PEMBUATAN INGOT SILIKON KUALITAS METALURGI DARI PASIR SILIKA

Pertumbuhan ekonomi nasional Indonesia memerlukan energi listrik dalam jumlah besar. Konsumsi listrik Indonesia setiap tahunnya terus meningkat sejalan dengan peningkatan pertumbuhan ekonomi nasional. Indonesia sebagai negara tropis yang hanya mengalami dua musim, panas dan hujan memiliki potensi energi baru terbarukan (EBT) yang cukup besar. Matahari akan bersinar sepanjang tahun dan kondisi iklim yang dimiliki Indonesia sangat mendukung untuk pemanfaatan sumber energi berasal dari matahari atau tenaga surya dan akan menjadi potensi sumber energi listrik alternatif masa depan bagi Indonesia dengan persediaan yang tidak terbatas.

Salah satu teknologi sel surya yang telah digunakan secara komersial dan terbesar pada saat ini sebagai pembangkit listrik tenaga surya adalah teknologi sel surya berbasis poli-silikon maupun mono-silikon. Logam silikon dihasilkan oleh industri pertambangan pengolahan pasir kuarsa melalui proses ekstraksi secara pirometalurgi (reduksi karbotermik). Logam silikon yang diperoleh dikatagorikan sebagai logam silikon berkemurnian tingkat metalurgi (metallurgical-grade silicon (>98%- Si). Pada tahap selanjutnya, metallurgical-grade silicon dimurnikan untuk mencapai tingkat kemurnian solar-grade silicon. Proses peningkatan kemurnian silikon dari metallurgical-grade silicon ke solar-grade silicon (>99,998%-Si) yang digunakan secara komersial saat ini melalui dua jalur proses, dikenal sebagai jalur proses secara kimia dan metalurgi. Oleh karena itu, metallurgical - grade silicon sebagai bahan utama dari komponen utama pada modul pembangkit listrik energi surya menjadi faktor penting dalam ketersediaannya untuk mendukung industri modul sel surya (solar cell).

Penelitian pembuatan ingot silikon kualitas metalurgi dari pasir silika dengan tujuan untuk menentukan karakteristik mineral silika dan lokasi deposit mineral silika yang mempunyai karakteristik kandungan unsur pengotor yang memenuhi persyaratan sebagai bahan baku industri produksi ingot solar grade silicon, dan kajian teknologi purifikasi mineral silika untuk memperoleh konsentrat silika kemurnian tinggi sebagai bahan baku umpan pembuatan ingot silikon serta mengkaji proses peleburan reduksi karbotermik dengan tanur busur listrik DC (DC electric arc furnace) untuk memproduksi secara langsung ingot silikon dari mineral silika.

Kajian pembuatan metallurgical grade silicon dari pasir silika untuk kegiatan penelitian tahun 2012 (kegiatan penelitian tahun ke-3), mencakup:

• Studi literatur dan pengumpulan data penunjang proses peleburan silikon dengan tanur busur listrik arus-searah (DC).
• Penyiapan bahan silika sebagai umpan peleburan dari proses purifikasi silika sebagai upaya untuk menurunkan tingkat kandungan unsur-unsur pengotor yang terkandung yang akan memengaruhi tingkat kemurnian dari ingot silikon yang dihasilkan. Kandungan unsur-unsur pengotor yang terkandung dalam silika diharapkan dapat diturunkan dengan total kandungan hingga mencapai 1% dengan kemurnian silika 99% - SiO2. Tingkat kemurnian silika sebesar 99% - SiO2 sebagai bahan umpan pada tahap proses peleburan silika akan memperoleh tingkat kemurnian ingot silikon sebesar 98% - Si sehingga dapat mencapai tingkat kualitas ingot silikon sebagai metallurgical-grade silicon.
• Penyiapan peralatan tanur proses peleburan. Proses peleburan pasir silika untuk menghasilkan ingot silikon menggunakan tanur busur listrik berarus listrik DC. Proses peleburan silika dengan tanur busur listrik sebagai tahap pertama proses untuk memperoleh logam silikon dari pasir silika dengan ditambahkan bahan reduktor terdiri atas karbon dan silikon karbida (SiC) dan dikenal sebagai proses peleburan reduksi karbotermik. Bahan baku silika yang telah dipurifikasi dengan tingkat kandungan unsur-unsur pengotor yang telah memenuhi dan bahan reduktor harus dicampur secara baik dan merata dengan proses peletisasi agar proses reduksi pada proses peleburan dapat dicapai secara optimal.

