Artikel aktualisiert am 19.03.2024
von Boris Stippe | ca: 8 Min. zu lesen

Blockgießverfahren

Wie werden Solarzellen aus Silizium hergestellt?

Das Blockgießverfahren ist ein Herstellungsverfahren für Solarzellen, bei dem das Silizium für die Zellenproduktion in einen Block gegossen wird. Anschließend wird der Block in dünne Scheiben gesägt, die als Ausgangsmaterial für die eigentliche Solarzellenproduktion dienen.

Polychristalline Solarzellen auf Feld
Polychristalline Solarzellen (Bildquelle: ebraxas – stock.adobe.com)

Das Blockgießverfahren ist ein wichtiger Schritt bei der Herstellung von Silizium-Solarzellen, die in Solaranlagen zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Dabei wird das Ausgangsmaterial Silizium in einem Block in eine bestimmte Form gegossen. Diese Form wird als Ingot bezeichnet und ist in der Regel zylindrisch oder quadratisch.

Im nächsten Schritt wird der Ingot in dünne Scheiben gesägt, die so genannten Wafer. Diese Wafer sind dann das Ausgangsmaterial für die eigentliche Solarzellenproduktion. Der Sägeprozess ist sehr präzise, da jeder Wafer eine bestimmte Dicke und Größe aufweisen muss.

Das Blockgießverfahren ist ein wichtiger Schritt in der Solarzellentechnologie, da es eine effiziente und kostengünstige Herstellung von Silizium ermöglicht. Gleichzeitig ermöglicht das Verfahren eine hohe Materialausbeute, da während des Gießprozesses nur sehr wenig Silizium verloren geht. Obwohl inzwischen auch andere Verfahren zur Herstellung von Solarzellen eingesetzt werden, gilt das Blockgießverfahren nach wie vor als eine der wichtigsten und effektivsten Methoden zur Herstellung von Silizium für die Solarenergie.

Wie funktioniert das Blockgießverfahren zur Herstellung von Solarzellen?

Das Blockgießverfahren ist ein wichtiger Schritt bei der Herstellung von Siliziumsolarzellen und ermöglicht eine effiziente und kostengünstige Produktion von Silizium. Dabei wird hochreines Silizium in einem speziellen Ofen geschmolzen und in einen Gießtiegel gefüllt. Der Gießtiegel besteht aus Graphit und hat eine bestimmte Form, die später dem Ingot entspricht.

Das flüssige Silizium wird dann langsam aus dem Gießtopf gegossen und beginnt allmählich zu erstarren, während es zu einem zylindrischen Block geformt wird. Beim Abkühlen bildet sich ein gleichmäßiges Kristallgitter, das für eine hohe elektrische Leitfähigkeit sorgt. Anschließend wird der Block aus der Gießpfanne entnommen und weiter bearbeitet.

Im nächsten Schritt wird der Ingot in dünne Scheiben gesägt, die als so genannte Wafer dienen. Der Sägeprozess ist sehr präzise, da jeder Wafer eine bestimmte Dicke und Größe haben muss. Die so entstandenen Wafer werden gereinigt, poliert und mit einer speziellen Schutzschicht versehen.

Anschließend werden die Wafer zu Solarzellen weiterverarbeitet, indem sie mit einer dünnen Schicht einer Silizium-Dotierung (typischerweise Bor oder Phosphor) überzogen werden, um p-Kontakte (positive Ladung) und n-Kontakte (negative Ladung) zu erzeugen. Durch die Dotierung entstehen pn-Übergänge, die Elektronen freisetzen, die in einer Stromleitung aufgefangen und genutzt werden können.

Was sind die Vor- und Nachteile des Blockgießverfahrens im Vergleich zu anderen Verfahren zur Herstellung von Solarzellen?

Ein Vorteil des Blockgießverfahrens ist die hohe Materialausbeute. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Silizium im industriellen Maßstab und damit eine kostengünstige Produktion. Zudem ist das Verfahren relativ einfach und leicht skalierbar.

