PEMBUATAN PROTOTIPE POLYCRYSTALLINE SILICON UNTUK BAHAN BAKU INDUSTRI SEL SURYA

0406: Dwi Gustiono dkk.

MT-7

PEMBUATAN PROTOTIPE POLYCRYSTALLINE SILICON UNTUK BAHAN BAKU INDUSTRI SEL SURYA Dwi Gustiono1,∗ , Suratman2 , Ratno Nuryadi1 , Yelvia Deni1 , Seto Roseno1 , dan Ika Maria Ulfa1 1 Pusat 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 berbasis fosil di alam akan habis dalam waktu 40 tahun[1]. Oleh karena itu, diperlukan alternatif energi terbarukan seperti pembangkit listrik tenaga matahari. Pembangkit listrik tenaga matahari ini banyak dipakai di berbagai negara karena dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, skala, iklim dan lokasi geografis yang berbeda. Pemasok utama kebutuhan energi dunia berasal dari sumber energi fosil, yaitu sekitar 85% dari total kebutuhan. Sementara itu pasokan energi dari sumber lainnya, yaitu sumber energi baru terbarukan berada dalam kisaran 15%. Pemanfaatan sel surya untuk pemenuhan energi global, berdasarkan data dari World consumption of primary energy, 2008 seperti yang diperlihatkan pada G AMBAR 1, sudah berkontribusi sebesar 0.04% dari kebutuhan energi dunia.[1] Sementara itu penggunaan 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 solar cell perlu segera dilakukan di dalam negeri. A.

Teknologi Pembuatan Silikon dari Bahan Mineral 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 hidrometallurgi - Pelindian (Leaching)- menurunkan kandungan unsur-unsur pengotor utama: Media pelindian yang telah umum digunakan: (a) Aqua regia (HCl+HNO3); (b) HCl; (c) H2 SO4 ; (d) Asam Organik; (e) Oxalic Acid; dan (f) Citric Acid. Prosiding InSINas 2012

0406: Dwi Gustiono dkk.

MT-8 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. Silikon biasanya diklasifikaikan ke dalam tiga level kemurnian, yaitu: • Metallurgical grade silicon (MG-Si)[2] Tingkat kemurnian dari metallurgi-cal grade silicon adalah 98%. Metallurgical grade silicon biasanya digunakan pada paduan aluminium maupun 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 digunakan 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 digunakan untuk membuat semiconductor wafers. B.

Teknologi Pembuatan Metal Silikon Metallurgical grade silicon dengan tingkat kemurnian mencapai 98-99% dapat diproduksi mempergunakan submerged electric arc furnace. Silicon didapatkan 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) SiO(g) + SiC(s)

→ 3SiO(g) + CO(g)

(3)

→ 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) 2SiO(g)

→ SiC(s) + CO(g)

(5)

→ Si(l) + SiO2(s)

(6)

Meskipun pembuatan solar cell sangat prospektif mengingat jumlah kebutuhan dan ketersediaannya

G AMBAR 1: 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 reduksi karbotermik Selama proses pemurnian ini konsumsi energi dan material yang dibutuhkan cukup banyak. Contoh nya saja untuk menghasil-kansatu metrik ton (MT) silikon metal dan 90% silicon yield dibutuhkan 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 memaparkan hal-hal apa saja yang mempengaruhi harga produksi silikon metal, yaitu: TABEL 1: Komponen yang mempengaruhi harga produksi silikon metal

• Ketersediaan pasokan energi Jumlah energi yang tinggi bukan hanya dibutuhkan pada saat proses pemurnian silika menjadi silikon metal saja, namun energi yang tinggi masih dibutuhkan pada saat proses pembentukan polisilikon. Untuk satu kilogram polisilikon dibutuhkan energi sekitar 350 kWh, namun seiring dengan berkembangnya teknologi, saat ini telah dikembangkan teknologi yang dapat mengefisiensikan Prosiding InSINas 2012

0406: Dwi Gustiono dkk.

