The purpose of this study is to estimate how much it costs to build a plant to produce solar cell grade polysilicon(SoG-Si), which is the most expensive part of the manufacturing process of solar cells. The production process selected is the trichlorosilane(TCS) based Siemens process with the production capacity of 5000 ton/year of SoG-Si.
Two alternatives, long and short recycle of silanetetrachloride(STC), were taken into account for comparison in this study. Referring to the NEDO project reports in 1980s, the whole mass flow diagram and process diagram have been constructed and the working conditions of all processing units have been decided by ‘design spec’ tool that finds the optimal solution automatically under the given conditions in AspenPlus. Economic study was conducted by Aspen IPE after loading the steady state simulation result done by AspenPlus,.
The result of the study showed that the conventional long recycle process was better than the short recycle process.. And it implied that the costs of adding the STC to TCS converter and the additional units exceeded the cost savings resulting from shrinking the sizes of processing units due to short recycle. Therefore, it can be said that TCS based Siemens process without the STC to TCS converter is better than that with the converter at this point of time.
SoG-Si 생산 공장을 짓는 데에는 이러한 경제적인 요소뿐만 아니라, 실제로 그 기술이 available한 상황인지, 또 기술의 난이도가 어느 정도인지 등의 technical한 요소들도 고려해보아야 한다.
Short-recycle process의 경우에는 long-recycle process보다 4개의 components가 공정의 뒷부분에 추가되는데, STC converter와 두 개의 separators, 한 개의 condenser가 추가되는 장치의 전부이므로 특별히 기술적으로 어려운 부분은 없다고 볼 수 있다. 또한 Si 증착 반응기에서 나온 STC 부산물을 바로 STC converter에서 처리함으로써 가스화 공정과 purification 공정 에서 장치들의 사이즈가 감소함에 따른 비용상 이익이 발생한다. 그러나 FBR 반응기인 converter를 설치하는 데에 적지 않은 비용(총 약 200억원의 direct cost)이 소요되는 등, 4개의 장치들을 추가적으로 설치함에 따른 비용 부담이 기존의 장치들의 사이즈 감소로 인한 이익을 크게 웃도는 것으로 시뮬레이션 결과가 나왔다. 뿐만 아니라 STC의 화학반응이 일어나는 최적의 조건이 고압, 고온(35기압 $550\degC$ 에서 최적이라고 알려져 있으나 공정의 안정성을 위해 보통 7기압, $550\degC~1100\degC$ 정도에서 반응시킨다)인데다가 상당한 양의 에너지를 요구하는 흡열반응이기 때문에 반응기의 제작, 가동 및 유지, 보수에 어려움이 있다.
이렇게 제조공장 건설에 드는 총 자본금(capital cost)과 운영비(operating cost), 또 총 소요기간과 기술적 측면이나 유지, 관리 및 보수라는 요소들을 모두 고려해 보았을 때, short-recycle 공정보다는 기존의 long-recycle 공정을 계속해서 이용하는 것이 더 효과적이라고 볼 수 있겠다.
그리하여 본 연구에서 진행한 두 개의 공정에 대하여 kg SoG-Si 당 생산비용을 산출해 본 다음, 이것을 1980년대에 진행된 일본 NEDO 프로젝트 보고서 N86-26682의 결과와 비교해보았다. 총 kg당 생산비용은 현재 2009년 연말 시점을 기준으로 global Poly-Si manufacture company가 약 40$/kg 소요된다고 알려져 있는데, 본 연구의 long-recycle process 공정에서는 22$/kg, 34$/kg 이 소요된다는 결과가 나왔다(capital cost의 depreciation 기간을 가장 일반적인 8년으로 놓음). 또한 단위질량당 생산비용뿐만 아니라, 총 투자비용을 비교해 봤을 때, global company의 경우 약 100$/kg 인 것에 반해, 본 연구의 long-recycle 공정의 경우 94$/kg이 소요되고, short-recycle 공정의 경우에는 136.65$/kg가 소요된다고 나왔다. 이로써 본 연구에서 설계하고 시뮬레이션 한 SoG-Si production process가 경제적으로 상당히 optimized 된 공정이라는 것이 입증되었다고 볼 수 있다.
