Stoff für saubere Energie

Was steckt eigentlich in den Solarpaneelen? Welcher Rohstoff verwandelt Sonnenlicht – also die Photonen – in elektrischen Strom? Es ist das Element Silizium. Das Gute an diesem Rohstoff: Silizium gibt es wie den sprichwörtlichen Sand am Meer, nämlich in Hülle und Fülle. Ein weiterer Vorteil: Der Abbau findet nicht in unterirdischen Stollen statt, sondern in Sandgruben.

Für die Herstellung von Solarzellen kommen prinzipiell mehrere Materialien infrage. Tatsächlich werden jedoch 95 Prozent aller Solarzellen aus Silizium gefertigt. Rund 1,6 Millionen Photovoltaikanlagen gibt es in Deutschland – und der weitere Ausbau dieser sauberen Energiequelle wird zumindest an einem nicht scheitern: an fehlendem Silizium. Nach Sauerstoff ist Siliziumdioxid, Ausgangsmaterial für das Solarsilizium, nämlich das am zweithäufigsten vorkommende Element der Erde. Silikate machen rund ein Viertel der festen Erdkruste aus – Sand besteht vorwiegend, Quarz ganz aus Siliziumdioxid.

Die meisten Sandstrände weltweit bestehen aus diesem Quarzsand – mit wenigen Ausnahmen, zum Beispiel Muschelsand, der nichts anderes ist als der Abrieb kalkhaltiger Muschelschalen, oder die schwarzen Strände der Kanaren, die aus Vulkangestein bestehen. Auch ein Großteil der großen Sandwüsten setzt sich aus Quarzsand zusammen, etwa die arabische Rub al-Khali in der Sahara. Auch hier gibt es nur wenige Ausnahmen, etwa den Gips-Sand der White Sands in New Mexico.

Der Quarzsand, aus dem das für Solarzellen benötigte Silizium gewonnen wird, wird jedoch nicht von Stränden abgetragen, sondern in der Regel aus Gruben gefördert. Jährlich werden weltweit über 100 Millionen Tonnen abgebaut. Mit einem Weltmarktanteil von rund 25 Prozent befinden sich die größten gegenwärtig genutzten Vorkommen an Quarzsand in den USA, gefolgt von Slowenien, Deutschland, Österreich, Spanien und Frankreich.

Allein in Deutschland werden Jahr für Jahr zwölf Millionen Tonnen Quarzsand geschürft, von denen etwa zwei Drittel exportiert werden. Abgebaut wird der Quarzsand hierzulande beispielsweise in Frechen bei Köln, im Fuldatal, im Harz, in Sachsen oder im Bayerischen Wald.

Silizium, wie es in der Natur vorkommt, ist allerdings nicht direkt zum Bau von Solarzellen geeignet. Es muss vorher zwei Arbeitsschritte durchlaufen. Der Grund: Silizium bildet im Rohzustand eine Kristallstruktur aus, in der alle Elektronen in den Gitterverband eingebunden sind. Somit stehen sie nicht zur Leitung elektrischer Energie bereit. Für eine höhere Leitfähigkeit wird das Silizium also zunächst mit Fremdelementen wie Aluminium oder Phosphor „verunreinigt“ (im Fachjargon: „dotiert“).

Im zweiten Schritt wird das Silizium dann in eine möglichst homogene Kristallstruktur gebracht. Dieser Schritt ist entscheidend für den Preis und die Qualität des Endproduktes. Je nach Verfahren entsteht so polykristallines Silizium, monokristallines Silizium, mikrokristallines Silizium oder amorphes Silizium, das schließlich zu Wafern und Solarzellen weiterverarbeitet werden kann.

Polykristallines Silizium wird am häufigsten für Solarzellen verwendet. Es ist mit Wirkungsgraden von 17 bis 19 Prozent zwar nicht ganz so leistungsfähig wie monokristallines Silizium, dafür ist es kostengünstiger und bietet so das beste Preis-Leistungs-Verhältnis.

Obwohl es Silizium wortwörtlich wie Sand am Meer gibt und die Verfügbarkeit des Rohstoffs für den weiteren Ausbau der Photovoltaik kaum ein Problem darstellt, ist die benötigte Menge Silizium bei der Modulproduktion in den letzten Jahren zurückgegangen. Ursache ist das erfolgreiche Bemühen der Hersteller, kontinuierlich die Effizienz zu steigern und beispielsweise immer dünnere Solarwafer zu bauen.