Artikel aktualisiert am 27.04.2023
von Boris Stippe | ca: 8 Min. zu lesen

Monokristallines Silizium

Was sind monokristalline Solarzellen?

Monokristallines Silizium ist ein Material, das in der Photovoltaik zur Herstellung von Solarzellen verwendet wird. Es zeichnet sich durch eine höhere Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität aus, da es aus einem einzigen kristallinen Stück Silizium besteht.

Solarmodul aus monokristallinem Silizium
Solarmodul aus monokristallinem Silizium (Bildquelle: S.Dehnen Photography – stock.adobe.com)

Monokristallines Silizium ist ein Material, das in der Photovoltaik zur Herstellung von Solarzellen verwendet wird. Es zeichnet sich durch eine höhere Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität aus, da es aus einem einzigen kristallinen Stück Silizium besteht. Im Gegensatz dazu besteht polykristallines Silizium aus vielen kleinen Siliziumkristallen und ist daher weniger effizient bei der Energieumwandlung.

Allerdings ist die Herstellung von monokristallinem Silizium aufwändiger als die von polykristallinem Silizium, was zu höheren Produktionskosten führt. Monokristallines Silizium wird hergestellt, indem eine Si-Schmelze in eine Form gegossen wird, die aus einem einzigen Kristall besteht. Der Kristall wächst dann aus dieser Form heraus, wodurch ein homogenes, kristallines Stück Silizium entsteht. Die meisten Solarzellen bestehen aus monokristallinem Silizium, da sie einen höheren Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung haben als polykristalline Solarzellen.

Monokristallines Silizium wird auch für andere Anwendungen wie die Herstellung von Mikroprozessoren und Halbleitern verwendet. Die Verwendung von monokristallinem Silizium in der Solarenergie hat jedoch insbesondere in den letzten Jahren zugenommen, da die Nachfrage nach erneuerbaren Energien steigt und die Technologie zur Herstellung von monokristallinem Silizium ständig verbessert wird.

Was ist der Unterschied zwischen monokristallinem und polykristallinem Silizium in der Solarstromerzeugung?

Der Unterschied zwischen monokristallinem Silizium und polykristallinem Silizium liegt in der Art und Weise, wie das Silizium hergestellt wird und wie sich dies auf die Leistung der Solarzelle auswirkt.

Monokristallines Silizium besteht aus einem einzigen Kristall, der aus einer Si-Schmelze gezogen wird. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig und erfordert höhere Temperaturen als die Herstellung von polykristallinem Silizium. Monokristallines Silizium ist teurer, hat aber den Vorteil einer höheren Leistung und Effizienz. Die Kristallstruktur ist sehr rein und homogen, was zu einer besseren Leitfähigkeit und geringeren Verlusten führt. Monokristalline Solarzellen haben daher einen höheren Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom, typischerweise etwa 20 bis 22 %.

Polykristallines Silizium hingegen besteht aus vielen kleinen Kristallen, die zufällig angeordnet sind. Die Herstellung von polykristallinem Silizium ist weniger aufwändig und kostengünstiger als die von monokristallinem Silizium. Allerdings ist die Kristallstruktur weniger homogen und weist mehr Defekte auf, was zu höheren Verlusten führt und die Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom verringert. Polykristalline Solarzellen haben typischerweise einen Umwandlungswirkungsgrad von etwa 16 % bis 18 %.

Wie wird monokristallines Silizium hergestellt?

Die Herstellung von monokristallinem Silizium ist ein komplexer Prozess, der in mehreren Schritten abläuft. Im ersten Schritt wird Rohsilizium aus Quarzsand durch eine chemische Reaktion gewonnen. Dazu wird der Quarzsand zusammen mit Kohlenstoff in einem Lichtbogenofen bei hohen Temperaturen geschmolzen. Das so gewonnene Silizium hat einen Reinheitsgrad von etwa 98,5% bis 99,99%.

