Kisel – Grunden för solceller och modern teknik

Kisel är ett av de mest betydelsefulla grundämnena för vår moderna teknik, inte minst inom solcellsteknologi. Som det näst vanligaste grundämnet i jordskorpan efter syre, utgör kisel hela 25,7 procent av grundämnena i vår planets ytskikt. Dess unika egenskaper som halvledare har gjort det till ryggraden i elektronisk teknik – från solceller på våra tak till mikroprocessorer i våra datorer.

Vad är kisel?

Kisel är ett halvmetalliskt grundämne med det kemiska tecknet Si (från latin silicium) och atomnumret 14. I ren form har kisel en kristallin struktur och en karakteristisk grå metallisk färg. Precis som kol kan kisel bilda fyra kovalenta bindningar, men det är betydligt mindre reaktivt än sitt kemiska släkting.

En viktig egenskap hos kisel är att det liknar glas i många avseenden – det är starkt men samtidigt mycket skört. Kisel är relativt inert och reagerar främst med halogener och baser, men inte med syror. Den vanligaste isotopen är ²⁸Si, som förekommer i 92 procent av alla kiselförekomster.

Historisk upptäckt och svensk forskning

Kiselns upptäcktshistoria är tätt förknippad med svensk forskning. På 1770-talet betecknade den svenske kemisten Torbern Bergman kiseldioxiden som en jordart, det vill säga en svårreducerad oxid. Namnet “kiseljord” kom från ordet kiselsten.

Den som officiellt räknas som upptäckaren av rent kisel är dock Jöns Jacob Berzelius, som 1823 lyckades renframställa grundämnet. Berzelius upphettade en blandning av kvarts, järn och kol för att skapa järnsilicid, och genom att behandla restprodukten med saltsyra kunde han bevisa att han hade framställt kvartsens “metall”. Det var också Berzelius som införde det svenska namnet kisel.

Kisel som halvledare – grunden för solceller

Den kanske viktigaste egenskapen hos kisel inom modern teknik är dess funktion som halvledare. När rent kisel dopas med andra ämnen, det vill säga när små mängder andra grundämnen tillsätts, förändras dess elektriska egenskaper dramatiskt. Denna dopade kisel utgör huvudbeståndsdelen i praktiskt taget alla aktiva elektroniska komponenter.

I solceller används dopat kisel för att skapa den fotoelektriska effekten – processen där solljus omvandlas direkt till elektricitet. När solljus träffar kiselcellerna frigörs elektroner som skapar en elektrisk ström. Denna teknik har möjliggjort den explosionsartade tillväxten inom solenergi som vi ser idag.

Industriell framställning

Industriell framställning av kisel sker genom reduktion av kiseldioxid med kol vid extremt höga temperaturer – omkring 1627°C – i ljusbågsugnar. Den kemiska reaktionen kan skrivas som:

SiO2 + C → Si + CO2

Det flytande kisel som bildas samlas i ugnens botten och kan tappas av med en renhet på cirka 98 procent. För tillämpningar som kräver ultrarent kisel, såsom solceller och mikroprocessorer, krävs ytterligare reningsprocesser.

Ultrarent kisel framställs genom klorering till kiselklorid (SiCl4) som sedan reduceras med zink. Därefter gjuts kiselmetallen till stavar som förs genom spolar med högfrekvent växelström. Denna process, som kallas zonrening, putsar bort föroreningar och skapar rent monokristallint kisel av den kvalitet som krävs för högteknologiska tillämpningar.

Legeringar och andra användningsområden

Trots att vi ofta associerar kisel med elektronik, går faktiskt över hälften av världens kiselkonsumtion till legeringar. Det största användningsområdet är legering med aluminium för att producera lättmetallegeringar med hög hållfasthet. Dessa används extensivt inom fordonsindustrin för att minska vikten samtidigt som styrkan bibehålls.

Kisel legeras också med järn för att skapa högfasta stållegeringar, och med koppar och zink i blyfria kopplingar inom VVS-industrin. Dessa tillämpningar visar kiselns mångsidighet bortom elektronikområdet.

Kiselföreningar i vardagen

Det näst största användningsområdet för kisel är i form av silikon – polymerer av kisel och syre med organiska sidogrupper. Silikon används för att täta fogar i byggnader och har även medicinska tillämpningar som kontaktlinser och bröstimplantat.

Kiseldioxid, som är kiselns oxid, har enorma användningsområden eftersom det är en huvudkomponent i betong, cement, keramer och glas. Praktiskt taget all modern byggnadsteknik är därmed beroende av kiselföreningar. Kiselkarbid används inom industrin för slipning tack vare dess extrema hårdhet.

Naturlig förekomst

I naturen förekommer aldrig kisel i ren form utan alltid som föreningar med syre och andra ämnen. Vanlig sand är faktiskt ett av de bästa fyndmineralen för kiseldioxid, vilket gör kisel till ett mycket tillgängligt råmaterial. Kisel finns också som kiseloxid i form av mineralet kvarts i många bergarter som granit, gnejs och gabbro.

Denna rikliga förekomst, kombinerad med kiselns unika egenskaper som halvledare, har gjort det möjligt att utveckla kostnadseffektiv solcellsteknologi som kan konkurrera med fossila bränslen på allt fler marknader världen över.