MT-9

energi sehingga satu kilogram polisilikon hanya dibutuhkan energi sekitar 100 kWh.

G AMBAR 2: Schematic urutan proses untuk produksi solar grade silicon 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

G AMBAR 3: tinggi[3–5]

Proses refining untuk polisilikon berkemurnian

panas berbentuk U terbalik (silicon seed) dengan reaksi seperti dalam reaksi P ERS . (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 Adapun proses produksi solar-grade silicon dapat diklasifikasikan menjadi 3 jenis: 1. Dekomposisi thermal dan reduksi H2 2. Metallothermic reduction 3. Metoda metallurgical purification TABEL 2 memperlihatkan beberapa perusahaan dan universitas yang mengembangkan proses produksi solar grade silicon dengan cara yang berbeda-beda.

C.

Teknologi Pembuatan Polikristal Silikon Untuk membuat polycrystalline silicon, terdapat dua teknologi yang dapat digunakan, yaitu teknologi kimiawi dan teknologi fisik (metalurgi). Saat ini proses produksi silicon untuk elektronika dan solar cell silicon yang paling mendominasi digunakan adalah Teknologi Chemical Vapor Deposition (CVD) yang diketahui sebagai Siemen Process. Proses pemurnian menggunakan teknologi ini mengandung dekom-posisi trichlorosilane dalam filament

(7)

Trichlorosilane dihasilkan menggunakan sebuah reactor Fluidized Bed Reactor (FBR) yang mana metallurgical grade silicon dan hydrogen chloride dimasukan kedalam reactor untuk menghasilkan trichlorosilane. Sementara itu, teknologi pembuatan polikristal silicon dengan teknik metalurgi fisik yaitu direct solidification system dapat digambarkan dalam G AMBAR 4. Pemilihan teknologi akan jatuh pada pembuatan polikristal silicon dengan teknik metalurgi, yaitu directional 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 pembuatan 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) proses pemanasan, (3) pelelehan polisilikon, (4) pembenProsiding InSINas 2012

0406: Dwi Gustiono dkk.

MT-10

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

tukan Kristal silicon, (5) penyelesaian proses kristalisasi silicon dan (6) pendinginan, yang mana hasil akhirnya berupa ingot polikristal silicon yang siap untuk dipotong-potong kedalam bentuk kota-kotak kecil menyerupai bata (brick).[4]

G AMBAR 6: Skema proses fabrikasi ingot polikristalin[3]

G AMBAR 5: Tahapan proses pembuatan ingot polikristali silicon[4, 7]

Pembuatan silikon polikristal dilakukan dengan cara directional solidification (pembekuan secara langsung). Silikon solar grade dimasukkan ke tungku dengan tempertur 1410 ◦ C sampai meleleh. Pada beberapa kasus, di tambahkan dengan boron untuk membentuk wafer silikon tipe B. Setelah dilelehkan, lelehan tersebut kemudian dituangkan pada tungku yang lainnya untuk dibekukan. Setelah membeku, ingot tersebut dipotong menjadi 5×5 cm atau 10×10 cm dengan ketebalan sekitar 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.

G AMBAR 7: Skema pengguntingan ingot silicon menjadi wafer[8]

E.

Spesifikasi Silicon Wafer Performa sel surya sangat ditentukan oleh kualitas silicon wafer yang digunakan dalam pembuatan solar cell Parameter-parameter penting dalam pembuatan silicon wafer ini diantaranya adalah jenis kristal (monokristal, polikristal), tipe semikonduktor (umumnya tipep), resistivitas dan life time. Di bawah ini akan dipaparkan studi ketiga parameter penting tersebut. Prosiding InSINas 2012