Im nächsten Schritt wird das Silizium gereinigt, um Verunreinigungen zu entfernen, die die Leitfähigkeit des Siliziums beeinträchtigen könnten. Das Silizium wird in einen speziellen Schmelzkessel gegeben, der auf einer hohen Temperatur von über 1420 °C gehalten wird. Ein kleines Stück monokristallines Silizium, der so genannte „Keim“, wird in die Schmelzwanne gegeben und langsam angehoben, um das Schmelzen und Wachsen des Siliziumkristalls einzuleiten.

Während der Kristall wächst, wird er kontinuierlich gedreht und gekühlt, um sicherzustellen, dass er eine homogene und regelmäßige Struktur erhält. Die Temperatur und der Druck in der Schmelzwanne werden sorgfältig kontrolliert, um sicherzustellen, dass der Kristall die gewünschte Größe und Form hat.

Sobald der Kristall die gewünschte Größe erreicht hat, wird er in dünne Scheiben, so genannte Wafer, geschnitten. Diese Wafer werden dann zu Solarzellen weiterverarbeitet, die in Photovoltaikanlagen zum Einsatz kommen.

Insgesamt ist die Herstellung von monokristallinem Silizium ein komplexer Prozess, der spezielle Anlagen, hohe Temperaturen und eine sorgfältige Kontrolle erfordert. Die Technologie zur Herstellung von monokristallinem Silizium hat sich jedoch im Laufe der Jahre verbessert, was zu höheren Wirkungsgraden, niedrigeren Kosten und einer breiteren Anwendung in der Solarindustrie geführt hat.

Wie effizient sind monokristalline Solarzellen im Vergleich zu polykristallinen Solarzellen?

Monokristalline Solarzellen bestehen aus einem einzigen Siliziumkristall und sind in der Regel dunkler und runder als polykristalline Solarzellen. Monokristalline Solarzellen haben einen höheren Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom als polykristalline Solarzellen, da die Kristallstruktur von monokristallinem Silizium homogener und reiner ist. Diese homogenere Kristallstruktur führt zu einer höheren Leitfähigkeit und geringeren Verlusten, was zu einer höheren Umwandlungseffizienz führt.

Der Wirkungsgrad von monokristallinen Solarzellen liegt typischerweise bei ca. 20% bis 22%, während der Wirkungsgrad von polykristallinen Solarzellen typischerweise bei ca. 16% bis 18% liegt. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass der genaue Wirkungsgrad von Solarzellen von vielen Faktoren abhängt, wie z.B. der Art des Halbleitermaterials, der Dicke der Zelle und der Art der Oberflächenbehandlung.

Monokristalline Solarzellen sind zwar effizienter als polykristalline, aber auch teurer in der Herstellung. Polykristalline Solarzellen sind in der Regel kostengünstiger in der Herstellung, da sie aus vielen kleinen Siliziumkristallen bestehen und weniger aufwändige Herstellungsverfahren erfordern.

Welche anderen Materialien werden in der Solarstromerzeugung verwendet?

Neben Silizium werden in der Solarstromerzeugung auch andere Materialien verwendet, insbesondere bei der Herstellung von Dünnschichtsolarzellen. Dünnschichtsolarzellen bestehen aus sehr dünnen Schichten von Halbleitermaterialien und haben in der Regel einen geringeren Wirkungsgrad als herkömmliche mono- oder polykristalline Solarzellen. Sie sind jedoch oft billiger in der Herstellung und bieten einige Vorteile für bestimmte Anwendungen.

Eine der am häufigsten verwendeten Dünnschichtsolarzellen ist die Cadmiumtellurid-Solarzelle. Diese Solarzellen bestehen aus einer dünnen Schicht Cadmiumtellurid auf einem Trägermaterial wie Glas oder Metall. Sie sind kostengünstig herzustellen und haben einen höheren Wirkungsgrad als andere Dünnschichtsolarzellen. Cadmiumtellurid-Solarzellen sind jedoch umstritten, da Cadmium ein giftiges Material ist, das bei unsachgemäßer Entsorgung Umwelt- und Gesundheitsprobleme verursachen kann.

