rere-actor (FBR) yang mana metallur-gical grade silicon dan hydrogen chloride dimasukan kedalam reactor untuk menghasilkan trichlorosilane.
Sementara itu, teknologi pembuatan polikristal sili-con dengan teknik metalurgi fisik yaitu direct solidifi-cation system dapat digambarkan dalamGAMBAR4.
Pemilihan teknologi akan jatuh pada pembuatan po-likristal silicon dengan teknik metalurgi, yaitu direc-tional solidification system (DSS). Teknik ini akan lebih hemat di dalam penggunaan energinya dibandingkan dengan menggunakan teknik kimiawi yang dinamakan Chemical Vapor Deposition (CVD) seperti diuraikan di atas.
D. Teknologi Ingoting dan Wafering
Berikut di bawah ini adalah urutan proses pem-buatan ingot yang dimulai dari peleburan bongkahan polycrystalline silicon di dalam cetakan berbentuk persegi, dengan tahapan (1) penuangan bongkahan polisilikon kedalam wajan (cetakan) besar, lalu (2) pro-ses pemanasan, (3) pelelehan polisilikon, (4)
pemben-GAMBAR4: Proses pembuatan polysilicon menggunakan teknik DSS[2, 6]
tukan Kristal silicon, (5) penyelesaian proses kristal-isasi silicon dan (6) pendinginan, yang mana hasil akhirnya berupa ingot polikristal silicon yang siap un-tuk dipotong-potong kedalam benun-tuk kota-kotak kecil menyerupai bata (brick).[4]
GAMBAR 5: Tahapan proses pembuatan ingot polikristali sili-con[4, 7]
Pembuatan silikon polikristal dilakukan dengan cara directional solidification (pembekuan secara langsung). Silikon solar grade dimasukkan ke tungku dengan tem-pertur 1410◦C sampai meleleh. Pada beberapa kasus, di tambahkan dengan boron untuk membentuk wafer silikon tipe B. Setelah dilelehkan, lelehan tersebut ke-mudian dituangkan pada tungku yang lainnya untuk dibekukan. Setelah membeku, ingot tersebut dipotong menjadi 5×5 cm atau 10×10 cm dengan ketebalan seki-tar 2 mm.
Kawat penggunting dengan kemampuannya dapat memotong ingot silicon dengan diameter besar menjadi wafer yang sangat tipis.[8] Proses slicing ini, dengan
kemajuan teknologi dapat dioperasikan dengan presisi yang lebih tinggi dan hasilnya lebih akurat lagi.
GAMBAR6: Skema proses fabrikasi ingot polikristalin[3]
GAMBAR7: Skema pengguntingan ingot silicon menjadi wafer[8]
E. Spesifikasi Silicon Wafer
Performa sel surya sangat ditentukan oleh kualitas silicon wafer yang digunakan dalam pembuatan so-lar cell Parameter-parameter penting dalam pembu-atan silicon wafer ini diantaranya adalah jenis kristal (monokristal, polikristal), tipe semikonduktor (umum-nya tipep), resistivitas dan life time. Di bawah ini akan dipaparkan studi ketiga parameter penting tersebut.
F. Jenis Kristal: Mono-kristal dan Polikristal
Ada 2 jenis tipe sel surya berbasis bulk silicon yang dikembangkan saat ini yaitu solar cell mono-kristal si-likon dan polikristal sisi-likon solar. Saat ini dalam skala industri efisiensi yang dicapai masing-masing mono-kristal sekitar 18% dan polimono-kristal sekitar 15%.
