150 Jahre Periodensystem: Sonne tanken mit Silizium
Das Periodensystem wird dieses Jahr 150 – deshalb stellen unsere Professorinnen und Professoren einige Elemente näher vor. In Ausgabe drei spricht Prof. Dr. Konrad Mertens über Silizium – es ist die Basis für unsere Photovoltaik-Module auf dem Dach.
Prof. Dr. Konrad Mertens ist Experte für Photovoltaik und hat deshalb natürlich ein Silizium-Modell in seinem Büro. (Foto: FH Münster/Theresa Gerks)
Rohsilizium als Pulver lässt seine metallische Herkunft erahnen. (Foto: FH Münster/Theresa Gerks)
Silizium ist auch ein Muss für Computerchips aller Art, wie bei diesem Wafer. (Foto: FH Münster/Theresa Gerks)
Herr Prof. Mertens, aus Sonnenkraft umweltfreundlich und klimaneutral Strom zu gewinnen, das ist eine gute Sache. Man hört aber immer wieder, dass für die Produktion von Solarmodulen, die man dafür nun mal benötigt, sehr viele wertvolle Ressourcen verbraucht werden. Was ist da dran?
Das ist ein Gerücht, das sich leider nach wie vor hartnäckig hält. Ein Solarmodul auf dem Dach besteht aus insgesamt 60 Solarzellen, und die einzelnen Zellen darin fast ausschließlich aus Silizium. Und Silizium ist auf unserem Planeten ohne Ende vorhanden – es ist das zweithäufigste Element nach Sauerstoff! Auf die hauchdünn geschnittenen Silizium-Platten kommt für ein Modul noch eine Glasschicht, die sehr gut schützt, eine Rückseitenfolie und dazu noch ein paar Kabel, das war es auch schon. Um begrenzte Ressourcen brauchen wir uns in diesem Fall wirklich keine Gedanken machen. Übrigens erzeugt ein Solarmodul in weniger als 1,5 Jahren die Energie, die zu seiner Herstellung benötigt wurde. Danach kann es dann mehr als 20 Jahre praktisch ohne Emissionen weiter Strom produzieren.
Wo kommt Silizium denn vor und wie wird es gewonnen?
Silizium kommt in der Erdhülle in Form von Quarzsand vor und wird weltweit in Steinbrüchen gefördert. In diesem Quarzsand liegt es als Siliziumdioxid vor, also in einer Kombination mit Sauerstoff. Zunächst muss der Sauerstoff raus aus dem Quarzsand. Hierzu bringt man ihn unter Zugabe von Kohle zum Schmelzen und erhält das metallurgische Silizium, das auch in der Stahlindustrie verwendet wird. Für den Einsatz in Solarzellen muss das Silizium allerdings in sehr reiner Form von 99,999 Prozent vorliegen. Das heißt, nur maximal jedes hunderttausendste Atom darf ein Fremdatom sein. Für Computerchips reicht das übrigens noch nicht aus, hier darf nur jedes Milliardste Atom nicht aus Silizium sein. Die Reinigung von Silizium erfolgt dann durch mehrmalige Destillation.
Das hört sich nach einem sehr vielseitigen Element an. Was gibt es noch für Verwendungszwecke?
Reines Silizium ist eigentlich langweilig. In rohem Zustand leitet es nicht gut, es ist ein sogenannter Halbleiter. Aber in Kombination mit Fremdatomen ändert sich das. Man setzt also gezielt neue Atome in das Silizium ein, um aus einem Halbleiter einen Leiter zu machen, dieser Vorgang nennt sich Dotierung. Und dieses Prinzip kam mit dem ersten Transistor so richtig in Gang, er wurde 1949 erfunden. Ein Transistor steuert in einem elektronischen Schaltkreis Spannung und Strom. 1954 wurde dann schon die erste Solarzelle präsentiert. Mittlerweile ist Silizium auch das Standardmaterial in der Mikroelektronik, zum Beispiel für Computerchips und Wafer. Das sind kreisrunde Scheiben, auf denen Tausende von elektronischen Bauelementen aufgebracht werden. Und übrigens: Silizium wird nicht für Silikon verwendet. Da gibt es immer wieder Verwechslungen, weil Silizium auf Englisch „silicon“ heißt – Silikon dagegen im Englischen „silicone“…