Vom Sand zu Solarmodulen: Enthüllung der Reise der Solarmodulherstellung

Jun 09, 2023

iStock/Alexsl

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2023. Die Welt strebt einen Übergang zu nachhaltigeren Energiequellen an und verringert ihre Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Infolgedessen werden erneuerbare Energien immer beliebter. Tatsächlich prognostiziert das internationale Wirtschaftsprüfungsunternehmen BDO Global, dass bis 2024 fast 33 Prozent des weltweiten Stroms aus erneuerbaren Quellen erzeugt werden.

Insbesondere Solarenergie ist eine der vielversprechendsten Optionen für saubere Energie, und ihre Nutzung nimmt weltweit rasant zu. Einige Quellen berichten, dass Solarenergie inzwischen mehr als die Hälfte der neuen Erzeugungskapazität in den USA ausmacht.

In diesem Zusammenhang ist es wichtig, sich besser mit Solarmodulen vertraut zu machen. Eine der überraschendsten Tatsachen an ihnen ist, dass sie tatsächlich aus Sand bestehen. Aber wie verwandelt sich Sand in Sonnenkollektoren?

Hier finden Sie alles, was Sie über die Technik hinter der Silizium-Photovoltaik-Technologie wissen müssen.

Sand ist einer der Hauptrohstoffe bei der Herstellung von Solarmodulen.

Im Gegensatz zu anderen Rohstoffen ist Sand ziemlich gewöhnlich und in den meisten Teilen der Welt weit verbreitet. Es ist jedoch nicht unendlich. Laut CNBC ist Sand nach Wasser die am meisten verbrauchte natürliche Ressource, und es könnte bald zu einer Sandknappheit kommen.

Das liegt nicht an der Herstellung von Solarmodulen, sondern daran, dass der Bausektor einen hohen Bedarf an Sand hat. Schließlich wird Sand als Feinzuschlagstoff bei der Betonherstellung verwendet.

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Sand ist außerdem einer der Hauptrohstoffe für das Glas unserer Fenster und der Bildschirme unserer Smartphones sowie einer der Rohstoffe für Siliziumchips in Telefonen, Computern und anderen elektronischen Geräten.

Sand hat mehrere Eigenschaften, die ihn für all diese Anwendungen geeignet machen:

Sand besteht aus Körnern und diese Körner können Lücken in Zementpartikeln füllen, weshalb er zur Herstellung von Beton mit Kies vermischt wird. Sand verleiht Beton strukturelle Festigkeit.

Der hohe Quarzgehalt im Sand ermöglicht es ihm, bei hohen Temperaturen zu schmelzen und ein geschmolzenes Glasmaterial zu bilden. Beim Abkühlen behält das Glas seine Transparenz und ermöglicht so die Durchlässigkeit von Licht, Schutz und Isolierung.

Die aus Sand gewonnene kristalline Struktur von Silizium verfügt über einzigartige Halbleitereigenschaften, die eine hohe Kontrolle des Flusses elektrischer Ströme ermöglichen – weshalb Silizium in elektronischen Geräten vorhanden ist. Es ist eine Schlüsselkomponente von Dioden, Transistoren und Schaltkreisen.

Gerade bei der Herstellung von Solarmodulen reicht jedoch nicht jeder Sand aus. Der verwendete Sand muss einen hohen Siliziumdioxidgehalt aufweisen. Dies ist wichtig, da Siliziumdioxid die primäre Siliziumquelle ist und für die Waferproduktion unerlässlich ist, wie wir weiter unten erläutern werden.

Für den Bau von Solarmodulen muss siliziumhaltiger Sand aus natürlichen Lagerstätten wie Sandminen oder Steinbrüchen gewonnen werden, wo der Sand häufig aus Quarz, einer Form kristalliner Kieselsäure, besteht.

Der Sand wird gewaschen, um Verunreinigungen wie Ton, organische Stoffe und andere Mineralien zu entfernen. Anschließend wird es mit chemischen Verarbeitungsmethoden veredelt. Eine gängige Methode ist die Säurelaugung, bei der der Sand mit einer Säurelösung – etwa Schwefelsäure – vermischt wird, um Verunreinigungen aufzulösen und die Kieselsäure abzutrennen.

Anschließend wird die Kieselsäure auf hohe Temperaturen erhitzt, typischerweise in einem Ofen, um alle organischen Rückstände zu entfernen und sie in hochreines Siliziumdioxid umzuwandeln.

Hochreines Siliziumdioxid ist der Schlüssel zur Herstellung von Polysilizium, auch polykristallines Silizium genannt. Diese hochreine Form von Silizium wird als Rohstoff für Solarzellen verwendet.