Masing-masing mempunyai kelebihan dan keku-rangan.[9] Mono-kristal solar cell mempunyai masalah
dalam proses produksi yang membutuhkan tekno-logi yang kompleks (umumnya menggunakan metode Czochralski) tetapi mempunyai efisiensi yang tinggi, sedangkan polikristal silikon solar cell biasanya dibuat dengan teknologi Directional Solidification Systems dan mempunyai efisiensi lebih rendah dari mono-kristal. Hal ini dikarenakan sifat kristal dari polikristal itu sendiri (GAMBAR8) yang memiliki kristal bound-ary dan menyebabkan terjadinya defect crystal yang akhirnya berakibat menurunnya efisiensi. Pada riset kali ini kami fokus pada material polikristal silikon.
GAMBAR8: Struktur polikristal silikon.[9]
Dalam fabrikasi sel surya umumnya digunakan sil-icon semikonduktor tipe-p sebagai substrate, seba-gaimana terlihat pada GAMBAR9. Karena itu, pem-buatan semikonduktor tipe-p dari bahan silikon men-jadi hal yang penting. Semikonduktor tipe-p bi-asanya dibuat dengan menambahkan unsur golongan 3 (seperti Boron, Aluminium, Galium, dan Indium) ke dalam semikonduktor intrinsik. GAMBAR10 menun-jukkan struktur kristal semikonduktor silikon tipe-p yang didoping dengan boron.[9] Saat ini sebagian besar perusahaan sel surya membuat semikonduktor silikon tipe-p dari unsur doping boron.
G. Resistivitas wafer
Resistivitas wafer silicon merupakan parameter pen-ting dalam pembuatan silicon ingot. Spec resistivitas
GAMBAR 9: Semikonduktor tipe-p digunakan sebagai substrate
pada sel surya.[10]
GAMBAR10: Struktur kristal semikonduktor silikon tipe-p yang
didoping dengan boron.[9]
untuk aplikasi sel surya berkisar 0.5-3 Ohmcm. Resis-tivitas ini akan sangat tergantung pada banyaknya kon-sentrasi doping boron yang dilakukan.GAMBAR11 me-nunjukkan hasil kalkulasi hubungan antara resistivitas dan konsentrasi doping boron, mengikuti persamaan sebagai berikut,[3] ρ = 5.86 × 10 12+ N0.76 A 7.63 × 10−14N1.76 A + 4.64 × 10−4NA0 (8) di mana ρ adalah resistivitas dan NAadalah konsentrasi
doping. Terlihat bahwa untuk mencapai resistivitas 0.5-3 Ohm-cm diperlukan doping boron sekitar 1015-1016/cm3. Perlu dicatat bahwa ketebalan wafer juga
dapat berpengaruh pada resistivitas, sehingga perlu diperhitungkan dengan seksama.
H. Recombination Lifetime
Agar arus yang ditimbulkan oleh sel surya berni-lai besar, maka carrierrecombination lifetime harus mempunyai nilai yang besar. Pada material in-direct bandgap seperti silikon, sejumlah carrier yang sig-nifikan dibangkitkan sampai jarak 100 µm dari per-sambungan pn junction, dan diharapkan recombination
GAMBAR11: Hasil kalkulasi resistivitas versus konsentrasi doping
dengan boron.[10]
lifetime mencapai lebih dari 1 µs.
Lifetime yang lama juga mengurangi dark current dan meningkatkan nilai tegangan output sel. Un-tuk mencapai recombination lifetime yang lama, perlu pencegahan rekombinasi pada proses pembuatan ma-terial silikon dan fabrikasi sel. Umumnya untuk ap-likasi sel surya ini dibutuhkan recombination lifetime setidaknya 10 µs.[11]
II.
METODOLOGI
Pekerjaan penelitian yang dilaporkan dalam makalah ini merupakan tahap awal dari perjalanan pekerjaan pembuatan wafer silicon untuk bahan baku sel surya. Berikut ini adalah tahapaan pekerjaan yang ada dalam ruang lingkup materi yang dilaporkan melalui makalah ini:
A. Pengkajian teknologi pembuatan silikon dari pasir kwarsa
Tahap ini merupakan tahap awal kegiatan berupa pengkajian teknologi pembuatan silikon yang diawali dengan jalan pemurnian pasir kwarsa menjadi silika murni; kajian pembuatan metal silikon; polikristal si-likon, ingoting dan waferring.
