Vom Quarzgestein zur Solarzelle

Die Herstellung von Photovoltaik-Modulen ist keine einfache Sache: Sowohl die Behandlung der Materialien wie auch die Weiterverarbeitung erfordert enormen Aufwand, bis Energie von der Sonnenkraft gefördert werden kann.

Der Grundstoff sowohl für die Solarzellen- als auch für die Microchipfertigung ist Quarz in Kiesform. Um nun daraus hochreines Metall zu erhalten, wandelt man den Quarz, der zuvor mit Kohle und Holz vermischt wird, in einem elektrischen Lichtbogenofen bei 1.650°C um und es entsteht daraus das metallische Rohsilizium. Als Nebenprodukt fällt Siliziumoxid in feinsten Perlen an, das u.a. als temperaturbeständiger Füllstoff in keramischen und feuerfesten Erzeugnissen, Wärmedämmstoffen und Mörteln Verwendung findet.

Extremer Reinheitsgrad

Nur „rein“ ist aber noch zu wenig, denn das so gewonnene Silizium weist für Solarzellen (und Microchips in der Computertechnik) noch viel zu viele Verunreinigungen auf. Es muss daher in mehreren Verfahren chemisch gereinigt und mit viel Energieaufwand zu reinstem polykristallinem Silizium umgewandelt werden, das anschließend in Blöcke gegossen wird. Jetzt hat das Silizium-Metall bereits einen Reinheitsgrad von nur einem fremden Atom pro 10 Milliarden (!) Siliziumatome.

Zu Stäben gezogen

Man sollte meinen, dass dies völlig ausreichend ist, aber vielen technischen Anforderungen genügt das immer noch nicht. Für solche Verwendungszwecke muss das Silizium ein ganz gleichmäßiges Kristallgitter bilden, in dem alle Atome exakt die gleichen Abstände und Winkel zueinander haben. Solche Eigenschaften besitzen aber nur Kristalle, die in einem Stück gewachsen sind.Das polykristalline Silizium wird daher nochmals geschmolzen. In die Schmelze wird ein Impfkristall eingetaucht und unter langsamem Drehen wieder herausgezogen. Die dabei entstehenden zylinderförmigen Stäbe aus monokristallinem Silizium sind bis zu zwei Meter lang und 30 Zentimeter dick. Durch Hinzufügen kleinster Mengen fremder Stoffe wie Bor oder Phosphor (Dotierung) lässt sich die geforderte Leitfähigkeit des Endproduktes – Solarzelle oder Chip – exakt einstellen.

In Scheiben geschnitten

Anschließend werden die Stäbe in dünne Scheiben, so genannte Wafer, geschnitten und gezielt mit Spuren bestimmter leitender Substanzen versetzt (Dotierung). Darüber hinaus müssen elektrische Kontakte auf den Wafern angebracht werden. Damit möglichst viel Licht in die Solarzelle eindringen kann, werden die Zellen an der Oberfläche mit einer Antireflexbeschichtung versehen, die das ursprünglich metallischgraue Silizium blau bis schwarz einfärbt.

Die Spannung einer einzelnen Solarzelle liegt unter 1 Volt. Um praktisch nutzbare Spannungen zu erhalten, müssen daher mehrere Zellen durch Verlöten der Zellenkontakte zu Gruppen und diese wiederum zu noch größeren Verbänden (Photovoltaikmodulen) zusammengeschaltet werden.

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Autor:

Datum: 21.05.2012

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