pembuatan prototipe polycrystalline …biofarmaka.ipb.ac.id/biofarmaka/2013/pirs 2012 -...

0406: Dwi Gustiono dkk. MT-7

PEMBUATAN PROTOTIPE POLYCRYSTALLINE SILICON UNTUKBAHAN BAKU INDUSTRI SEL SURYA

Dwi Gustiono1,∗, Suratman2, Ratno Nuryadi1, Yelvia Deni1, Seto Roseno1, dan Ika Maria Ulfa1

1Pusat Teknologi Material, TIEM-BPPTGd II BPPT Lt.22 Jl. M.H. Thamrin No. 8 Jakarta 10340

Telp. 021-3169895/Fax. 021-31698572Pulitbang Teknologi Mineral dan Batu Bara, ESDMJl. 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 locallyavailable quartz sand and/or quartzite gravels (stones). Target of the research activity will be obtaining: (a) prototype ofsilica 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 tostrengthening 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 materialsin 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 meningkatakan tetapi bahan baku fosil yang menjadi sumberenergi 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 diberbagai negara karena dapat digunakan dalam ber-bagai aplikasi, skala, iklim dan lokasi geografis yangberbeda.

Pemasok utama kebutuhan energi dunia berasal darisumber energi fosil, yaitu sekitar 85% dari total kebu-tuhan. Sementara itu pasokan energi dari sumber lain-nya, yaitu sumber energi baru terbarukan berada dalamkisaran 15%. Pemanfaatan sel surya untuk pemenuhanenergi global, berdasarkan data dari World consump-tion of primary energy, 2008 seperti yang diperlihatkanpada GAMBAR 1, sudah berkontribusi sebesar 0.04%dari kebutuhan energi dunia.[1] Sementara itu penggu-naan Solar Cell di Indonesia walaupun presentasinyamasih kecil, telah menunjukan peningkatan. Oleh kare-

nanya penguatan dari sektor hulu dalam penyediaanbahan 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 silikadalam konsentrat sekurang-kurangnya 97-98% - SiO2

sangat dipengaruhi oleh karakteristik mineralogi darideposit pasir silika asal. Ada dua jalur proses yang telahumum digunakan untuk proses peningkatan kadungansilika dalam pasir silika:[1]

1. Berdasarkan sifat fisika mineral pasir silika: beratjenis, kemagnetan, dan kelistrikan (konduktan);

2. Berdasarkan sifat kimia permukaan, proses flotasi.

Purifikasi pasir silika dengan jalur proses hidromet-allurgi - Pelindian (Leaching)- menurunkan kandunganunsur-unsur pengotor utama: Media pelindian yangtelah umum digunakan: (a) Aqua regia (HCl+HNO3);(b) HCl; (c) H2SO4; (d) Asam Organik; (e) Oxalic Acid;dan (f) Citric Acid.

Prosiding InSINas 2012

MT-8 0406: Dwi Gustiono dkk.

Silikon tidak tersedia di alam bebas, biasanya bentuksilikon yang tersedia di alam bebas berikatan denganoksigen (sebagai oksida) contohnya saja silikon oksidayang 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 silicon bi-asanya digunakan pada paduan aluminium mau-pun baja dan sebagai bahan baku untuk industrisilikon yang sesuai untuk aplikasi PV.

• Solar grade silicon (SG-Si)Tingkat kemurnian dari solar grade silicon adalah99,9999% (biasanya disebut dengan 6N ataupun sixnines pure). Solar grade silicon biasanaya digu-nakan pada aplikasi PV.

• Electronic grade silicon (EG-Si)Tingkat kemurnian dari electronic grade siliconadalah 99,999999% (biasanya disebut 9N ataupunnine nines pure). Electronic grade silicon digu-nakan untuk membuat semiconductor wafers.