B. Melakukan proses pemurnian silikon
Silikon yang dihasilkan dari pemisahan Si dan O pada pasir kwarsa perlu dimurnikan kembali untuk mencapai kadar kemurnian silikon di atas 99%. Ada dua tahapan untuk memurnikan silikon hasil pemi-sahan pasir kwarsa. Tahap pertama, silikon hasil pe-misahan masih memiliki ”pengotor” berupa besi (Fe), aluminium (Al), kalsium (Ca) titanium (Ti) dan kar-bon (C) yang harus dikeluarkan. Proses ini melibat-kan gas oksidatif yang dilakumelibat-kan pada suhu 1700◦C. Sampai tahapan ini, silikon yang dihasilkan disebut de-ngan metallurgical grade silicon dede-ngan kadar pengo-tor dalam satuan bagian per sejuta (ppm, parts per
mil-lion). yang sejatinya sudah cukup untuk dipergunakan untuk banyak.
III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Data berupa peta potensi dan sebaran pasir kuarsa yang memiliki prospek sebagai bahan baku pembu-atan silicon; Kajian teknologi pemurnian silica yang diperoleh dari pasir kuarsa atau batuan kuarsit. Peker-jaan penelitian ini adalah untuk mendapatkan sample pasir silica dari daerah yang memiliki deposit pasir kuarsa dengan kandungan sekurang-kurangnya 96% silica (SiO2) untuk dimurnikan dan disiapkan sebagai
umpan dalam proses pembuatan metallurgical grade silicon sekaligus untuk mengkaji penguasaan tekno-logi pembuatan metal silicon menggunakan electric Arc Furnace yang dikembangkan bersama dengan Puslit-bang TekMIRA, ESDM.[12]
Contoh pasir silika sebagai bahan penelitian bera-sal dari tiga wilayah potensi pasir kuarsa, yaitu Lebak, Rembang,dan Langkat. Karakterisasi mineralogi con-toh pasir silika yang diteliti meliputi kandungan SiO2,
komposisi mineral untuk mineral pembawa unsur silikon dan unsur pengotor yang disyaratkan pada metallurgical-grade silicon dan solar-grade silicon.
Analisis dilakukan dengan metode XRF dan XRD; dan upgrading kandungan silika (SiO2) sebagai
kon-sentrat, proses purifikasi pasir silica.[12]
Hasil analisis mineralogi dengan metoda XRD un-tuk percontoh pasir silika Lebak- Banten menunjukkan adanya deposit pasir kuarsa-feldspar dengan persen-tase mineral kuarsa sebesar 44%, dan kandungan un-sur Al yang cukup tinggi (9.74%-Al). Untuk menjadi feedstock solar-grade silicon, pasir silika Lebak- Banten harus dapat dipisahkan mineral feldspar dan mineral kuarsanya.
Demikian pula untuk hasil analisis mineralogi dengan metode XRD untuk percontoh pasir silika dari Sambiroto- Rembang, menunjukkan bah-wa pasir terdiri atas mineral kuarsa dan mineral feldspar (Nepheline) dengan persentase komposisi mineral masing-masing sebesar 76% - SiO2dan 24%-feldspar.
Hasil analisis kimia dengan metode XRF, kandungan komponen SiO2 mencapai 97%, dengan beberapa
un-sur kelumit yang terkandung yang disyaratkan dalam komposisi kimia solar-grade silicon menunjukkan data yang tidak terdeteksi seperti unsur kelumit Mg, Mn dan V.
Hasil analisis mineralogi dengan metode XRD untuk percontoh pasir silika dari lokasi Mojosari-Rembang, memberikan data bahwa pasir terdiri atas mineral kuarsa sebesar 64%-SiO2dan 36%- feldspar.
