Silizium in der Photovoltaik: vom Sand zum Wafer
Warum Solarzellen aus Silizium bestehen: Bandlücke, Reinheit, Dotierung und der Weg vom Quarzsand über den Einkristall zum Wafer von 0,15 Millimetern.
Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erdkruste – und trotzdem ist der Weg vom Sand zur Solarzelle einer der aufwendigsten Schritte der ganzen Herstellung. Der Grund liegt in zwei Eigenschaften: der richtigen Bandlücke und einer Reinheit, die man sich kaum vorstellen kann.
Warum ausgerechnet Silizium
Damit ein Lichtteilchen ein Elektron aus seiner Bindung lösen kann, muss es mehr Energie mitbringen, als die sogenannte Bandlücke des Materials beträgt. Ist die Bandlücke zu groß, reicht die Energie des meisten Sonnenlichts nicht. Ist sie zu klein, wird zwar fast jedes Photon aufgenommen, aber der Überschuss verpufft als Wärme.
Silizium liegt mit 1,1 Elektronenvolt nahe am Optimum für das Sonnenspektrum. Dazu kommt: Es ist ungiftig, unbegrenzt verfügbar und seine Verarbeitung war durch die Halbleiterindustrie bereits erforscht, als die Photovoltaik in den Markt kam. Diese Kombination hat bisher kein anderes Material geschlagen.
Der Weg vom Sand zum Wafer
- Quarzsand wird zu Rohsilizium. Im Lichtbogenofen reagiert Quarzsand bei rund 2.000 Grad mit Kohlenstoff. Heraus kommt metallurgisches Silizium mit etwa 98 Prozent Reinheit – für eine Solarzelle viel zu unrein.
- Rohsilizium wird gereinigt. Im Siemens-Verfahren wird das Silizium in eine gasförmige Verbindung überführt, destilliert und wieder abgeschieden. Am Ende steht Polysilizium mit rund 99,9999 Prozent Reinheit – auf eine Million Siliziumatome kommt weniger als ein Fremdatom. Dieser Schritt verschlingt den größten Teil der Herstellungsenergie.
- Aus dem Polysilizium wächst ein Einkristall. Im Czochralski-Verfahren zieht ein Impfkristall aus der Schmelze einen zylindrischen Block von rund zwei Metern Länge. Alle Atome ordnen sich dabei in einem einzigen Gitter an – daher „monokristallin“.
- Der Block wird zu Wafern gesägt. Mit Diamantdrahtsägen entstehen Scheiben von etwa 0,15 Millimetern. Rund die Hälfte des Materials geht dabei als Sägestaub verloren – der Grund, warum dünnere Wafer und dünnere Sägedrähte ein Dauerthema der Branche sind.
Dotierung: erst die Verunreinigung macht die Zelle
Reines Silizium leitet kaum Strom. Erst gezielt eingebrachte Fremdatome machen es brauchbar: Phosphor bringt ein Elektron zu viel mit und macht die Schicht negativ leitend (n), Bor eines zu wenig und macht sie positiv leitend (p). An der Grenze zwischen beiden Schichten entsteht das elektrische Feld, das später die Ladungsträger trennt – nachzulesen unter photovoltaischer Effekt.
Die Dotierung verändert die Zusammensetzung nur minimal – etwa ein Fremdatom auf eine Million Siliziumatome. Genau deshalb muss das Ausgangsmaterial so extrem rein sein: Unerwünschte Fremdatome in derselben Größenordnung würden den Effekt zunichtemachen.
Energie und Herkunft
Die Reinigung ist der energieintensivste Schritt der Modulherstellung. Trotzdem hat ein Modul die Energie seiner Herstellung in Mitteleuropa nach ein bis zwei Jahren wieder eingespielt – bei 25 bis 30 Jahren Nutzungsdauer liefert es also ein Vielfaches. Der größte Teil des Polysiliziums stammt heute aus China; die wenigen europäischen Werke decken einen kleinen Teil des Bedarfs, siehe Solarmodule aus China.
Häufige Fragen
Wird Silizium knapp?
Nein. Der Rohstoff ist praktisch unbegrenzt vorhanden – knapp waren zeitweise die Reinigungskapazitäten, nicht das Material. Engpässe gab es zuletzt 2021 und 2022, sie haben sich mit dem Ausbau der Produktion aufgelöst.
Kann Silizium aus alten Modulen wiederverwendet werden?
Technisch ja, wirtschaftlich bisher selten. Beim Recycling werden vor allem Glas, Aluminium und Kupfer zurückgewonnen; die Rückgewinnung von Solarsilizium in ausreichender Reinheit ist aufwendig. Mehr unter Recycling.
Was ist der Unterschied zwischen Solar- und Elektronikqualität?
Die Reinheit. Für Mikrochips wird Silizium mit neun bis elf Neunen gebraucht, für Solarzellen genügen sechs bis neun. Die niedrigere Anforderung macht Solarsilizium deutlich billiger.
Weiter in der Kette
- Sonneneinstrahlung – wie viel Energie überhaupt ankommt
- Photovoltaischer Effekt – wie aus Licht eine Spannung wird
- Solarzellen – wie die Zelle aufgebaut ist
- Wirkungsgrad – wie viel davon übrig bleibt
- kWp und kWh – wie Leistung und Energiemenge zusammenhängen
- Aufbau einer Anlage – was auf dem Dach und im Keller steht
- Netzeinspeisegerät – was der Begriff im Normtext bedeutet
- Die ganze Kette – alle Schritte mit ihren Zahlen
Quellen
- Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland, Fassung 20.08.2026 – Herstellungsverfahren, energetische Amortisation
- Grundlagenliteratur zur Halbleiterphysik, siehe Fachliteratur