B. Teknologi Pembuatan Metal SilikonMetallurgical 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 kuarsadicampurkan dengan material karbon. Adapun reaksiyang terjadi selama proses reduksi adalah:

SiO2(s) + 2C(s) → Si(l) + 2CO(g) (2)

Reaksi yang terjadi pada furnace dibedakan menjadidua yaitu reaksi pada inner hot zone dan outer coolerzone. Silicon cair dihasilkan pada inner zone yangmana 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 bawah1900 ◦C, SiO(g) dan CO(g) yang keluar dari inner zonebereaksi dengan karbon bebas. Reaksi yang terjadiadalah:

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

GAMBAR 1: Konsumsi dan Kebutuhan Energi Dunia pada Tahun2008[1]

yang begitu besar, namun dalam proses produksinyapembuatan solar cell masih terkendala dalam beberapahal, di antaranya yaitu:

• Proses pemurnian silika menjadi MGSi pada re-duksi karbotermikSelama proses pemurnian ini konsumsi energi danmaterial 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 ituharga dari silikon metal sangat dipengaruhi olehketersediaan dan harga dari listrik dan bahan baku(seperti quartz dan batu bara). Boardwine mema-parkan hal-hal apa saja yang mempengaruhi hargaproduksi silikon metal, yaitu:

TABEL 1: Komponen yang mempengaruhi harga produksi silikonmetal

• Ketersediaan pasokan energiJumlah energi yang tinggi bukan hanya dibutuh-kan pada saat proses pemurnian silika menjadi si-likon metal saja, namun energi yang tinggi masihdibutuhkan pada saat proses pembentukan polisi-likon. Untuk satu kilogram polisilikon dibutuh-kan energi sekitar 350 kWh, namun seiring denganberkembangnya teknologi, saat ini telah dikem-bangkan teknologi yang dapat mengefisiensikan



energi sehingga satu kilogram polisilikon hanya di-butuhkan energi sekitar 100 kWh.

GAMBAR 2: Schematic urutan proses untuk produksi solar gradesilicon in SOLSILC

Tingkat kemurnian dari solar-grade silicon (SOG-Si)adalah 99,9999% (6N purity).

TABEL 2: Proses produksi solar-grade silikon pada beberapa tempat

Adapun proses produksi solar-grade silicon dapatdiklasifikasikan menjadi 3 jenis:

1. Dekomposisi thermal dan reduksi H2

2. Metallothermic reduction

3. Metoda metallurgical purification

TABEL 2 memperlihatkan beberapa perusahaan danuniversitas yang mengembangkan proses produksi so-lar grade silicon dengan cara yang berbeda-beda.

C. Teknologi Pembuatan Polikristal SilikonUntuk 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 siliconyang paling mendominasi digunakan adalah TeknologiChemical 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 berkemurniantinggi[3–5]

panas berbentuk U terbalik (silicon seed) dengan reaksiseperti dalam reaksi PERS. (7). Arus kuat hingga 2kA mengalir diantara cathode dan anode dari siliconseed di mana temperaturnya mencapai 1040 ◦C dan1150 ◦C.[5]

HSiCl3(g) + H2(g) → Si + 3HCl (7)

Trichlorosilane dihasilkan menggunakan sebuah re-actor Fluidized Bed Reactor (FBR) yang mana metallur-gical grade silicon dan hydrogen chloride dimasukankedalam reactor untuk menghasilkan trichlorosilane.

Sementara itu, teknologi pembuatan polikristal sili-con dengan teknik metalurgi fisik yaitu direct solidifi-cation system dapat digambarkan dalam GAMBAR 4.

Pemilihan teknologi akan jatuh pada pembuatan po-likristal silicon dengan teknik metalurgi, yaitu direc-tional solidification system (DSS). Teknik ini akan lebihhemat di dalam penggunaan energinya dibandingkandengan menggunakan teknik kimiawi yang dinamakanChemical Vapor Deposition (CVD) seperti diuraikan diatas.

D. Teknologi Ingoting dan WaferingBerikut di bawah ini adalah urutan proses pem-

buatan ingot yang dimulai dari peleburan bongkahanpolycrystalline silicon di dalam cetakan berbentukpersegi, dengan tahapan (1) penuangan bongkahanpolisilikon kedalam wajan (cetakan) besar, lalu (2) pro-ses pemanasan, (3) pelelehan polisilikon, (4) pemben-



GAMBAR 4: Proses pembuatan polysilicon menggunakan teknik DSS[2, 6]

tukan Kristal silicon, (5) penyelesaian proses kristal-isasi silicon dan (6) pendinginan, yang mana hasilakhirnya berupa ingot polikristal silicon yang siap un-tuk dipotong-potong kedalam bentuk kota-kotak kecilmenyerupai bata (brick).[4]

GAMBAR 5: Tahapan proses pembuatan ingot polikristali sili-con[4, 7]

Pembuatan silikon polikristal dilakukan dengan caradirectional 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 wafersilikon tipe B. Setelah dilelehkan, lelehan tersebut ke-mudian dituangkan pada tungku yang lainnya untukdibekukan. Setelah membeku, ingot tersebut dipotongmenjadi 5×5 cm atau 10×10 cm dengan ketebalan seki-tar 2 mm.