Hasil analisis kimia dengan metode XRF menun-jukkan kandungan SiO2mencapai 95.52% dengan
bebe-rapa unsur kelumit yang terkandung yang disyaratkan dalam komposisi kimia solar-grade silicon
menun-GAMBAR12: Bahan baku silika Pasir kwarsa (kiri & tengah) dan batu kwarsit (kanan)
GAMBAR13: Peralatan Pemurni silika
GAMBAR14: Hasil pengamatan mineralogy dengan metode XRD
jukkan data yang tidak terdeteksi seperti unsur kelumit Mg, V dan Zr.
Percontoh pasir silika Langkat-Sumut mempunyai penampakan yang berbeda dibandingkan percontoh pasir silika dari lokasi Lebak-Banten dan Rembang-Jawa Tengah, yaitu butiran lebih besar, mendekati uku-ran batuan kerikil. Hasil analisis mineralogi dengan metode XRD terhadap percontoh pasir silika Langkat-Sumut kandungannya hanya menunjukkan mineral kuarsa dan hasil analisis kimia dengan metode XRF, kandungan komponen SiO2 mencapai 99% dan unsur
GAMBAR15: Hasil analisis kimia dengan metode XRF
kelumit yang terdeteksi Al, Fe, Ca, Mn, Cr, dan Cu de-ngan presentase kandude-ngan relatif sangat rendah.
Berdasarkan hasil karakteristik mineralogi dan kom-posisi kimia unsur yang terkandung dari percontoh pasir silika yang telah dikaji serta data hasil proses purifikasi pendahuluan, dari tiga daerah (5 lokasi) pengambilan percontoh dapat disimpulkan sementara yang memenuhi syarat hanya untuk deposit yang ber-asal dari Sambiroto-Rembang, Mojosari- Rembang, dan Langkat-Sumatera Utara.
Setelah pengambilan percontoh pasir, dilakukan pro-ses purifikasi. Proses purifikasi percontoh pasir si-lika merupakan proses purifikasi percontoh pasir sisi-lika pendahuluan dengan metode pelindian dengan media asam klorida dan asam sulfat; bertujuan untuk menu-runkan tingkat kandungan beberapa unsur pengotor yang diperhitungkan sebagai komposisi kimia yang menentukan kualitas silikon baik sebagai metallurgical-grade silicon maupun solarmetallurgical-grade silicon. Parame-ter percobaan yang diamati berdasarkan perumusan masalah hasil kajian pustaka terdiri atas jenis asam se-bagai larutan pelindi (HCl dan H2SO4), besaran
kon-sentrasi asam (molar), suhu pelindian, waktu pelin-dian dan persentase padatan (pasir silika). Proses pu-rifikasi pasir silika Mojosari- Rembang dengan kon-disi proses pelindian menggunakan HCl konsentrasi
4M, suhu 90◦C, dan waktu proses 4 jam diperoleh
hasil kemurnian SiO2 meningkat dari 95.52% menjadi
98.77% dengan konsentrasi unsur kelumit menurun dari 2,3832% menjadi 0.7631%. Kemurnian pasir silika Mojosari-Rembang hasil purifikasi yang telah dicapai tersebut dapat memberikan logam silikon dengan ke-murnian 98.37%-Si yang memenuhi klasifikasi produk metallurgical-grade silicon.
GAMBAR16: Endapan silica selama proses pemurnian
GAMBAR 17: Penumbuhan endapan silika murni dalam gelas
reaksi
Untuk mempersiapkan bahan baku untuk menda-patkan metal silicon, silica dengan kemurnian tinggi, yaitu sekitar 98.37% selanjutnya akan dicampurkan
de-GAMBAR18: Serbuk Silika dengan kemurnian 99.6%
ngan serbuk carbon (campuran silica dengan serbuk karbon, diperlihatkan dalam GAMBAR19). Selanjut-nya sebuk campuran ini dibentuk hingga berbentuk silinder-silinder kecil, berupa pellet (carbon-silica) yang mana apabila nanti dilakukan proses peleburan dalam DC Arc Furnace, carbon ini akan mengikat oksigen dari SiO2(silica).
