Kurs: Technik, Energie und Nachhaltigkeit | OnCourse UB

  • Lektion 3

    • Herstellung einer Solarzelle und PV-Modul-Generationen

      Die meisten Solarzellen weltweit werden auf der Basis des Halbleitermaterials Silizium hergestellt. Silizium ist das zweithäufigste chemische Element auf der Erde. Damit ist Silizium nicht knapp, aber die weltweite Produktion findet regional stark konzentriert statt. Damit verbunden sind hohe Preis- und Lieferrisiken auf dem Weltmarkt. Silizium wird überwiegend aus Quarzkies gewonnen, der in Sandgruben oberflächlich abgetragen wird.

      Silizium(dioxid)

      Zur Gruppe der Quarzrohstoffe zählen natürliche mineralische Rohstoffe mit einem Siliziumdioxid (SiO2)-Gehalt im Allgemeinen > 95%. Quarzkies ist Siliziumdioxid in kristalliner Form. Diese enthalten 46% Silizium (Si) und 53% bimolekularen Sauerstoff (O2). Geeignete Quarzrohstoffe müssen > 99,5% SiO2, < 0,30% Aluminiumoxid (Al2O3), < 0,05% Eisenoxid (Fe2O3) und < 0,010% Titanoxid (TiO2) enthalten (DERA 2023). Wüsten- oder Sand von Meeresstrand eignet sich nicht für die Gewinnung.

      Man unterscheidet technisches bzw. Rohsilizium mit 98 – 99% Reinheit und Reinstsilizium, welches für Anwendungen in der Photovoltaik eine Reinheit von mindestens 99,9999% und in der Elektronik (Chipherstellung) von mindestens 99,9999999% aufweisen muss.


      Im Jahr 2022 beliefen sich Chinas Marktanteile bei der Produktion von Polysilizium und Siliziumwafern (dünne Scheiben aus Silizium) auf ca. 85%, bei Solarzellen auf knapp 60% und bei Solarmodulen auf ca. 70%. Ende 2023 fand 75% der Siliziumerzeugung in China statt, im Vergleich dazu erzeugt in Deutschland die einzige Siliziumhütte in Pocking (Bayern) nur 0,6% der Welterzeugung (vgl.: VDI, DERA 2023).
      Der weltweit zweitgrößte Produzent von Polysilizium ist die Wacker Chemie AG mit Produktionsstandorten in Deutschland in Burghausen/Bayern und Nünchritz/Sachsen. 

    • Die Produktion von Solarzellen ist sehr energieintensiv. Die Quarzrohstoffe müssen zunächst auf eine Korngröße von 16-100 mm zerkleinert werden. Lediglich Quarzrohstoffe wie Gangquarze, Quarzkiese, Quarzite sind aufgrund ihrer Hohlräume geeignet. Quarzsand kommt deshalb nur bei der Glasproduktion zum Einsatz. 

      In einem ersten Schritt werden in einem Elektrolichtbogenofen sehr hohe Temperaturen eingestellt, rund 2.000° Celsius. Das Silizium wird karbothermisch reduziert, d.h. unter Zugabe von Kohlenstoff (Kokskohle, Holzkohle, Holzhackschnitzel) entsteht ein Reinheitsgrad von mind. 98,5% Silizium, das sogenannte Rohsilizium. Aus dem Abstich des Ofens wird flüssiges Silizium mit einer Temperatur von 1.600° Celsius entnommen, gereinigt, abgegossen und in einem Tiegel erstarrt. Pro Tonne Rohsilizium wird rund 12 500 kWh Strom benötigt (vgl.: VDI, DERA 2023).

      Für den Solarzellenbau bedarf es eines Rohstoffes mit einem noch höheren Reinheitsgrad (polykristallin = Polysilizium, Reinheitsgrad 99.9%), hergestellt z.B. in einem Wirbelschichtofen. Dieses geschieht überwiegend nach dem Siemens-Verfahren. Das Rohsilizium wird gemahlen und mit Chlorwasserstoff behandelt und reagiert zu Trichlorsilan, einer wasserklaren Flüssigkeit. Das Trichlorsilan wird destilliert, anschließend in einem Glockenreaktor zersetzt und hochreines Silizium abgeschieden. Das Endprodukt ist Polykristallin (genannt Polysilizium), der Reinheitsgrad erhöht sich hierbei auf bis zu 99,9999%. Damit ist es als Solarsilizium geeignet. Moderne Wirbelschichtreaktoren lassen heute den hohen Energieaufwand des Siemens-Verfahrens reduzieren. Aus dem Polysilizium können bereits Solarzellen hergestellt werden. Das hergestellte Polysilizium wird geschmolzen und in quadratische Blöcke gegossen. Der geschmolzene Block wird in quadratische Zylinder geschnitten und dann in dünne Scheiben (Wafer) zerlegt.

