Vom Silizium zu Solarmodulen: Welcher Umwandlungsprozess?

Die Herstellung von Solarmodulen erfordert mehrere Schritte. Zunächst wird Silicium für Solarzellen produziert und zu Siliciumplatten weiterverarbeitet. Dann werden die Solarzellen als solches produziert und in Solarmodulen zusammengefügt. Zuletzt kommen das Trägersystem sowie verschiedene elektrische und elektronische Komponenten hinzu. Wir werfen zunächst einen Blick auf die Herstellung und Transformation von Silicium, dem Rohstoff aus welchem 90% der Solarmodule bestehen. Bereit für etwas Chimie?

PRODUKTIONSSCHRITTE

Silicium wird aus Kieselsäure gewonnen, die in der Natur, in Quarz oder Sand reichlich vorhanden ist. Die gebräuchlichste Methode ist die Extraktion von Silicium aus Quarz, um metallurgisches Silicium herzustellen, das dann gereinigt wird, um Solar-Silicium zu erhalten. Letzteres wird dann in Blöcke gegossen, aus denen die Siliciumplatten gezogen werden, mit denen die Zellen hergestellt werden.

SILICIUM-VEREDLUNG

Von der Kieselsäure zum metallurgischen Silicium

Aus dem im Quarz enthaltenen Silicium (SiO2) wird daher durch karbothermische Reduktion in einem Lichtbogenofen Silicium gewonnen.

Es geht eigentlich darum, Sauerstoff aus Siliciumdioxid (SiO2) zu extrahieren, indem man Quarz mit kohlenstoffhaltigen Spezies wie z.B. Kohle erhitzt. Diese Kohlenstoffarten unter Wärmeeinwirkung verbinden sich mit Quarzsauerstoff zu Kohlenmonoxid (CO) und dann zu Kohlendioxid (CO2). Die für die Reaktion erforderliche Wärme wird durch die Lichtbögen bereitgestellt, die durch die im berühmten Ofen enthaltenen Elektroden erzeugt werden. Am Ende dieses Prozesses wird metallurgisches Silicium (MG Si) gewonnen, das noch nicht für die Herstellung von Solarmodulen geeignet ist.

Reinigung von metallurgischem Silicium

Es ist notwendig, metallurgisches Silicium zu reinigen, um ein solares Silicium zu erhalten, das für die Herstellung von Zellen verwendet werden kann. Diese Reinigung kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden, aber der chemische Weg ist am weitesten verbreitet.

Chlor wird im Prinzip wegen der starken Anziehungskraft von Siliciumatomen und Chloridionen (Cl-) eingesetzt. Diese Verbindungen werden dann durch Destillation und thermische Zersetzung gereinigt.

KRISTALLISATION UND PLATTENBILDUNG

Das im vorherigen Schritt gewonnene solare oder polykristalline Silicium wird dann geschmolzen und zu Barren rückverfestigt. Aus diesen Blöcken werden schließlich die Siliciumwafer geschnitten, aus denen die Zellen hergestellt werden. Tatsächlich werden beim Schmelzen des Siliciums Dotierstoffe zugegeben, so dass innerhalb der Zellen ein elektrischer Strom entsteht.

In diesem Stadium wird auch die Unterscheidung zwischen monokristallinen und polykristallinen Modulen vorgenommen.

Monokristallines Silicium besteht aus einem Einkristall; es wird eine Zeichnung durchgeführt, um aus einem Einkristallstamm einen zylindrischen Barren zu bilden (Czochralski-Verfahren).

Polykristallines Silicium ist ein Mosaik von Kristallen, das durch Gießen in einer Barrenform und langsames Abkühlen erhalten wird.