Weniger Solarmodulabfall durch Recycling von Siliziumstaub
Siliziumwafer, jene hauchdünnen Halbleiter, die bei der Fertigung von Solarmodulen zum Einsatz kommen, werden durch Zuschneiden großer Siliziumblöcke produziert. Dieser Prozess ist jedoch unwirtschaftlich, da im Lauf des industriellen Sägeprozesses um die 50 % des wertvollen Ursprungsmaterials als feines Siliziumpulver verlorengeht. So suchten von der EU finanzierte Forscher im Rahmen des Projekts SIKELOR nach Möglichkeiten des Siliziumstaubrecyclings, um auf diese Weise in einem Industriezweig, der bereits mit dem Konkurrenzdruck durch billige Hersteller außerhalb Europas zu kämpfen hat, den Abfall zu reduzieren. „Die Dicke des Siliziumwafers beträgt etwa 10 bis 20 Mikrometer und die Dicke des Sägedrahts liegt nahezu in der gleichen Größenordnung. Das bedeutet, dass etwa die Hälfte des Materials beim Sägen als Verlust anfällt“, erklärt Projektkoordinator Sven Eckert, Physiker am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Hauptziel des Teams aus Wissenschaftlern und Industrieforschern war die Entwicklung eines einzigen Prozesses zum Verdichten und Aufschmelzen des teuren Siliziumabfalls sowie zum Abtrennen von Verunreinigungen, so dass der Abfall bei der Herstellung von Solarmodulen wiederverwendet werden kann. „Verunreinigungen reduzieren den Wirkungsgrad von Solarkollektoren. Am Ende des Recyclingprozesses braucht man sehr reine Materialien“, sagt Dr. Eckert. Verdichten und Schmelzen Das Team entwickelte zunächst einen Prozess zur Verdichtung des feinen Pulvers zu Pellets, was aber „nicht so ganz einfach ist“, wie Dr. Eckert anmmerkt, da die winzigen Partikel die Gefahr gefährlicher Explosionen bergen und nicht so leicht zu verdichten sind. Projektpartner GARBO, Italien, spezialisiert auf die Reinigung von recyceltem Silizium, verfügt über Expertenwissen für die sichere Herstellung derartiger Pellets. Kohlenstoffpartikel im Staub erzeugen jedoch als Abfallprodukt während des Schmelzprozesses kleine feste Siliziumkarbidpartikel, die entfernt werden müssen, während die Oxidationsrate auf der Oberfläche des Siliziumpulvers so gering wie möglich gehalten wird, um die Bildung von Siliziumdioxid zu verhindern. Das Projektkonsortium setzte zum Aufschmelzen der Pellets und zur Entfernung von Verunreinigungen induktives Erwärmen ein. Ein angelegtes hochfrequentes Magnetfeld bringt die elektrisch leitende Schmelze in Bewegung, wobei die Mischung auf wirkungsvolle Weise „umgerührt“, was den Sauerstoffgehalt in der Schmelze reduziert. „Das Schmelzen begünstigt die Desoxidation, aber wenn in der Schmelze Siliziumkarbid vorhanden ist, wird ein in geeigneter Weise abgestimmtes hochfrequentes Magnetfeld zur Reinigung gebraucht“, so Dr. Eckert. Die Siliziumkarbidverunreinigungen werden während dieser Stufe an den Rand des Tiegels getrieben und abgeschieden, wo sie abgefischt werden können. Weniger Verlust am Siliziumblock Bei der Umwandlung von Energie aus Sonnenlicht in Strom in Photovoltaikzellen ist Silizium relativ effizient. Dr. Eckert zufolge wird die meiste Energie bei der Siliziumherstellung selbst verbraucht und ein großer Teil davon geht als Sägemehl verloren. Mit Hilfe des von den Projektwissenschaftlern entwickelten Prozesses wird dieser Verlust von rund 50 % des Siliziumblocks auf nur 5 bis 10 % gesenkt. Diese erhebliche Einsparung wird die Wettbewerbsfähigkeit des europäischen Photovoltaiksektors verbessern. An der Universität Padua in Italien wurde ein Demonstrator zur Durchführung von Versuchen gebaut, um vor Beginn der Arbeit an der Hochskalierung des Prozesses für industrielle Einsatzzwecke die Zuverlässigkeit der Technologie nachzuweisen.
Schlüsselbegriffe
SIKELOR, Siliziumabfall, Solarenergie, Sonnenenergie, Recycling, Wiederverwertung