Kawat penggunting dengan kemampuannya dapatmemotong ingot silicon dengan diameter besar menjadiwafer yang sangat tipis.[8] Proses slicing ini, dengankemajuan teknologi dapat dioperasikan dengan presisiyang lebih tinggi dan hasilnya lebih akurat lagi.

GAMBAR 6: Skema proses fabrikasi ingot polikristalin[3]

GAMBAR 7: Skema pengguntingan ingot silicon menjadi wafer[8]

E. Spesifikasi Silicon WaferPerforma 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 akandipaparkan studi ketiga parameter penting tersebut.



F. Jenis Kristal: Mono-kristal dan PolikristalAda 2 jenis tipe sel surya berbasis bulk silicon yang

dikembangkan saat ini yaitu solar cell mono-kristal si-likon dan polikristal silikon solar. Saat ini dalam skalaindustri efisiensi yang dicapai masing-masing mono-kristal sekitar 18% dan polikristal sekitar 15%.

Masing-masing mempunyai kelebihan dan keku-rangan.[9] Mono-kristal solar cell mempunyai masalahdalam proses produksi yang membutuhkan tekno-logi yang kompleks (umumnya menggunakan metodeCzochralski) tetapi mempunyai efisiensi yang tinggi,sedangkan polikristal silikon solar cell biasanya dibuatdengan teknologi Directional Solidification Systemsdan mempunyai efisiensi lebih rendah dari mono-kristal. Hal ini dikarenakan sifat kristal dari polikristalitu sendiri (GAMBAR 8) yang memiliki kristal bound-ary dan menyebabkan terjadinya defect crystal yangakhirnya berakibat menurunnya efisiensi. Pada risetkali ini kami fokus pada material polikristal silikon.

GAMBAR 8: Struktur polikristal silikon.[9]

Dalam fabrikasi sel surya umumnya digunakan sil-icon semikonduktor tipe-p sebagai substrate, seba-gaimana terlihat pada GAMBAR 9. Karena itu, pem-buatan semikonduktor tipe-p dari bahan silikon men-jadi hal yang penting. Semikonduktor tipe-p bi-asanya dibuat dengan menambahkan unsur golongan3 (seperti Boron, Aluminium, Galium, dan Indium) kedalam semikonduktor intrinsik. GAMBAR 10 menun-jukkan struktur kristal semikonduktor silikon tipe-pyang didoping dengan boron.[9] Saat ini sebagian besarperusahaan sel surya membuat semikonduktor silikontipe-p dari unsur doping boron.

G. Resistivitas waferResistivitas wafer silicon merupakan parameter pen-

ting dalam pembuatan silicon ingot. Spec resistivitas

GAMBAR 9: Semikonduktor tipe-p digunakan sebagai substratepada sel surya.[10]

GAMBAR 10: Struktur kristal semikonduktor silikon tipe-p yangdidoping 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. GAMBAR 11 me-nunjukkan hasil kalkulasi hubungan antara resistivitasdan konsentrasi doping boron, mengikuti persamaansebagai berikut,[3]

ρ =5.86× 1012 +N0.76

A

7.63× 10−14N1.76A + 4.64× 10−4N ′A

(8)

di mana ρ adalah resistivitas danNA adalah konsentrasidoping. Terlihat bahwa untuk mencapai resistivitas0.5-3 Ohm-cm diperlukan doping boron sekitar 1015-1016/cm3. Perlu dicatat bahwa ketebalan wafer jugadapat berpengaruh pada resistivitas, sehingga perludiperhitungkan dengan seksama.