0406: Dwi Gustiono dkk. Jenis Kristal: Mono-kristal dan Polikristal Ada 2 jenis tipe sel surya berbasis bulk silicon yang dikembangkan saat ini yaitu solar cell mono-kristal silikon dan polikristal silikon solar. Saat ini dalam skala industri efisiensi yang dicapai masing-masing monokristal sekitar 18% dan polikristal sekitar 15%. Masing-masing mempunyai kelebihan dan kekurangan.[9] Mono-kristal solar cell mempunyai masalah dalam proses produksi yang membutuhkan teknologi 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 monokristal. Hal ini dikarenakan sifat kristal dari polikristal itu sendiri (G AMBAR 8) yang memiliki kristal boundary dan menyebabkan terjadinya defect crystal yang akhirnya berakibat menurunnya efisiensi. Pada riset kali ini kami fokus pada material polikristal silikon.

MT-11

F.

G AMBAR 9: Semikonduktor tipe-p digunakan sebagai substrate pada sel surya.[10]

G AMBAR 10: Struktur kristal semikonduktor silikon tipe-p yang didoping dengan boron.[9]

G AMBAR 8: Struktur polikristal silikon.[9]

Dalam fabrikasi sel surya umumnya digunakan silicon semikonduktor tipe-p sebagai substrate, sebagaimana terlihat pada G AMBAR 9. Karena itu, pembuatan semikonduktor tipe-p dari bahan silikon menjadi hal yang penting. Semikonduktor tipe-p biasanya dibuat dengan menambahkan unsur golongan 3 (seperti Boron, Aluminium, Galium, dan Indium) ke dalam semikonduktor intrinsik. G AMBAR 10 menunjukkan 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 penting dalam pembuatan silicon ingot. Spec resistivitas

untuk aplikasi sel surya berkisar 0.5-3 Ohmcm. Resistivitas ini akan sangat tergantung pada banyaknya konsentrasi doping boron yang dilakukan. G AMBAR 11 menunjukkan hasil kalkulasi hubungan antara resistivitas dan konsentrasi doping boron, mengikuti persamaan sebagai berikut,[3] ρ=

5.86 × 1012 + NA0.76 7.63 × 10−14 NA1.76 + 4.64 × 10−4 NA0

(8)

di mana ρ adalah resistivitas dan NA adalah konsentrasi doping. Terlihat bahwa untuk mencapai resistivitas 0.5-3 Ohm-cm diperlukan doping boron sekitar 10151016/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 bernilai besar, maka carrierrecombination lifetime harus mempunyai nilai yang besar. Pada material in-direct bandgap seperti silikon, sejumlah carrier yang signifikan dibangkitkan sampai jarak 100 µm dari persambungan pn junction, dan diharapkan recombination Prosiding InSINas 2012

0406: Dwi Gustiono dkk.

MT-12

lion). yang sejatinya sudah cukup untuk dipergunakan untuk banyak.

III.

G AMBAR 11: 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. Untuk mencapai recombination lifetime yang lama, perlu pencegahan rekombinasi pada proses pembuatan material silikon dan fabrikasi sel. Umumnya untuk aplikasi 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 silikon, 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 pemisahan pasir kwarsa. Tahap pertama, silikon hasil pemisahan masih memiliki ”pengotor” berupa besi (Fe), aluminium (Al), kalsium (Ca) titanium (Ti) dan karbon (C) yang harus dikeluarkan. Proses ini melibatkan gas oksidatif yang dilakukan pada suhu 1700 ◦ C. Sampai tahapan ini, silikon yang dihasilkan disebut dengan metallurgical grade silicon dengan kadar pengotor dalam satuan bagian per sejuta (ppm, parts per mil-

