Der Stoff aus dem die Träume sind: Silizium

Der Stoff aus dem die Träume sind: Silizium
Wo kommt das Silizium für die Solarzellen her? Gibt es dafür ausreichende Produktionskapazitäten?
Sand, Mikrochips und Solarzellen:
Nicht nur, dass alle drei aus dem Alltag der Zukunft nicht mehr wegzudenken sind. Alle drei bestehen aus dem Element Silizium. Silizium ist das Element, das nach Sauerstoff am häufigsten auf der Erde vorkommt. Es wird in Niederschachtöfen aus Seesand oder Felsenquarz gewonnen. Dieses “Rein-Silizium” hat einen Reinheitsgrad von 98 – 99,5%. Es muss nun für die Verwendung in der Chipindustrie noch weiter gereinigt werden, so dass es einen Reinheitsgrad von 99,9999999% hat. Das Verfahren, das für eine derartige Reinigung angewandt werden muss, ist sehr teuer und aufwendig. Daher liegt der Preis für dieses sog. Prime-Silizium zwischen 40 und 50 US$ je kg.
Solarsilizium
Bisher war ausschließlich von der Siliziumproduktion für die Chipindustrie die Rede. Wo aber bekommt die Solarindustrie ihr Silizium her? Die Anforderungen an die Reinheit des Solarsiliziums sind etwa um den Faktor 100 bis 1.000 geringer. Somit kann die Solarindustrie die Abfälle der Chipindustrie verwerten, die aufgrund ihres geringeren Reinheitsgrades nicht ihren Anforderungen genügen. Da es sich bei diesem Silizium um Restposten mit geringerer Qualität handelt, ist der Kilopreis auch entsprechend geringer. Er liegt derzeit bei 20 – 25 US$ je kg. Das ist allerdings noch immer sehr hoch, denn der Preis für das Silizium spielt eine große Rolle beim späteren Systempreis. Dies gilt für die kristalline Technologie, bei der die aktive Schicht mit 300 µm relativ dick ist und beim Sägen viel Material im wahrsten Sinne des Wortes verpulvert wird.
Versorgungsengpässe?
Ein anderer Aspekt ist, dass es eventuell zu Versorgungsengpässen mit Silizium kommen könnte. Natürlich ist man bemüht, von einem teuren Rohstoff möglichst viel einzusparen. Doch das Einsparpotenzial bei kristallinen Solarzellen ist begrenzt. Mitte der neunziger Jahre brauchte man noch 20g Silizium pro Wp, heute nur noch 16g. Rein theoretisch denkbar wäre eine weitere Reduzierung auf 10g. Diese könnte man mit einer Einsparrate von jährlich 5% im Jahre 2012 erreichen. Diese Einsparung an Material wird durch den weltweiten Boom des PV-Marktes mit jährlichen Zuwachsraten von 15% bei weitem wettgemacht. Der Anteil der kristallinen Solarzellen wird in den kommenden Jahren voraussichtlich zugunsten der Dünnschichttechnologie zurückgehen. Diese Technologie hat nur etwa ein Hundertstel des Verbrauches einer kristallinen Zelle und kennt praktisch keinen Materialverlust. Eine vorsichtige Schätzung beläuft sich auf einen Marktanteil von 20% im Jahre 2010. All diese Faktoren einbezogen entsteht so im Jahre 2010 ein Materialbedarf von 8.000 t Silizium im Jahr, was eine Verdopplung der jetzigen Menge bedeutet. Kann dieser Bedarf mit Abfällen aus der Chipindustrie gestillt werden?
Der Silizium-Weltmarkt
Zur Zeit werden wegen der lahmenden Halbleiterkonjunktur nur etwa 17. 000 t Reinst-Silizium produziert. Die Abfälle decken allerdings derzeit nur etwa die Hälfte der anfallenden 4.300 t. Die andere Hälfte kommt aus der Nutzung der “product by purpose” – Linie der Siliziumproduzenten. Es werden dabei in etwa die gleichen Produktionsschritte wie bei der Produktion des Reinst-Siliziums durchlaufen, verkauft wird aber zu dem gleichen Preis wie bei den Restposten: zwischen 20 und 25 US$ pro Kilo. Verdienen lässt sich mit dieser Art der Produktion nichts, lediglich die teuren Produktionsanlagen werden ausgelastet. Sollte jetzt aber die Konjunktur der Halbleiter- Industrie wieder anlaufen, wird dieses “product by purpose” zugunsten der gewinnbringenderen Produktion für die Chipindustrie heruntergefahren. Der PV-Markt wird dann entweder mit steigenden Preisen oder mit echten Versorgungslücken konfrontiert werden. Es müssen also eigene Produktionstätten für Solarsilizium geschaffen werden.
Silizium, hochrein dotiert aus Sand gewonnener Stoff, der pro Kg ca 14 KWh benötigt und ca 550 Euro kostet.
Weltweit stellen aufgrund der hohen Anfangsinvestitionen und langen Bauzeiten für die notwendigen Öfen nur wenige Firmen Rohsilicium her.
Die größten Produzenten für Silicium sind:
Elkem (N, USA)
Invensil (F, USA) [7]
Globe Metallurgical (USA)
Rima Metal (Br)
Es gibt noch ca. 15 andere große Produzenten. In der VR China gibt es eine Reihe Werke, ie Suntech, Shunda und Motech
Die Hauptproduzenten von Reinstsilicium für die Elektronik- und Solarindustrie mit einer Reinheit von über 99,9999 % sind Wacker-Chemie aus Deutschland, die REC Gruppe aus Norwegen, Hemlock Semiconductor Corporation aus den USA, Tokuyama sowie ASiMI aus Japan.
Silicium ist im Handel sowohl als feinkörniges Pulver als auch in größeren Stücken erhältlich. Hochreines Silicium für die Anwendung in Solarpanelen oder in Halbleiterkomponenten wird in der Regel in Form von dünnen Scheiben aus Ein-Kristallen, sogenannten Silicium-Wafern, produziert.