Ein neuartiges Verfahren zur Gewinnung von Silizium für Solarzellen im Mikrowellenofen

Um Sonnenenergie direkt in Strom zu wandeln, werden Solarzellen aus Silizium eingesetzt. Die herkömmliche Gewinnung von Solarsilizium für die Fertigung von Solarzellen ist mit einem Energieaufwand von 100 kWh/kg sehr energieintensiv. Ein erfolgsversprechender Ansatz eines alternativen, energieeffizienteren Verfahrens zur Gewinnung von Solarsilizium ist die carbothermische Direktreduktion. Mit dem in dieser Arbeit sowohl theoretisch als auch experimentell erforschten, neuartigen Lösungsansatz soll es möglich werden die Vorteile der carbothermischen Direktreduktion nutzbar zu machen. Der Lösungsansatz basiert auf dem Einsatz von Mikrowellen, die erstmals zur Gewinnung von Silizium genutzt werden. Durch die Auslegung einer geeigneten Mikrowellenkammer ist es möglich das für die Siliziumgewinnung erforderliche Temperaturprofil bereitzustellen. Thermodynamisch entspricht dies einer Mindesttemperatur von 1.811°C. Die an der Tiegeloberfläche gemessene Temperatur liegt zwischen 1.200 bis 1.400°C. Die Temperaturen im Inneren des Tiegels können mit 1.950 bis 2.000°C angegeben werden. Dies entspricht den Temperaturen im für die Siliziumgewinnung in der Industrie eingesetzten. Als Rohstoffe können neben konventionellen Rohstoffen auch Pellets aus hochreinen Rohstoffen eingesetzt werden. Dies bildet die Grundlage für eine Direktreduktion von Solarsilizium im Mikrowellenofen. Werden Pellets aus hochreinen Rohstoffen eingesetzt, so liegt die darstellbare Siliziumreinheit bei mehr als 99,99%. Durch den direkten Kontakt zwischen dem Reaktionsgemisch und späteren Silizium mit Bornitrid als Tiegelmaterial, kommt es zu einer unerwünschten Kontamination mir Bor. Diese kann durch eine geeignete Beschichtung mittels Siliziumcarbid minimiert werden. Neben der Reinheit der Rohstoffe stellen diese den Hauptanteil der späteren Produktionskosten des Verfahrens. Diese liegen, je nach Umsetzungsszenario, zwischen 5,78 bis 10,18 $/kg und sind nur über den Einsatz nachwachsender Rohstoffe erreichbar. Das gesetzte Kostenziel von weniger als 10 $/kg ist somit nach der abschließenden Kristallisation erreichbar. Damit wird in dieser Arbeit nicht nur ein energieeffizientes Verfahren zur Gewinnung von Silizium für Solarzellen erforscht, sondern zugleich die Möglichkeit einer CO2-neutralen Produktion von Silizium durch den Einsatz nachwachsender Rohstoffe geschaffen. Dies lässt die Gewinnung von Silizium und somit auch die Produktion von Solarzellen zu einer nachhaltigeren Energieform werden.