Silizium im Periodensystem und in der Photovoltaik

Silizium ist ein Element aus dem Periodensystem. Es gehört zur Kategorie der Nichtmetalle, wird unter der Ordnungszahl 14 geführt und mit dem Symbol Si abgekürzt. Der Schmelzpunkt von Silizium liegt bei 1683 K, der Siedepunkt bei 2628 K, sein Atomradius liegt bei 117 pm und die Elektronennegativität bei 1,7. Silizium kommt in der Natur recht häufig vor, und zwar in Verbindungen mit Sauerstoff. Die beiden Stoffe bilden den Hauptbestandteil von Silikaten, über ein Viertel der Erdkruste besteht aus Silizium. Es gibt zahlreiche Silikate, wie zum Beispiel Inselsilikate, Kettensilikate, Schichtsilikate, Ringsilikate und weitere mehr. Einige Silikate sind wichtige Baumaterialien, nämlich Quarzsand und Tone. Ein Gros der Gebrauchskeramiken basiert auf Ton, als Kern für Deiche und Dämme werden oft wasserdichte Tone gebraucht, Glas wird aus Sand hergestellt. Bei Raumtemperatur ist das elementare Silizium ziemlich träge in seiner Reaktion. Dies liegt daran, dass es eine Schutzschicht aus Siliziumdioxid bildet. Im überwiegenden Teil seiner Verbindungen ist Silizium vierwertig, es ist meist tetraedisch von anderen Atomen umgeben und bildet nur sehr selten Ketten beziehungsweise Mehrfachbindungen mit sich selbst. Lediglich Silicen stellt eine Ausnahme dar. Während die zum Bauen nutzbaren Silikate in der Regel einfach mit einem Bagger abgebaut werden können, ist die Gewinnung von elementarem Silizium etwas komplizierter. Zumeist wird es zunächst als Ferrosilizium gewonnen, diese Legierung erhält man, indem Quarzsand gemeinsam mit Stahlschrott in einem Lichtbogenofen mit hochreinem Koks reduziert wird. Für diese Prozedur sind große Mengen elektrischer Energie vonnöten. Auch mit reinem Aluminium können Silikate reduziert werden. Soll Silizium als Halbleitermaterial dienen, muss es hochrein sein. Um dieses zu erhalten, muss erst Rohsilizium zu Tetrachlorsilan beziehungsweise Trichlorsilan umgesetzt werden, dieses dann gründlich destilliert und schließlich mit Hilfe von Zink wieder Silizium rückgewonnen werden. Durch weitere Reinigungsprozesse kann die Reinheit des Siliziums gesteigert werden. Als Halbleiter spielt Silizium eine bedeutende Rolle, darüber hinaus wird es als Legierungsbestandteil für Aluminiumbauteile genutzt. Legierungen mit Silizium schrumpfen kaum, wenn sie abkühlen, weisen weniger Mikrorisse auf als andere Legierungen, sind hart und widerstandsfähig. Kunststoffe, die aus Silizium-Sauerstoff-Verbindungen bestehen, werden Silikone genannt. Sie werden zum Beispiel als Dichtungsmaterialien, Schmierstoffe und Formteile genutzt.1 Als Halbleiter besitzt Silizium außerdem eine immense Bedeutung in der Photovoltaik, die am weitesten verbreiteten Solarzellen bestehen aus kristallinem Silizium.2

Solarzellen aus Silizium in der Photovoltaik

In der Photovoltaik, also bei der Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie, ist Silizium bislang unabkömmlich. Aus dem Halbleitermaterial werden Solarzellen hergestellt, die zu Modulen zusammengefügt in Photovoltaikanlagen integriert werden. Kommerziell produzierte Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent, es gibt jedoch bereits Prototypen, die deutlich mehr Leistung erbringen.3 Die Verwendung von Silizium in der Photovoltaik wird beständig weiterentwickelt. Der Markt der solaren Energieerzeugung ist von kristallinen Siliziumwafern, millimeterdicken Scheiben, geprägt. Um den Wirkungsgrad zu steigern, wird in diverse Richtungen geforscht. Entwickelt werden zum Beispiel kristalline Dünnschichtsolarzellen, in denen Silizium Verwendung findet. Des Weiteren werden Bauelemente, die auf Silizium basieren, mit anderen Materialien kombiniert, um den Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen zu erhöhen. Vielversprechend in dieser Hinsicht erscheint die Kombination mit Perowskiten.4 Am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme wurde eine Mehrfachsolarzelle auf Siliziumbasis entwickelt, mit Hilfe derer ein Drittel der im Sonnenlicht enthaltenen Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Dieser hohe Wirkungsgrad wird durch einen mehrschichtigen Aufbau der Solarzelle erreicht. Die übereinanderliegenden Teilschichten bestehen aus Gallium-Indium-Phosphid, Gallium-Arsenid beziehungsweise Silizium und sind durch Tunneldioden verschaltet. Die Herausforderungen bei dieser Technik liegen darin, die Kosten zur Herstellung weiter zu senken, damit die Mehrfachsolarzellen auch für die industrielle Fertigung geeignet sind.5

Recycling und weitere Verwendung von Silizium

Auch wenn Silizium in großen Mengen in der Natur vorkommt, ist die Ressource endlich. Da das Material ein ausgesprochen hochwertiges Produkt ist, sollte es nicht verschwendet werden. In diesem Sinne wird erforscht, wie Silizium aus Photovoltaikanlagen am besten recycelt werden kann. Wissenschaftler vom Deakin-Institut in Australien haben eine Möglichkeit entdeckt, das hochwertige Material aus Photovoltaik-Solarmodulen zu extrahieren und in Nanosilizium umzuwandeln. Dieses kann zur Herstellung von Anoden für Lithium-Ionen-Batteriezellen verwendet werden. Vor allem aufgrund der weltweit steigenden Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien ist diese Art des Recyclings von großem Interesse. Automobile mit Verbrennungsmotor sollen in einigen Ländern bereits in naher Zukunft durch E-Autos substituiert werden. Das Recyclen von Photovoltaik-Modulen beinhaltet großes Potenzial, denn bisher konnten keine Unterschiede zum neu und kommerziell hergestellten Silizium ausgemacht werden.6 Verwendung könnte Silizium in Zukunft außerdem als Energiespeicher finden. Aufgrund ihrer hohen Schmelztemperatur sind Siliziumlegierungen nämlich bestens als reversible Wärmespeicher geeignet. Bei der Wärmeabgabe tritt kaum Energieverlust auf. Aus diesem Grund wird erforscht, wie auf der Basis von Silizium Speicher geschaffen werden können, die sowohl Energie aus Windkraft- als auch aus Solaranlagen speichern können, da diese beiden Stromerzeugungsarten wetterabhängigen Schwankungen unterliegen. Infrage kommen zum Beispiel sogenannte Phasenwechsel-Materialien, die durch einen Stromüberschuss zunächst schmelzen und bei Abkühlung Kristallisationswärme abgeben, aus der Strom gewonnen werden kann. Auch Mischungen mit Eisen und Bor werden getestet, gleichzeitig wird an neuen Behältermaterialien geforscht, die der großen Hitze geschmolzenen Siliziums standhalten und reaktionsträge genug sind, um langfristige Stabilität zu gewährleisten. Bisher vielversprechend ist hexagonales Bornitrid, eine ausgesprochen hitzebeständige Verbindung aus Bor und Stickstoff.7

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