Eine weitere Art von Dünnschichtsolarzellen sind Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS)-Solarzellen. Diese Solarzellen bestehen aus einer Schicht aus Kupfer, Indium, Gallium und Selenid auf einem Trägermaterial. CIGS-Solarzellen haben einen höheren Wirkungsgrad als Cadmiumtellurid-Solarzellen und sind weniger umstritten, da sie keine toxischen Materialien enthalten. Sie sind jedoch teurer in der Herstellung als Cadmiumtellurid-Solarzellen.

Organische Solarzellen sind eine weitere Art von Dünnschichtsolarzellen, die aus organischen Halbleitermaterialien hergestellt werden. Organische Solarzellen sind sehr dünn, flexibel und leicht und können auf eine Vielzahl von Oberflächen aufgebracht werden. Sie haben jedoch einen geringeren Wirkungsgrad als andere Solarzellen und eine begrenzte Lebensdauer.

Wie nachhaltig ist die Produktion von monokristallinem Silizium?

Die Herstellung von monokristallinem Silizium ist ein aufwändiger Prozess, der große Mengen an Energie und Wasser benötigt. Daher ist es wichtig, die Nachhaltigkeit dieser Produktion zu bewerten.

Energie ist der wichtigste Faktor bei der Herstellung von monokristallinem Silizium, da hohe Temperaturen erforderlich sind, um das Silizium zu schmelzen und zu formen. Ein Teil dieser Energie wird aus fossilen Brennstoffen wie Kohle und Erdgas gewonnen, was zu hohen CO2-Emissionen führen kann. Viele Hersteller arbeiten jedoch daran, ihre Produktionsprozesse zu verbessern, indem sie erneuerbare Energiequellen wie Sonnen- oder Windenergie nutzen, um die CO2-Emissionen zu reduzieren.

Ein weiterer Faktor bei der Herstellung von monokristallinem Silizium ist der Wasserverbrauch. Der Prozess benötigt große Mengen Wasser, um das Silizium zu kühlen und zu reinigen. In vielen Regionen der Welt, in denen monokristallines Silizium hergestellt wird, ist Wasser jedoch ein knappes Gut. Die Hersteller haben daher begonnen, ihre Prozesse zu optimieren und alternative Technologien einzusetzen, um den Wasserverbrauch zu reduzieren.

Ebenfalls von Bedeutung ist die Entsorgung von Abfällen und Chemikalien, die bei der Herstellung von monokristallinem Silizium anfallen. Einige der in der Produktion verwendeten Chemikalien können bei unsachgemäßer Entsorgung umwelt- und gesundheitsschädlich sein. Daher arbeiten viele Hersteller daran, ihre Produktionsprozesse zu verbessern, um die Menge an Abfällen und gefährlichen Chemikalien zu reduzieren.

Trotz dieser Herausforderungen hat die Produktion von monokristallinem Silizium auch viele positive Auswirkungen auf die Umwelt und das Klima. Die Nutzung von Solarenergie als erneuerbare Energiequelle trägt zur Verringerung der CO2-Emissionen und zur Bekämpfung des Klimawandels bei. Insgesamt hängt die Nachhaltigkeit der Produktion von monokristallinem Silizium von vielen Faktoren ab, darunter Energie- und Wassereffizienz, Abfall- und Chemikalienmanagement und die Nutzung erneuerbarer Energiequellen.

Fazit

Monokristallines Silizium ist ein Material, das in der Photovoltaik zur Herstellung von Solarzellen verwendet wird. Es besteht aus einem einzigen Stück kristallinen Siliziums und hat einen höheren Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität als polykristallines Silizium. Die Herstellung von monokristallinem Silizium ist aufwendiger, was zu höheren Produktionskosten führt. Monokristallines Silizium wird hergestellt, indem eine Si-Schmelze in eine Form gegossen wird, die aus einem einzigen Kristall besteht. Der Kristall wächst dann aus der Form heraus und bildet ein homogenes, kristallines Stück Silizium. Monokristallines Silizium wird auch für andere Anwendungen wie die Herstellung von Mikroprozessoren und Halbleitern verwendet.

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