      Für Anwendungsbereiche in der Mikroelektronik kann eine weitere Veredlung durch die Schmelze des Polysiliziums bei 1.420° Celsius erfolgen. In die Schmelze wird ein Impfkristall als Stab (2 m lang, 30 cm dick) eingetaucht, und ähnlich wie beim Kerzenziehen drehend herausgezogen (Czochralski-Verfahren). In die Schmelzmasse kann gleichzeitig die später benötigte Verunreinigung (Bor, Phosphor) eingebracht werden, um die Leitfähigkeit der später erzeugten Halbleiterschichten für Chips oder Solarzellen zu erzeugen. Die abgekühlten Stäbe werden später zu sogenannten Wafern in hauchdünne Scheiben (300 µm = 0,3 mm dünne Scheiben) geschnitten. Das Problem war bei dieser Herstellung bisher der hohe Sägerestabfall, der zwischen 30-50% betragen kann. Mittlerweile gibt es serienreife Recycling-Verfahren, sodass heute bei der Waferproduktion weniger Rohsilizium verloren geht.


      Arten von Solarzellen

      1. Monokristalline Solarzellen werden im Herstellverfahren aus reinem Silizium gewonnen, das zu einem einzelnen Siliziumkristall (mono) herangezüchtet wird. Sie erreichen den höchsten Wirkungsgrad (25,6%) und sind etwas teurer als polykristalline Solarzellen. Sie sind von der Farbgebung einheitlich dunkel. Monokristalline Solarzellen werden aus Wafern (einkristalline Siliziumscheiben) hergestellt, wie sie auch für die Halbleiterherstellung verwendet werden.
      2. Im Vergleich dazu sind polykristalline Solarzellen (bei der Herstellung entstehen bei der Siliziumverarbeitung eine Vielzahl (poly) von Kristallen) kostengünstiger herstellbar, aber im Wirkungsgrad etwas schlechter (20,8%). Sie werden im Gießverfahren hergestellt und haben eine inhomogenere Kristallstruktur. Sie sind durch eine hellere blaue Färbung erkennbar.
      3. Bifaziale Solarmodule werden aus monokristallinen oder polykristallinen Solarzellen gefertigt. Sie nutzen das Sonnenlicht von beiden Seiten und enthalten zusätzlich eine transparente Rückseite, die aus einer Folie oder zweiten Glasschicht bestehen kann. Wichtig ist ein heller Untergrund, der Rückstrahleffekt, genannt Albedo, beeinflusst den Mehrertrag, der 15-25% betragen kann.

      4. Dünnschichtsolarzellen werden entweder aus amorphem Silizium, Cadmiumtellurid, Galliumarsenid, Kupfer-Indium-Selenid, Kupfer-Gallium-Disulfid (CIGS) oder mikrokristallinem Silizium hergestellt. Die Waferherstellung entfällt hier, das Material wird auf ein Trägermaterial (Glas, Metall oder flexible Kunststoffe) aufgedampft (Hochvakuum- oder Sprühverfahren). Die Schichtdicken betragen weniger als 1 µm. Die Vorteile von Dünnschichtzellen liegen bei einer preiswerteren Fertigung, Rohstoffersparnissen, hoher Ausbeute bei diffusem Licht, geringerem Gewicht und ausbleibender Verluste bei Wärme. Nachteilig ist ihr geringer Wirkungsgrad von nur 10 bis 13% (im Labor bis 18%), die schwierigere Recycelbarkeit mechanisch nicht trennbarer Dünnschichten und die Schwermetallanteile einiger Zellentypen.
      5. Farbstoffsolarzellen haben eine geringe Effizienz und Lebensdauer. Der photovoltaische Effekt wird hier auf der Basis der Dotierung mit organischen Farbstoffen erzeugt. Die dünnen Halbleiter-aktiven Schichten bieten den Vorteil des Fixierens auf flexiblen Oberflächen wie Kunststoff oder Textilien. Die Forschung und Entwicklung zu neuen Solarzellentypen lässt gegenwärtig noch nicht erkennen, ob und wann es einen relevanten Technologiesprung weg von den Solarzellen der ersten und zweiten Generation geben wird.

      Herstellung einer Solarzelle

      Im folgenden Video wird Ihnen die Herstellung einer Solarzelle noch einmal erläutert:

      (Beachten Sie: Mit dem Abspielen des Links werden Sie auf YouTube weitergeleitet, Sie stimmen damit den Datennutzungen dieses Unternehmens zu. Die Weiterleitung und das Anschauen der Inhalte ist freiwillig.)



      Übersicht der Solarzellentypen


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