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Silizium für die Photovoltaik schneller reinigen

03.06.1998 - (idw) Ruhr-Universität Bochum

Bevor 'sonniger Sand' durch Steckdosen fließen kann, muß er zu Solarsilizium gereinigt werden. In einem vom NRW-Wissenschaftsministerium (MWF) geförderten Projekt optimieren Prof. Dr. Martin Muhler und seine Mitarbeiter (Technische Chemie, Fakultät für Chemie der RUB) ein Verfahren, um Sand schneller und kostengünstiger für die Photovoltaik zu reinigen.

Bochum, 03.06.1998
Nr. 115

Strom ... wie Sand am Meer
RUB-Chemiker reinigen Sand für Photovoltaik
Projekt der Solar AG vom Wissenschaftsministerium gefördert


Bevor 'sonniger Sand' durch Steckdosen fließen kann, muß er zu Solarsilizium gereinigt werden. In einem vom NRW-Wissenschaftsministerium (MWF) geförderten Projekt optimieren Prof. Dr. Martin Muhler und seine Mitarbeiter (Technische Chemie, Fakultät für Chemie der RUB) ein Verfahren, um Sand schneller und kostengünstiger für die Photovoltaik zu reinigen. Außerdem sucht er nach einem Katalysator, der einen Teilschritt des Verfahrens weiter beschleunigen kann. An diesen Optimierungsarbeiten sind weitere Institute im Ruhrgebiet beteiligt.

Sonnenenergie - umweltfreundliche und zukunftsträchtig

Solarzellen sind in Uhren, Taschenrechnern, Satelliten kaum wegzudenken, auf Dächern sieht man sie immer häufiger. Sonnenenergie ist umweltfreundlich und wird daher immer mehr eingesetzt. Die Nachfrage nach Solarzellen steigt so, daß die Siliziumproduktion kaum ausreicht. Solarzellenhersteller bezogen lange Reinstsilizium von der Elektronikindustrie. Bei der Herstellung von Computerchips wird so reines Silizium benötigt, daß bei seiner Aufbereitung jede Menge Abfallprodukte entstehen. Sie sind für Solarzellen rein genug.

Reinst? Nein! Rein reicht

Silizium ist das häufigste auf der Erde vorkommende Element, allerdings nicht rein, sondern in Verbindung mit Sauerstoff - als Siliziumdioxid oder Quarz (SiO2). In großen Öfen reagiert Quarz mit Ruß (Kohlenstoff) zu 98 Prozent reinem Silizium (Si) und Kohlendioxid (CO2). Für die Elektroindustrie muß dieses "metallurgische" Silizium dann in einem teuren und energieaufwendigen Verfahren zu 99,9999999 prozentigem Reinstsilizium aufgereinigt werden. Dieser Grad an Reinheit ist aber für die Photovoltaik nicht notwendig. Außerdem wäre eine kostengünstigere und mit weniger Energieaufwand verbundene Siliziumreinigung mehr als wünschenswert.

4 Mio. DM für Wissenschaftler im Ruhrgebiet

Deshalb forciert das MWF die Entwicklung eines Siliziumreinigungsprozesses für die Photovoltaik. Im Forschungs- und Technologieverbund "Arbeitsgemeinschaft Solar NRW" fördert es die Zusammenarbeit an einem Verfahren zur Siliziumreinigung in den nächsten vier Jahren mit 4 Mio. DM. Beteiligt sind an dem Projekt die Universitäten Bochum und Duisburg, die Institute InVerTec, Dortmund, sowie ACCESS, Aachen, und das Oberhausener Fraunhofer Institut UMSICHT.

Bochumer Spezialität: heterogene Katalyse

Am Lehrstuhl für Technische Chemie der RUB werden zwei Teilschritte des neuen Reinigungsverfahrens untersucht, weil er die dafür notwendigen Erfahrungen mit heterogener Katalyseforschung und Wirbelschichtreaktoren hat.

Silizium vor der Reinigung in Gas verwandelt

Erstens wird "metallurgisches" Silizium in einem Wirbelschichtreaktor zu Trichlorsilan (HsiCl3) hydrochloriert. Das als Feststoff vorliegende Silizium wird in einen gasförmigen Zustand umgewandelt, in Silan. Hierbei werden die feinen Siliziumpartikel von einem Gasstrom aus verdampftem Tetrachlorsilan (SiCl4) und Wasserstoff (H2) aufgewirbelt und reagieren zu gasförmigem Trichlorsilan (HSiCl3). Das Produkt der chemischen Reaktion hat gegenüber dem festen Silizium einen entscheidenden Vorteil: Das Gas kann durch Destillation gereinigt werden, der Feststoff nicht. Außerdem suchen die Bochumer Wissenschaftler nach einem Katalysator, der die Reaktion beschleunigt, bei der möglichst viel Trichlorsilan herauskommt. "Wahrscheinlich Kupfer oder Zink", so Prof. Muhler. Außerdem sollen die hydrodynamischen Bedingungen im Wirbelschichtreaktor für diese Bedingungen optimiert werden.

Reaktor optimieren

In weiteren Reaktionen wird das gereinigte gasförmige Silan zum Schluß wieder fest - zu Solarsilizium: Trichlorsilan reagiert über Dichlorsilan zu Monosilan (SiH4) und wird zum gereinigten Solarsilizium zersetzt. Die Zersetzung des Monosilans erfolgt in einem Wirbelschichtreaktor. Die Bochumer wollen diesen Reaktor optimieren. Dazu wollen sie die Bedingungen in diesem Wirbelrohr (Temperatur, Mengenverhältnisse, Geschwindigkeit, Druck...) so modellieren bzw. im Computer errechnen, daß man hinterher eine möglichst große Ausbeute an Silizium hat.

Solar AG besteht seit 1991

1991 rief die Landesregierung die "Arbeitsgemeinschaft Solar NRW" ins Leben. Durch Unterstützung von Forschung und Entwicklung will sie bewirken, daß Solarenergie vermehrt genutzt wird. Die AG Solar hat mittlerweile 140 Mitglieder aus Hochschulen, Forschungseinrichtungen, Wirtschaft und kommunalen Unternehmen.

Weitere Informationen

Prof. Dr. Martin Muhler, Fakultät für Chemie, Lehrstuhl für Technische Chemie, 44780 Bochum, Tel.: 0234/700-6745, Fax.: 0234/709-41 15

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