HASIL DAN PEMBAHASAN

Data berupa peta potensi dan sebaran pasir kuarsa yang memiliki prospek sebagai bahan baku pembuatan silicon; Kajian teknologi pemurnian silica yang diperoleh dari pasir kuarsa atau batuan kuarsit. Pekerjaan 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 teknologi pembuatan metal silicon menggunakan electric Arc Furnace yang dikembangkan bersama dengan Puslitbang TekMIRA, ESDM.[12] Contoh pasir silika sebagai bahan penelitian berasal dari tiga wilayah potensi pasir kuarsa, yaitu Lebak, Rembang,dan Langkat. Karakterisasi mineralogi contoh 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 konsentrat, proses purifikasi pasir silica.[12] Hasil analisis mineralogi dengan metoda XRD untuk percontoh pasir silika Lebak- Banten menunjukkan adanya deposit pasir kuarsa-feldspar dengan persentase mineral kuarsa sebesar 44%, dan kandungan unsur 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% - SiO2 dan 24%-feldspar. Hasil analisis kimia dengan metode XRF, kandungan komponen SiO2 mencapai 97%, dengan beberapa unsur 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%-SiO2 dan 36%- feldspar. Hasil analisis kimia dengan metode XRF menunjukkan kandungan SiO2 mencapai 95.52% dengan beberapa unsur kelumit yang terkandung yang disyaratkan dalam komposisi kimia solar-grade silicon menunProsiding InSINas 2012

0406: Dwi Gustiono dkk.

MT-13

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

G AMBAR 13: Peralatan Pemurni silika

G AMBAR 14: 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 RembangJawa Tengah, yaitu butiran lebih besar, mendekati ukuran batuan kerikil. Hasil analisis mineralogi dengan metode XRD terhadap percontoh pasir silika LangkatSumut kandungannya hanya menunjukkan mineral kuarsa dan hasil analisis kimia dengan metode XRF, kandungan komponen SiO2 mencapai 99% dan unsur

G AMBAR 15: Hasil analisis kimia dengan metode XRF

kelumit yang terdeteksi Al, Fe, Ca, Mn, Cr, dan Cu dengan presentase kandungan relatif sangat rendah. Berdasarkan hasil karakteristik mineralogi dan komposisi 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 berasal dari Sambiroto-Rembang, Mojosari- Rembang, dan Langkat-Sumatera Utara. Setelah pengambilan percontoh pasir, dilakukan proses purifikasi. Proses purifikasi percontoh pasir silika merupakan proses purifikasi percontoh pasir silika pendahuluan dengan metode pelindian dengan media asam klorida dan asam sulfat; bertujuan untuk menurunkan tingkat kandungan beberapa unsur pengotor yang diperhitungkan sebagai komposisi kimia yang menentukan kualitas silikon baik sebagai metallurgicalgrade silicon maupun solargrade silicon. Parameter percobaan yang diamati berdasarkan perumusan masalah hasil kajian pustaka terdiri atas jenis asam sebagai larutan pelindi (HCl dan H2 SO4 ), besaran konsentrasi asam (molar), suhu pelindian, waktu pelindian dan persentase padatan (pasir silika). Proses purifikasi pasir silika Mojosari- Rembang dengan kondisi proses pelindian menggunakan HCl konsentrasi Prosiding InSINas 2012

0406: Dwi Gustiono dkk.

MT-14 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 kemurnian 98.37%-Si yang memenuhi klasifikasi produk metallurgical-grade silicon.

G AMBAR 18: Serbuk Silika dengan kemurnian 99.6%

ngan serbuk carbon (campuran silica dengan serbuk karbon, diperlihatkan dalam G AMBAR 19). Selanjutnya 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).

G AMBAR 16: Endapan silica selama proses pemurnian

G AMBAR 19: Campuran Carbon dan Silika

Prosedur produksi metal silicon yang merupakan reaksi antara silica dan carbon dalam electric arc furnace menghasilkan silicon. 2C + SiO2 → 2CO + Si, adalah sebagai berikut:

Langkah I G AMBAR 17: Penumbuhan endapan silika murni dalam gelas reaksi

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

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 menghasilkan arc. Panas yang ditimbulkan oleh arc (temperatur sekitar 2350 ◦ C) melelehkan material dan hasil dari reaksi pasir kuarsa yang sudah dimurnikan dengan karProsiding InSINas 2012

0406: Dwi Gustiono dkk.