Ein weiterer Vorteil ist, dass das Verfahren eine hohe Reinheit des produzierten Siliziums gewährleistet. Durch die Verwendung von hochreinem Silizium als Ausgangsmaterial wird eine hohe Kristallqualität erreicht, die zu einem höheren Wirkungsgrad der Solarzellen führt.

Das Blockgießverfahren hat jedoch auch Nachteile. Einer der Hauptnachteile ist, dass viel Energie benötigt wird, um das Silizium zu schmelzen und zu gießen. Dadurch ist das Verfahren energieintensiver als andere Verfahren zur Herstellung von Solarzellen, was zu höheren Produktionskosten führen kann.

Ein weiterer Nachteil ist, dass das Blockgießverfahren im Vergleich zu anderen Verfahren eine geringere Dickengenauigkeit der Wafer aufweist. Da die Wafer aus dem Block gesägt werden, ist es schwierig, sehr dünne Wafer mit hoher Präzision herzustellen. Dies kann zu einem geringeren Wirkungsgrad der Solarzellen führen.

Ein anderer Nachteil ist, dass das Verfahren aufgrund der hohen Temperaturen und des hohen Energiebedarfs auch die Umwelt stärker belasten kann. Es gibt jedoch Bestrebungen, das Verfahren durch den Einsatz erneuerbarer Energien und eine verbesserte Wärmerückgewinnung zu optimieren.

Wie unterscheiden sich Solarzellen, die mit dem Blockgießverfahren hergestellt werden, von anderen Solarzellen?

Einer der wichtigsten Unterschiede ist die Art der Kristallisation, die während des Herstellungsprozesses stattfindet. Beim Blockgießverfahren kristallisiert das Silizium in einem mono- oder polykristallinen Zustand, was zu einem höheren Wirkungsgrad der Solarzellen führt.

Ein weiterer Unterschied besteht in der Dicke der Wafer, die aus dem Ingot gesägt werden. Da die Wafer aus einem massiven Block hergestellt werden, sind sie im Vergleich zu anderen Solarzellen dicker. Dies kann den Widerstand der Zellen erhöhen und zu einem geringeren Wirkungsgrad führen. Es wird jedoch daran gearbeitet, die Dicke der Wafer zu verringern, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Auch haben Solarzellen, die mit dem Blockgießverfahren hergestellt werden, in der Regel eine glattere und sauberere Oberfläche, was zu einem höheren Wirkungsgrad führen kann. Andere Verfahren, wie z.B. die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen, haben dagegen oft eine raue und unebene Oberfläche.

Daneben ist das Blockgießverfahren ist aufgrund seiner Effizienz und Materialausbeute in der Regel kostengünstiger als andere Verfahren zur Herstellung von Solarzellen. Allerdings ist der Energieaufwand beim Blockgießverfahren höher als bei einigen anderen Verfahren, was zu höheren Produktionskosten führen kann.

Insgesamt haben Solarzellen, die mit dem Blockgießverfahren hergestellt werden, aufgrund der höheren Kristallqualität und der glatteren Oberfläche oft einen höheren Wirkungsgrad als andere Solarzellen. Die größere Dicke der Wafer und der höhere Energieaufwand können jedoch zu höheren Kosten führen.

Welchen Einfluss hat die Qualität des im Blockgussverfahren verwendeten Siliziums auf die Leistung der Solarzellen?

Die Qualität des im Blockgussverfahren verwendeten Siliziums hat einen wesentlichen Einfluss auf die Leistung der Solarzellen. Eine höhere Reinheit des Siliziums führt zu einem höheren Wirkungsgrad der Solarzellen und zu einer längeren Lebensdauer.

Hochreines Silizium mit einem sehr geringen Gehalt an Verunreinigungen wird als „Elektronikqualität“ bezeichnet und ist das beste Ausgangsmaterial für Solarzellen. Silizium in Elektronikqualität hat eine höhere Kristallqualität und eine geringere Dotierung, was zu einer höheren Effizienz der Solarzellen führt. Allerdings ist es auch teurer als andere Siliziumtypen.

