Handbook of Photovoltaic Science and Engineering

48
, 2394 – 2399 (2001).
63. Yamaguchi M, Luque A,
IEEE Trans. Electron. Dev.
46
, 2139 – 2144 (1999).
64. Mi˜nano J, Gonz´alez J, Ben´ıtez P,
Appl. Opt.
34
, 7850 – 7856 (1995).

---

This Page Intentionally Left Blank

---

5
Solar Grade Silicon Feedstock
Bruno Ceccaroli
1
and Otto Lohne
2
1
Silicon Technologies AS, Kristiansand, Norway,
2
Norwegian University of
Science and Technology (NTNU), Trondheim, Norway
5.1 INTRODUCTION
The Photovoltaic (PV) industry is still in its infancy and at the moment it is very
difficult to predict which technical, economical and social patterns its deployment will
follow before reaching maturity. However, if photovoltaics are to become a major energy
source in the future, it is appropriate to question which materials and which natural ele-
ments are critical to secure the long-term sustainability of this energy source. This is
particularly valid for the semiconductor materials whose band gap has to perform the
efficient conversion of sunlight to electricity. The recent history of photovoltaics (from
the 1950s) reveals an intense activity of research and development embracing a broad
range of disciplines and leading to a healthy multitude of innovations. Organic versus
inorganic semiconductors, intrinsic versus extrinsic semiconductors, homojunctions ver-
sus heterojunctions and amorphous versus crystalline structures are a few dilemma that
new research achievements steadily bring to the scientific and industrial community. It
will take years, perhaps decades, before mankind is able to solve the challenge and answer
the questions addressed above. (These aspects are also described in Chapters 6 to 16 of
this handbook.)
Up to now, the dominant semiconductor material used in photovoltaics is silicon,
particularly crystalline silicon. The most recent market surveys issued by commercial con-
sultants, (trans)governmental organisations and agencies clearly state this fact.
1
Analysing
annual growth by means of technology and material from these quoted sources, mul-
ticrystalline silicon takes the lion’s share of the growth. In the first half of the 1990s,
1
For PV News edited by Maycock (2001), commercial shipments to terrestrial and indoor applications of cells
or modules based on non-silicon technologies accounted in 2000 for just 1.2 MW of a total 288 MW, that is,
4.2 per thousand. Amorphous silicon was credited in the same period 27 MW shipment or 9.4% and crystalline
Handbook of Photovoltaic Science and Engineering
. Edited by A. Luque and S. Hegedus

2003 John Wiley & Sons, Ltd
ISBN: 0-471-49196-9

---

154
SOLAR GRADE SILICON FEEDSTOCK
multicrystalline sawn wafers accounted for just half of the single-crystal shipments. In
1998 both technologies were equivalent in size. Two years later, multicrystalline technol-
ogy surpassed single-crystal technology by 55%.
The consensus is that crystalline silicon is and will remain for at least a long decade
the workhorse of this growing market. Long-term visionary forecasts predict that by 2050,
30 000 TWh PV electricity will be generated annually worldwide. This will require an
installed PV output capacity totalling approximately 15 million metric tons (MT) of solar
grade silicon feedstock, assuming that silicon remains dominant and that cell efficiency and
material yields have steadily improved. To build up such a capacity over fifty years will
represent an annual production of 300 000 MT solar grade silicon feedstock. The annual
present consumption of pure silicon for photovoltaics is approximately a hundredth part
of that (i.e. 4000 MT), whereas production of metallurgical grade silicon for all purposes
in 2000 was approximately one million metric tons. This clearly poses the question of
material feasibility and availability. The present chapter is therefore dedicated to silicon,
its extraction, purification and availability by current and future practice.