H. Recombination LifetimeAgar arus yang ditimbulkan oleh sel surya berni-

lai besar, maka carrierrecombination lifetime harusmempunyai nilai yang besar. Pada material in-directbandgap seperti silikon, sejumlah carrier yang sig-nifikan dibangkitkan sampai jarak 100 µm dari per-sambungan pn junction, dan diharapkan recombination



GAMBAR 11: Hasil kalkulasi resistivitas versus konsentrasi dopingdengan 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, perlupencegahan rekombinasi pada proses pembuatan ma-terial silikon dan fabrikasi sel. Umumnya untuk ap-likasi sel surya ini dibutuhkan recombination lifetimesetidaknya 10 µs.[11]

II. METODOLOGIPekerjaan penelitian yang dilaporkan dalam

makalah ini merupakan tahap awal dari perjalananpekerjaan pembuatan wafer silicon untuk bahan bakusel surya. Berikut ini adalah tahapaan pekerjaan yangada dalam ruang lingkup materi yang dilaporkanmelalui makalah ini:

A. Pengkajian teknologi pembuatan silikon daripasir kwarsa

Tahap ini merupakan tahap awal kegiatan berupapengkajian teknologi pembuatan silikon yang diawalidengan jalan pemurnian pasir kwarsa menjadi silikamurni; kajian pembuatan metal silikon; polikristal si-likon, ingoting dan waferring.

B. Melakukan proses pemurnian silikonSilikon yang dihasilkan dari pemisahan Si dan O

pada pasir kwarsa perlu dimurnikan kembali untukmencapai kadar kemurnian silikon di atas 99%. Adadua 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 dilakukan pada suhu 1700 ◦C.Sampai tahapan ini, silikon yang dihasilkan disebut de-ngan metallurgical grade silicon dengan kadar pengo-tor dalam satuan bagian per sejuta (ppm, parts per mil-

lion). yang sejatinya sudah cukup untuk dipergunakanuntuk banyak.

III. HASIL DAN PEMBAHASANData berupa peta potensi dan sebaran pasir kuarsa

yang memiliki prospek sebagai bahan baku pembu-atan silicon; Kajian teknologi pemurnian silica yangdiperoleh dari pasir kuarsa atau batuan kuarsit. Peker-jaan penelitian ini adalah untuk mendapatkan samplepasir silica dari daerah yang memiliki deposit pasirkuarsa dengan kandungan sekurang-kurangnya 96%silica (SiO2) untuk dimurnikan dan disiapkan sebagaiumpan dalam proses pembuatan metallurgical gradesilicon sekaligus untuk mengkaji penguasaan tekno-logi pembuatan metal silicon menggunakan electric ArcFurnace 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 unsursilikon dan unsur pengotor yang disyaratkan padametallurgical-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 menunjukkanadanya deposit pasir kuarsa-feldspar dengan persen-tase mineral kuarsa sebesar 44%, dan kandungan un-sur Al yang cukup tinggi (9.74%-Al). Untuk menjadifeedstock solar-grade silicon, pasir silika Lebak- Bantenharus dapat dipisahkan mineral feldspar dan mineralkuarsanya.

Demikian pula untuk hasil analisis mineralogidengan metode XRD untuk percontoh pasir silikadari Sambiroto- Rembang, menunjukkan bah-wa pasirterdiri atas mineral kuarsa dan mineral feldspar(Nepheline) dengan persentase komposisi mineralmasing-masing sebesar 76% - SiO2 dan 24%-feldspar.

Hasil analisis kimia dengan metode XRF, kandungankomponen SiO2 mencapai 97%, dengan beberapa un-sur kelumit yang terkandung yang disyaratkan dalamkomposisi kimia solar-grade silicon menunjukkan datayang tidak terdeteksi seperti unsur kelumit Mg, Mn danV.

Hasil analisis mineralogi dengan metode XRD untukpercontoh pasir silika dari lokasi Mojosari-Rembang,memberikan data bahwa pasir terdiri atas mineralkuarsa sebesar 64%-SiO2 dan 36%- feldspar.

Hasil analisis kimia dengan metode XRF menun-jukkan kandungan SiO2 mencapai 95.52% dengan bebe-rapa unsur kelumit yang terkandung yang disyaratkandalam komposisi kimia solar-grade silicon menun-



GAMBAR 12: Bahan baku silika Pasir kwarsa (kiri & tengah) dan batu kwarsit (kanan)

GAMBAR 13: Peralatan Pemurni silika

GAMBAR 14: Hasil pengamatan mineralogy dengan metode XRD

jukkan data yang tidak terdeteksi seperti unsur kelumitMg, V dan Zr.