Pada proses peleburan silika secara reduksi karbotermik pada tanur busur listrik, bahan silika dan reduktor dibuat menjadi pelet untuk mengoptimasikan proses peleburan. Di samping itu, proses peleburan silika menjadi logam silikon memerlukan kondisi atmosfir peleburan dengan gas inert. Untuk memperoleh atmosfir dalam tanur peleburan tersebut harus dilakukan pemasukan gas argon dan/atau gas nitrogen serta penyedotan gas dalam tanur menggunakan pompa vakum ke luar. Pengaturan variabel proses peleburan terdiri atas tegangan dan kuat arus listrik DC. Tegangan dan kuat arus listrik DC diberikan dan diatur melalui alat sumber penghasil arus listrik DC (rectifier). Dari data literatur proses peleburan silikon dengan tanur busur listrik DC elektroda tunggal dapat berlangsung pada besaran tegangan listrik DC sebesar 56 volt dengan kuat arus sebesar 250-300 ampere. Untuk memenuhi kondisi parameter proses peleburan ini diperlukan bahan yang mempunyai sifat tahanan listrik <0,2 Ohm, yaitu bahan logam paduan berupa silikon-boron dengan kandungan boron e”0,1%-B agar busur listrik dalam tanur dapat dihasilkan.

Hasil penyiapan bahan umpan utama proses peleburan berupa pasir silika dan reduktor silika karbida, akan memengaruhi tingkat kemurnian dari logam silikon yang akan dihasilkan dari proses peleburan silika secara reduksi karbotermik. Oleh karena itu, kedua bahan umpan tersebut harus memiliki tingkat kemurnian maksimum yang di-tentukan baik untuk pasir silika maupun reduktor silika karbida harus setara tingkat kandungan unsur kelumitnya. Komposisi kimia kandungan unsur kelumit dari bahan umpan pasir silika sebesar <1% (10.000 ppm) dan silika karbida yang digunakan sebagai reduktor terdiri atas SiC pasar (jual bebas) sebesar >1.500 ppm dan SiC sintesis (dibuat) sebesar >15.000 ppm.

Dari hasil analisis kimia terhadap bahan re-duktor silika, bahan reduktor silika karbida yang relatif me-menuhi syarat hanya silika karbida yang diperoleh dari pasar bebas dibandingkan silika karbida yang diperoleh dari hasil sintesis penelitian ITB. Tingginya kandungan unsur kelumit pada silika karbida sintesis dimungkinkan, karena menggunakan sumber mineral silika dengan tingkat kemurnian rendah. Oleh karena itu, silika karbida yang digunakan sebagai reduktor harus menggunakan sumber mineral silika dari produk proses purifikasi, sehingga diperoleh tingkat kemurnian yang relatif sama dengan silika produk purifikasi.

Hasil pelaksanaan kegiatan percobaan proses peleburan silika terhadap peralatan tanur busur listrik DC setelah penyiapan bahan umpan peleburan adalah melakukan penyesuaian dan perbaikan tanur peleburan untuk memenuhi kondisi yang dibutuhkan agar proses reduksi karbotermik dapat dicapai, terutama pengaturan elektroda busur listrik yang terintegrasi dengan pengukuran tegangan dan arus listrik DC yang terukur dan terkontrol, sehingga busur listrik dapat berlangsung dan proses reduksi karbotermik dapat terjadi telah dapat dicapai. Namun proses reduksi karbotermik pada bahan umpan peleburan (pelet silikan dan reduktor) belum dapat berlangsung karena memerlukan bahan pengantar/pengumpan untuk berlangsung proses busur listrik di dalam reaktor tanur berupa bahan logam paduan silikon-boron atau silikon-fosfor dengan karakteristik kelistrikkan berupa tahanan listrik lebih kecil dari 0,1 Ohm.***