GAMBAR19: Campuran Carbon dan Silika
Prosedur produksi metal silicon yang merupakan reaksi antara silica dan carbon dalam electric arc fur-nace menghasilkan silicon. 2C + SiO2 → 2CO + Si,
adalah sebagai berikut:
Langkah I
Material bahan dasar berupa silica yang telah dimurnikan dan carbon ditimbang dan dimasukan kedalam furnace. Tutup electric arc furnace yang ada elektroda ditempatkan pada posisinya. Aliran arus listrik DC disalurkan melalui electrode untuk meng-hasilkan arc. Panas yang ditimbulkan oleh arc (temper-atur sekitar 2350◦C) melelehkan material dan hasil dari reaksi pasir kuarsa yang sudah dimurnikan dengan
kar-GAMBAR 20: DC Arc Furnace untuk pembuatan metal Silikon
sedang disiapkan
GAMBAR21: Irisan DC Arc Furnace untuk pembuatan metal
Si-likon[13]
GAMBAR22: Irisan DC Arc Furnace untuk pembuatan metal
Si-likon (contoh sistem yang ada di industri)[13]
bon membentuk silicon dan carbon monoxide. Proses ini berjalan selama kurang lebih enam hingga delapan jam.
GAMBAR23: Kegiatan persiapan peleburan metal silicon
Langkah II
Ketika metal silicon berada dalam keadaan meleleh, ditiupkan oksigen dan udara untuk pengotor (impuri-ties) berupa kalsium dan aluminimum. Silikon metal yang dihasilkan dalam kegiatan penelitian ini mengan-dung sekitar 98.5% silicon dengan trace berupa Fe, Ca dan Al.
GAMBAR24: Silika murni dan karbon dalam bentuk pelet
GAMBAR25: Pelet dalam Tabung Chamber DC Arc Furnace
GAMBAR26: Power penyedia arus searah (DC)
Furnace yang dikembangkan diharapkan dapat mem-berikan gambaran optimis untuk ditingkatkan menjadi silicon polikristal yang diproses dengan menggunakan teknik direct solidification system (DSS) pada Pusat Teknologi Material BPPT pada Tahun 2013 mendatang.
IV.
KESIMPULAN
Kegiatan pemurnian silica dari bahan baku pasir kuarsa sudah dilakukan untuk beberapa batch, dan kegiatan pemurnian ini masih terus dilakukan untuk mendapatkan volume yang cukup untuk proses lanjut-annya, yaitu peleburan silica murni dengan campuran karbon dalam rangka pembuatan metallurgical grade silicon. Hasil yang diperoleh dari pemurnian silica su-dah mencapai tingkat kemurnian 98.6%, dan upaya pe-ningkatan kemur-nian masih tetap dilakukan, semen-tara untuk mempersiapkan pembuatan metallurgical silicon juga dilakukan. Target kegiatan dalam atan silica murni dan percobaan pendahuluan pembu-atan metal silicon sudah dapat dicapai, walaupun de-ngan berbagai kelemahan. Kegiatan lanjutan dalam pembuatan metal silicon akan dilaksanakan di tahun
GAMBAR27: Kegiatan Penyetelan Perangkat DC Arc Furnace
GAMBAR28: Pemasangan elektroda graphite pada Chamber AFC
berikutnya, yaitu dengan optimisme disetujuinya kegi-atan lanjutannya. Semoga dengan penguasaan tekno-logi pembuatan metal silicon hingga polikristal silicon dapat membuktikan kemampun local dalam persiapan teknologi penyediaan bahan baku industri sel surya.