Percontoh pasir silika Langkat-Sumut mempunyaipenampakan yang berbeda dibandingkan percontohpasir silika dari lokasi Lebak-Banten dan Rembang-Jawa Tengah, yaitu butiran lebih besar, mendekati uku-ran batuan kerikil. Hasil analisis mineralogi denganmetode XRD terhadap percontoh pasir silika Langkat-Sumut kandungannya hanya menunjukkan mineralkuarsa dan hasil analisis kimia dengan metode XRF,kandungan komponen SiO2 mencapai 99% dan unsur

GAMBAR 15: Hasil analisis kimia dengan metode XRF

kelumit yang terdeteksi Al, Fe, Ca, Mn, Cr, dan Cu de-ngan presentase kandungan relatif sangat rendah.

Berdasarkan hasil karakteristik mineralogi dan kom-posisi kimia unsur yang terkandung dari percontohpasir silika yang telah dikaji serta data hasil prosespurifikasi pendahuluan, dari tiga daerah (5 lokasi)pengambilan percontoh dapat disimpulkan sementarayang memenuhi syarat hanya untuk deposit yang ber-asal dari Sambiroto-Rembang, Mojosari- Rembang, danLangkat-Sumatera Utara.

Setelah pengambilan percontoh pasir, dilakukan pro-ses purifikasi. Proses purifikasi percontoh pasir si-lika merupakan proses purifikasi percontoh pasir silikapendahuluan dengan metode pelindian dengan mediaasam klorida dan asam sulfat; bertujuan untuk menu-runkan tingkat kandungan beberapa unsur pengotoryang diperhitungkan sebagai komposisi kimia yangmenentukan kualitas silikon baik sebagai metallurgical-grade silicon maupun solargrade silicon. Parame-ter percobaan yang diamati berdasarkan perumusanmasalah 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 diperolehhasil kemurnian SiO2 meningkat dari 95.52% menjadi98.77% dengan konsentrasi unsur kelumit menurundari 2,3832% menjadi 0.7631%. Kemurnian pasir silikaMojosari-Rembang hasil purifikasi yang telah dicapaitersebut dapat memberikan logam silikon dengan ke-murnian 98.37%-Si yang memenuhi klasifikasi produkmetallurgical-grade silicon.

GAMBAR 16: Endapan silica selama proses pemurnian

GAMBAR 17: Penumbuhan endapan silika murni dalam gelasreaksi

Untuk mempersiapkan bahan baku untuk menda-patkan metal silicon, silica dengan kemurnian tinggi,yaitu sekitar 98.37% selanjutnya akan dicampurkan de-

GAMBAR 18: Serbuk Silika dengan kemurnian 99.6%

ngan serbuk carbon (campuran silica dengan serbukkarbon, diperlihatkan dalam GAMBAR 19). Selanjut-nya sebuk campuran ini dibentuk hingga berbentuksilinder-silinder kecil, berupa pellet (carbon-silica) yangmana apabila nanti dilakukan proses peleburan dalamDC Arc Furnace, carbon ini akan mengikat oksigen dariSiO2 (silica).

GAMBAR 19: Campuran Carbon dan Silika

Prosedur produksi metal silicon yang merupakanreaksi antara silica dan carbon dalam electric arc fur-nace menghasilkan silicon. 2C + SiO2 → 2CO + Si,adalah sebagai berikut:

Langkah IMaterial bahan dasar berupa silica yang telah

dimurnikan dan carbon ditimbang dan dimasukankedalam furnace. Tutup electric arc furnace yang adaelektroda ditempatkan pada posisinya. Aliran aruslistrik DC disalurkan melalui electrode untuk meng-hasilkan arc. Panas yang ditimbulkan oleh arc (temper-atur sekitar 2350 ◦C) melelehkan material dan hasil darireaksi pasir kuarsa yang sudah dimurnikan dengan kar-



GAMBAR 20: DC Arc Furnace untuk pembuatan metal Silikonsedang disiapkan

GAMBAR 21: Irisan DC Arc Furnace untuk pembuatan metal Si-likon[13]

GAMBAR 22: Irisan DC Arc Furnace untuk pembuatan metal Si-likon (contoh sistem yang ada di industri)[13]

bon membentuk silicon dan carbon monoxide. Prosesini berjalan selama kurang lebih enam hingga delapanjam.