Dazu wird gereinigter Quarzsand mit kohlenstoffreichen Materialien wie Kohle oder Petrolkoks vermischt. Anschließend wird die Mischung bei hohen Temperaturen einem Chlorgasstrom ausgesetzt, wodurch Trichlorsilan (SiHCl3) entsteht. Dieser Vorgang wird Chlorierung genannt.

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Trichlorsilan, das Ergebnis der Chlorierung, wird mit Destillations- und Reinigungstechniken weiterverarbeitet. Beim Destillationsprozess wird das Trichlorsilan erhitzt, um es in seine Bestandteile zu zerlegen. Das gereinigte Trichlorsilan wird durch Reaktion mit Wasserstoffgas (H2) wieder in hochreines Silizium umgewandelt. Das Ergebnis dieses Prozesses ist Polysilizium.

Die Herstellung von Polysilizium erfordert strenge Qualitätssicherungsmaßnahmen, um den hohen Reinheitsgrad sicherzustellen, der für eine optimale Leistung von Solarzellen erforderlich ist.

Das Polysilizium wird in einem Tiegel oder Ofen unter kontrollierten Bedingungen geschmolzen. Das geschmolzene Polysilizium wird sorgfältig auf hohen Temperaturen gehalten, um Gleichmäßigkeit und Konsistenz zu gewährleisten.

Das geschmolzene Polysilizium wird dann durch einen Kristallwachstumsprozess, der als Czochralski-Methode (CZ) bekannt ist, verfestigt. Ein Impfkristall, meist aus einem Einkristall aus hochreinem Silizium, wird in das geschmolzene Polysilizium getaucht und unter Rotation langsam herausgezogen. Wenn der Impfkristall angehoben wird, bildet er eine zylindrische Form und zieht das geschmolzene Polysilizium an. Diese flüssige Masse wird im gerichteten Erstarrungsprozess abgekühlt, bis ein großkörniger multikristalliner Siliziumblock entsteht.

(Manchmal wird ein weniger verbreitetes Verfahren verwendet, bei dem gasförmige Siliziumverbindungen verwendet werden, um eine dünne Schicht aus Siliziumatomen auf einer kristallinen Schablone in Form eines Wafers abzuscheiden.)

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Anschließend werden die Siliziumbarren mithilfe präziser Sägetechniken mechanisch in dünne, kreisförmige Wafer geschnitten. Diese Wafer sind typischerweise etwa 200–300 Mikrometer dick und haben einen Durchmesser von 150–200 Millimetern. Noch effizienter sind größere Wafer – mit Durchmessern ab 300 Millimetern.

Die geschnittenen Wafer müssen mehreren Oberflächenbehandlungsprozessen unterzogen werden, um etwaige Verunreinigungen, Rauheiten oder Fehler zu beseitigen. Dazu gehören chemisches Ätzen, um mechanische Schäden an der Waferoberfläche zu entfernen, Polieren mit Aluminiumoxid-Schleifmittel in einer Läppmaschine, um die Oberflächenparallelität zu verbessern, und Reinigen, um sicherzustellen, dass die Waferoberfläche glatt, sauber und für die nachfolgende Verarbeitung optimiert ist.

Die gereinigten und geprüften Wafer werden dann mit bestimmten Materialien wie Phosphor oder Bor dotiert, um verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften zu erzeugen.

Nach der Dotierung durchlaufen die Wafer einen Passivierungsprozess, um ihre Effizienz zu verbessern und die Oberflächenrekombination zu reduzieren. Bei der Passivierung wird eine dünne Schicht aus isolierendem Material wie Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid auf der Waferoberfläche abgeschieden, um die Rekombination von Elektronen und Löchern zu minimieren und so die Gesamtleistung der Solarzellen zu verbessern.

Die aus den Siliziumbarren hergestellten Wafer dienen als Bausteine ​​für einzelne Solarzellen. Diese Wafer werden einer weiteren Fertigung unterzogen, einschließlich des Aufbringens von Kontakten, Antireflexionsbeschichtungen und anderer wichtiger Schichten, der Einkapselung mit Glas- und Polymer-Einkapselungsmitteln und der Laminierung, um sie in voll funktionsfähige Solarzellen umzuwandeln.

Das fertige Paneel verfügt über einen Rahmen, Kantenversiegelung und eine Anschlussdose. Es werden auch Elektrokabel verlegt, die den Strom von einem Panel zum nächsten transportieren.

Diese miteinander verbundenen, gekapselten und zusammengebauten Solarzellen bilden komplette Solarmodule oder -paneele, die dann in Häusern und anderen Gebäuden installiert werden.