SARAN
Kegiatan riset seperti pembuatan bahan baku in-dustri sel surya sangat memungkinkan untuk dapat ditindaklanjuti menuju pada sasaran pendirian indus-tri surya berbasis polikristal di Indonesia, mengingat sumber daya mineral silica yang sangat melimpah, dan produk sampingan dan industri pengguna bahan baku silica banyak sekali di Indoensia. Saran dari pernya-taan diatas adalah kegiatan dengan topic memerlukan
GAMBAR29: Tipikal Metal Silikon
dukungan yang penuh dari pemerintah dan industri nasional demi kepentingan kemandirian bahan baku dan peningkatan daya saing industri.
UCAPAN TERIMA KASIH
Mengucapkan terima kasih kepada berbagai pi-hak yang telah memberikan dukungan yang sangat berharga bagi 15 pekerjaan riset ini hingga diterbitkan-nya makalah ini. Kepada Kementerian Riset dan Tek-nologi atas penyediaan program dan pendanaan insen-tif Sinas; kepada Pusat Teknologi Material BPPT atas dukungan kelembagaan nya, Prof. Dr. Ir. Bambang Sunendar dan Dr. Achyar Oemry, Dr. Ir. Nandang Suhendra, MSc, Ir. Masmui, MSc. atas kesediaanya dalam meluangkan waktu dan fikirannya dalam berba-gai kesempatan, demi tercapainya tujuan dari riset yang sedang dilaksanakan ini.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Amendola, S., Overview of Manufacturing Pro-cesses For Solar- Grade Silicon. Easton, PA, 2011. [2] Lanb;, W.C., et al., Grain control in directional
so-lidification of photovoltaic silicon. Journal of Crys-tal Growth, 2012. 360: p. 68-75.
[3] Braga, A.F.B., et al., New processes for the pro-duction of solar-grade polycrystalline silicon: A re-view Original Research Article. Solar Energy Mate-rials and Solar Cells, 2008. 92: p. 418-424.
[4] Martin A. Green, ”SOLAR CELLS: Operating Principles, Technology and System Applications”. 1982, New Jersey,: Prentice-Hall.
[5] T. Kojima, T. Kimura, and M. Matsukata, Develop-ment of numerical model for reactions in fluidized bed grid zone-application to chemical vapor depo-sition of polycrystalline silicon by monosilane py-rolysis. Chemical Engineering Science, 1990. 45(8): p. 2527- 2534.
[6] Bei Wua, et al., Bulk multicrystalline silicon growth for photovoltaic (PV) application. Journal of
Crys-tal Growth, 2008. 310(7-9): p. 2178 - 2184.
[7] Agus, S., Power sector restructuring and public benefits: ”Who cares”. 2000, Tidak dipublikasikan: Jakarta.
[8] Kao, V.P., J. Li, M. (2010) Wafer Slicing and Wire Saw Manufacture Technology. Department of En-gineering Doctoral, 230.
[9] Terauchi, T. and Y. Yanagi, Handoutai-IC-LSI ga Yoku Wakaru Jiten,. M&M Kikaku, Japan, 1994. [10] Neuhaus, D.H. and A. Munzer, Industrial
Silicon-Wafer Solar Cells. Advances in OptoElectronics. 2007: Hindawi Publishing Corporation, .
[11] Caughey, D.M. and R.F. Thomas, Carrier Mobilities in Silicon Empirically Related to Doping and Field. Proc. IEEE, , 1967. 55: p. 2192 - 2193.
[12] Suratman, N., Pengkajian pembuatan metal silikon dari pasir kuarsa yang diperoleh dari Rembang Banten, in Puslitbang TekMIRA. 2012: Bandung. [13] Sadique, S.E., Production and Purification of
Sili-con by Magnesiothermic Reduction of Silica Fume, in Department of Materials Science and Engineer-ing. 2011, University of Toronto.: Toronto.