GAMBAR 23: Kegiatan persiapan peleburan metal silicon

Langkah IIKetika metal silicon berada dalam keadaan meleleh,

ditiupkan oksigen dan udara untuk pengotor (impuri-ties) berupa kalsium dan aluminimum. Silikon metalyang dihasilkan dalam kegiatan penelitian ini mengan-dung sekitar 98.5% silicon dengan trace berupa Fe, Cadan Al.

GAMBAR 24: Silika murni dan karbon dalam bentuk pelet

Pembuatan silikon metal yang diperoleh dari DC Arc



GAMBAR 25: Pelet dalam Tabung Chamber DC Arc Furnace

GAMBAR 26: Power penyedia arus searah (DC)

Furnace yang dikembangkan diharapkan dapat mem-berikan gambaran optimis untuk ditingkatkan menjadisilicon polikristal yang diproses dengan menggunakanteknik direct solidification system (DSS) pada PusatTeknologi Material BPPT pada Tahun 2013 mendatang.

IV. KESIMPULANKegiatan pemurnian silica dari bahan baku pasir

kuarsa sudah dilakukan untuk beberapa batch, dankegiatan pemurnian ini masih terus dilakukan untukmendapatkan volume yang cukup untuk proses lanjut-annya, yaitu peleburan silica murni dengan campurankarbon dalam rangka pembuatan metallurgical gradesilicon. 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 metallurgicalsilicon juga dilakukan. Target kegiatan dalam pembu-atan silica murni dan percobaan pendahuluan pembu-atan metal silicon sudah dapat dicapai, walaupun de-ngan berbagai kelemahan. Kegiatan lanjutan dalampembuatan metal silicon akan dilaksanakan di tahun

GAMBAR 27: Kegiatan Penyetelan Perangkat DC Arc Furnace

GAMBAR 28: Pemasangan elektroda graphite pada Chamber AFC

berikutnya, yaitu dengan optimisme disetujuinya kegi-atan lanjutannya. Semoga dengan penguasaan tekno-logi pembuatan metal silicon hingga polikristal silicondapat membuktikan kemampun local dalam persiapanteknologi penyediaan bahan baku industri sel surya.

SARANKegiatan riset seperti pembuatan bahan baku in-

dustri sel surya sangat memungkinkan untuk dapatditindaklanjuti menuju pada sasaran pendirian indus-tri surya berbasis polikristal di Indonesia, mengingatsumber daya mineral silica yang sangat melimpah, danproduk sampingan dan industri pengguna bahan bakusilica banyak sekali di Indoensia. Saran dari pernya-taan diatas adalah kegiatan dengan topic memerlukan



GAMBAR 29: Tipikal Metal Silikon

dukungan yang penuh dari pemerintah dan industrinasional demi kepentingan kemandirian bahan bakudan peningkatan daya saing industri.

UCAPAN TERIMA KASIHMengucapkan terima kasih kepada berbagai pi-

hak yang telah memberikan dukungan yang sangatberharga 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 atasdukungan kelembagaan nya, Prof. Dr. Ir. BambangSunendar dan Dr. Achyar Oemry, Dr. Ir. NandangSuhendra, MSc, Ir. Masmui, MSc. atas kesediaanyadalam meluangkan waktu dan fikirannya dalam berba-gai kesempatan, demi tercapainya tujuan dari riset yangsedang 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: OperatingPrinciples, 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 fluidizedbed 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 growthfor 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 WireSaw Manufacture Technology. Department of En-gineering Doctoral, 230.

[9] Terauchi, T. and Y. Yanagi, Handoutai-IC-LSI gaYoku 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 Mobilitiesin Silicon Empirically Related to Doping and Field.Proc. IEEE, , 1967. 55: p. 2192 - 2193.

[12] Suratman, N., Pengkajian pembuatan metal silikondari pasir kuarsa yang diperoleh dari RembangBanten, 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.


pembuatan prototipe polycrystalline …biofarmaka.ipb.ac.id/biofarmaka/2013/pirs 2012 -...

Documents