Auf den Spuren des Siliziums

Welcher Rohstoff ist eigentlich essentiell für Solarmodule und die Verwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom? Wir werfen einen Blick auf die Herstellung von Solarmodulen.

Für die Herstellung von Solarzellen kommen prinzipiell mehrere Materialien infrage. Tatsächlich werden jedoch 95 Prozent aller Solarzellen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si) gefertigt.

Halbleiter sind Stoffe, die unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden, während sie bei tiefen Temperaturen isolierend wirken. Egal ob im Smartphone, im Auto, in der Spielekonsole oder eben bei Solarmodulen – Halbleiter kommen in vielen Bereichen zum Einsatz.

Das Gute an dem Halbleitermaterial Silizium? Den Rohstoff Silizium gibt es - im wahrsten Sinne des Wortes - wie Sand am Meer.

Silizium gehört nach Sauerstoff zu den häufigsten vorkommenden Elementen auf der Erde und ist tatsächlich in Sand und Quarz enthalten. Der Quarzsand, aus dem das für Solarzellen benötigte Silizium gewonnen wird, wird jedoch nicht von Stränden abgetragen, sondern in der Regel aus Gruben gefördert. Der Abbau ist sehr energieaufwendig und wird daher in der Regel in Ländern mit geringen Energiekosten durchgeführt.

Silizium, wie es in der Natur vorkommt, ist allerdings nicht direkt zum Bau von Solarzellen geeignet. Um aus Rohsilizium ein für Halbleiter geeignetes Silizium herzustellen, darf das Silizium nur eine geringe Verschmutzung durch Fremdatome aufweisen – genauer gesagt muss das Silizium zu 99,99 Prozent rein sein. Das bedeutet, dass pro einer Milliarde Siliziumteile nur deutlich weniger als ein einziges Fremdatom enthalten sein darf. Dieser hohe Reinheitsgrad wird durch ein mehrstufiges Reinigungsverfahren erreicht und ist wichtig für den weiteren Verfahrensablauf.

Das gereinigte Silizium wird nun zu Ingots (englisch: Barren) weiterverarbeitet. Ingots können monokristallin oder polykristallin aufgebaut sein. Bei polykristallinen Ingots wird das gereinigte Silizium eingeschmolzen und in eine Quaderform gegossen. Bei diesem Verfahren erhält das Silizium während des Aushärtens seine typische, amorphe Gitterstruktur. Die Herstellung von monokristallinen Ingots ist hingegen etwas aufwendiger und erfolgt, indem ein sogenannter Impfkristall in eine Schmelze des Halbleitermaterials getaucht wird. Durch langsames kontrolliertes Heben unter Rotation (sogenanntes Ziehen) erhält man die charakteristisch geformten runden Säulen.

Die Ingots werden dann mit speziellen Drahtsägen oder mit Wasserstrahlschneiden in etwa 200 Mikrometer (0,2 Millimeter) dünne Siliziumscheiben (Wafer) geschnitten, die nun zur Weiterverarbeitung zur Solarzelle bereit sind. Beim Sägen von Siliziumscheiben geht fast die Hälfte des Materials in Form von Sägespänen verloren. Aus einer  Tonne Sand kann man rund 5000 Stück 200-Millimeter-Wafer herstellen. Wafer sind die physische Basis der Solarzelle – ihre Güte prägt deren Qualität damit entscheidend mit. 

Eine Solarzelle ist aus zwei Schichten mit unterschiedlicher Ladung aufgebaut. Damit die positiven und negativen Ladungsträger richtig geleitet werden, werden dem Halbleiter Fremdatome eingebaut. Hier spricht man von p- und n-dotiertem Silizium. Anschliessend wird die Zelle in der Regel mit einer bläulich schimmernden Anti­reflexschicht überzogen, um die Zelle vor Umwelteinflüssen zu schützen und Lichtreflexionen zu verringern. Danach werden auf der Vorder- und der Rückseite die Metallkontakte angebracht. Als nächster Produktionsschritt folgt das Laminieren des Moduls. Im Vakuum oder bei grosser Hitze werden die Zellen zwischen einer Folie und dem Glas dauerhaft einlaminiert. Das Auflöten von Kupferbändchen ermöglicht es dann, mehrere Solarzellen in Serie zu schalten. Nach dem Laminieren werden die Kanten gesäumt, die Anschlussdose wird gesetzt und mit den Freilaufdioden bestückt. Für die Stabilität des Moduls sorgt ein Aluminiumrahmen.

Silizium heisst auf Englisch übrigens "silicon". Daher rührt auch der Name "Silicon Valley" für jenen berühmten Forschungs- und Industriekomplex an der US-Westküste, in dem über tausend IT-Unternehmen werken. Gründungsmythen gibt es viele, als inoffizieller Vater des "Silizium-Tals" gilt Physiker William Shockley. Er gründete 1956 eine Silizium-Halbleiterfabrik nahe Palo Alto. Dort befindet sich noch heute die Garage, in der Bill Hewlett und Dave Packard den Grundstein für die Erfolgsstory von Hewlett-Packard (HP) legten.

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