MT-15

G AMBAR 20: DC Arc Furnace untuk pembuatan metal Silikon sedang disiapkan

G AMBAR 23: Kegiatan persiapan peleburan metal silicon

Langkah II G AMBAR 21: Irisan DC Arc Furnace untuk pembuatan metal Silikon[13]

Ketika metal silicon berada dalam keadaan meleleh, ditiupkan oksigen dan udara untuk pengotor (impurities) berupa kalsium dan aluminimum. Silikon metal yang dihasilkan dalam kegiatan penelitian ini mengandung sekitar 98.5% silicon dengan trace berupa Fe, Ca dan Al.

G AMBAR 22: Irisan DC Arc Furnace untuk pembuatan metal Silikon (contoh sistem yang ada di industri)[13]

G AMBAR 24: Silika murni dan karbon dalam bentuk pelet

bon membentuk silicon dan carbon monoxide. Proses ini berjalan selama kurang lebih enam hingga delapan jam.

Pembuatan silikon metal yang diperoleh dari DC Arc Prosiding InSINas 2012

0406: Dwi Gustiono dkk.

MT-16

G AMBAR 25: Pelet dalam Tabung Chamber DC Arc Furnace

G AMBAR 27: Kegiatan Penyetelan Perangkat DC Arc Furnace

G AMBAR 26: Power penyedia arus searah (DC)

Furnace yang dikembangkan diharapkan dapat memberikan 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.

G AMBAR 28: Pemasangan elektroda graphite pada Chamber AFC

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 lanjutannya, yaitu peleburan silica murni dengan campuran karbon dalam rangka pembuatan metallurgical grade silicon. Hasil yang diperoleh dari pemurnian silica sudah mencapai tingkat kemurnian 98.6%, dan upaya peningkatan kemur-nian masih tetap dilakukan, sementara untuk mempersiapkan pembuatan metallurgical silicon juga dilakukan. Target kegiatan dalam pembuatan silica murni dan percobaan pendahuluan pembuatan metal silicon sudah dapat dicapai, walaupun dengan berbagai kelemahan. Kegiatan lanjutan dalam pembuatan metal silicon akan dilaksanakan di tahun

berikutnya, yaitu dengan optimisme disetujuinya kegiatan lanjutannya. Semoga dengan penguasaan teknologi 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 industri sel surya sangat memungkinkan untuk dapat ditindaklanjuti menuju pada sasaran pendirian industri 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 pernyataan diatas adalah kegiatan dengan topic memerlukan Prosiding InSINas 2012

0406: Dwi Gustiono dkk.

G AMBAR 29: 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 pihak yang telah memberikan dukungan yang sangat berharga bagi 15 pekerjaan riset ini hingga diterbitkannya makalah ini. Kepada Kementerian Riset dan Teknologi atas penyediaan program dan pendanaan insentif 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 berbagai kesempatan, demi tercapainya tujuan dari riset yang sedang dilaksanakan ini.

MT-17 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 Engineering 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 SiliconWafer 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 Silicon by Magnesiothermic Reduction of Silica Fume, in Department of Materials Science and Engineering. 2011, University of Toronto.: Toronto.

DAFTAR PUSTAKA [1] Amendola, S., Overview of Manufacturing Processes For Solar- Grade Silicon. Easton, PA, 2011. [2] Lanb;, W.C., et al., Grain control in directional solidification of photovoltaic silicon. Journal of Crystal Growth, 2012. 360: p. 68-75. [3] Braga, A.F.B., et al., New processes for the production of solar-grade polycrystalline silicon: A review Original Research Article. Solar Energy Materials 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, Development of numerical model for reactions in fluidized bed grid zone-application to chemical vapor deposition of polycrystalline silicon by monosilane pyrolysis. Chemical Engineering Science, 1990. 45(8): p. 2527- 2534. [6] Bei Wua, et al., Bulk multicrystalline silicon growth for photovoltaic (PV) application. Journal of CrysProsiding InSINas 2012