Einfach erklärt
Silizium – der Rohstoff aus dem die Solarzellen sind
Die photovoltaische Stromerzeugung ist grundsätzlich mit verschiedenen halbleitenden Materialien möglich. Für die Herstellung von Solarzellen, die in privat genutzten PV-Modulen zum Einsatz kommen, wird jedoch fast ausschließlich das Halbmetall Silizium verwendet. Grund genug, sich den für die Energiewende unverzichtbaren Rohstoff mal etwas genauer anzuschauen.
Was genau ist Silizium?
Vereinfacht könnte man sagen: Silizium ist nichts anderes als Sand. Korrekt ist, dass das chemische Element Silizium (Si) den Hauptbestandteil von Quarzsand ausmacht; allerdings nicht in elementarer Form, sondern an Sauerstoff gebunden als Siliziumoxid (SiO2). Im chemischen Periodensystem gehört Silizium zur Klasse der Halbmetalle. Das heißt, es hat sowohl einige Eigenschaften von Metallen als auch von Nichtmetallen.
Sein für die Photovoltaik entscheidendes Merkmal: Silizium ist ein Halbleiter, der seine elektrische Leitfähigkeit unter Einwirkung von Licht verändert. (Wie das in einer Solarzelle funktioniert, lesen Sie hier.) In der Natur kommt Siliziumoxid nicht nur in Sand vor, sondern auch als Bestandteil zahlreicher Gesteine. Dieser Tatsache verdankt Silizium seinen Namen, abgeleitet von „Silex“ – dem lateinischen Wort für Kieselstein/Feuerstein. Auch im Wasser der Ozeane ist Silizium gelöst, zum Beispiel in Form von Kieselsäure.
Insgesamt ist Silizium, in unterschiedlichen Verbindungen, das massemäßig am zweithäufigsten vorkommende chemische Element der Erde – nach Sauerstoff. Rund 15% unseres gesamten Planeten bestehen aus Silizium. In der Erdkruste macht der Siliziumanteil sogar knapp 25,8% aus. Der Grundstoff für klimafreundliche Energiegewinnung ist also reichlich und fast überall vorhanden.
Wie wird Silizium für Solarzellen gewonnen?
Silizium wird industriell in zwei Schritten gewonnen, wobei der erste Schritt ähnlich der Eisengewinnung aus Eisenerz ist: Dem Siliziumoxid wird unter Zugabe von Kohlenstoff in einem Lichtbogenofen (Industrieofen, der unter anderem zum Einschmelzen von Metallen verwendet wird) der Sauerstoff entzogen. Bei Temperaturen von bis zu 2.000 °C sinkt das elementare Silizium dann in flüssiger Form auf den Reaktorboden ab. In einem zweiten Schritt wird es durch verschiedene Verfahren auf einen Reinheitsgrad von über 99,99% gebracht. Anschließend kann das hochreine sogenannte „Solarsilizium“ zum Beispiel zu Wafern für Solarzellen weiterverarbeitet werden (mehr dazu hier). Für diesen gesamten Herstellungsprozess – vom Sandabbau bis zur Solarzelle – werden große Mengen Energie benötigt. Häufig stammt diese nicht aus regenerativen Quellen. Deshalb wird die Klimafreundlichkeit der Photovoltaik hin und wieder von gewissen Interessengruppen in Abrede gestellt. Tatsächlich amortisiert sich eine PV-Anlage in energetischer Hinsicht jedoch schon nach 1,3 bis 4 Jahren (Quelle: Fraunhofer Institut). Das heißt, selbst im ungünstigsten Fall haben die Module nach maximal vier Jahren so viel saubere Energie erzeugt, dass die CO2-Bilanz ihrer Herstellung ausgeglichen ist.
Wo wird der Rohstoff abgebaut und zu Solarsilizium verarbeitet?
Da es Siliziumoxid buchstäblich wie Sand am Meer gibt, könnte man meinen, der Abbau und die Verarbeitung zu Solarsilizium wären überall auf der Welt problemlos möglich. So einfach ist es aber nicht. Der Sand in der Sahara kann zum Beispiel nicht für die industrielle Gewinnung von Silizium verwendet werden, da seine Zusammensetzung und Korngröße hierfür ungeeignet sind. Ideal für die Herstellung von hochreinem Solarsilizium sind Quarzgesteinkiesel mit einem sehr hohen Siliziumoxid-Anteil. Der Abbau und die Verarbeitung von siliziumoxidhaltigem Quarzsand und -gestein findet heute hauptsächlich in China statt, das bereits 80% des Weltmarkts versorgt. Diese markbeherrschende Rolle ist jedoch nicht durch die Verfügbarkeit des Rohstoffs bedingt, sondern viel mehr durch die günstigeren Produktionskosten vor Ort. Auch in Deutschland und in vielen anderen Ländern gibt es Sand- und Gesteinsvorkommen, die den Qualitätsanforderungen für die Herstellung von Solarsilizium genügen.
Wofür benötigt man Silizium außer in der Photovoltaik noch?
Nicht nur Solarzellen, sondern auch Computerchips bestehen größtenteils aus Silizium. Daher kommt übrigens auch der Name des kalifornischen „Silicon Valley“; Silicon ist das englische Wort für Silizium. Darüber hinaus wird das Halbmetall in der Stahl- und Eisenproduktion verwendet und ist in zahlreichen Baustoffen enthalten. Sogar der menschliche Körper nimmt Kleinstmengen Silizium auf, da es für die Knochenbildung benötigt wird.
Fazit
Der mit Abstand größte Teil aller Solarzellen wird aus hochreinem Silizium hergestellt – einem chemischen Element, das zu den Halbmetallen zählt. Silizium macht rund 15% der Masse unseres Planeten aus. In Form von Siliziumoxid ist es zum Beispiel in Sand und zahlreichen Gesteinen enthalten. Der Rohstoff kann daher im Prinzip in sehr vielen Ländern der Welt gewonnen werden. Trotzdem besteht gegenwärtig eine gewisse Abhängigkeit von China, dessen Siliziumproduktion aufgrund vorteilhafter Kosten einen Weltmarktanteil von mehr als 80% erreicht hat.