Die Dotierung ist ein weiterer wichtiger Faktor für die Qualität des Siliziums. Bei der Dotierung werden dem Silizium bestimmte Elemente wie Bor oder Phosphor zugesetzt, um es leitfähig zu machen. Eine zu hohe Dotierung kann jedoch zu einem geringeren Wirkungsgrad der Solarzellen führen. Daher ist es wichtig, den Dotierungsgrad bei der Herstellung von Solarzellen im Blockgießverfahren sorgfältig zu kontrollieren.

Neben der Dotierung können auch andere Verunreinigungen wie Sauerstoff oder Metalle die Leistung der Solarzellen beeinträchtigen. Daher ist es wichtig, dass das Ausgangsmaterial für die Solarzellenherstellung so rein wie möglich ist.

Die Qualität des Siliziums kann auch die Lebensdauer der Solarzellen beeinflussen. Eine höhere Reinheit des Siliziums kann dazu beitragen, dass die Solarzellen länger halten und weniger anfällig für Bruch oder Beschädigung sind.

Wie groß sind die Umweltauswirkungen des Blockgießverfahrens im Vergleich zu anderen Verfahren zur Herstellung von Solarzellen?

Das Blockgießverfahren zur Herstellung von Solarzellen hat, wie andere industrielle Verfahren auch, Auswirkungen auf die Umwelt. Verglichen mit anderen Verfahren zur Herstellung von Solarzellen hat das Blockgießverfahren sowohl Vor- als auch Nachteile in Bezug auf seine Umweltauswirkungen.

Ein Nachteil des Blockgießverfahrens ist der hohe Energiebedarf für das Schmelzen und Gießen des Siliziums. Dieser hohe Energiebedarf führt zu höheren CO2-Emissionen und einem größeren ökologischen Fußabdruck im Vergleich zu anderen Verfahren. Es gibt jedoch Bemühungen, den Energiebedarf durch den Einsatz erneuerbarer Energien und eine verbesserte Wärmerückgewinnung zu senken.

Ein weiterer Nachteil des Blockgießverfahrens ist die große Menge an Abfall, die während des Herstellungsprozesses anfällt. Es entstehen große Mengen an Siliziumschrott und anderen Abfällen wie Graphit oder Sägemehl, die schwer zu recyceln sind und negative Auswirkungen auf die Umwelt haben können. Es gibt jedoch Technologien, die Abfälle in andere Produkte umwandeln können, um die Abfallmenge zu minimieren.

Ein Vorteil des Blockgussverfahrens ist die geringere Menge an giftigen Chemikalien und Lösungsmitteln, die im Herstellungsprozess verwendet werden. Im Vergleich zu anderen Verfahren wie der chemischen Abscheidung, bei der gefährliche Chemikalien verwendet werden, ist das Blockgießverfahren relativ umweltfreundlich.

Insgesamt haben alle Verfahren zur Herstellung von Solarzellen Auswirkungen auf die Umwelt, und das Blockgießverfahren bildet hier keine Ausnahme. Die Umweltauswirkungen des Blockgießverfahrens hängen jedoch von vielen Faktoren ab, wie z. B. dem Energiebedarf, der Art des verwendeten Ausgangsmaterials und der Abfallbehandlung.

Fazit

Das Blockgießverfahren ist eine wichtige Methode zur Herstellung von Siliziumsolarzellen, die hohe Wirkungsgrade und Materialausbeuten ermöglicht. Das Blockgießverfahren hat Vor- und Nachteile gegenüber anderen Verfahren zur Herstellung von Solarzellen. Ein Vorteil ist die hohe Materialausbeute und die relative Einfachheit des Verfahrens, ein Nachteil der hohe Energiebedarf und die geringere Dickengenauigkeit der Wafer. Die Qualität des im Blockgießverfahren verwendeten Siliziums beeinflusst die Leistung und Lebensdauer der Solarzellen erheblich, wobei hochreines Silizium zu einem höheren Wirkungsgrad und einer längeren Lebensdauer führt. Das Blockgießverfahren hat Auswirkungen auf die Umwelt, z. B. hohe CO2-Emissionen und große Abfallmengen während des Herstellungsprozesses. Insgesamt handelt es sich jedoch um eine wichtige Methode zur Herstellung von Siliziumsolarzellen, die noch weiter verbessert werden kann.

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