Silizium - Baustein der Digitalisierung

Silizium ist ein Halbmetall bzw. ein Halbleiter. Elementares Silizium findet in verschiedenen Reinheitsgraden Anwendung in der Mikroelektronik und der in der Metallurgie. Quarzrohstoffe wie Gangquarz, Quarzkies und Quarzite mit einem SiO2-Gehalt von mehr als 98 Masseprozent bilden den Rohstoff für die Herstellung des Siliziums für Chips.

Für die Herstellung von Chips und Solarzellen kommen generell verschiedene Materialien infrage. In der Tat werden jedoch 95 Prozent aller Solarzellen aus Silizium hergestellt. Etwa 1,6 Millionen Photovoltaikanlagen gibt derzeit es in Deutschland. Zugleich wird der weitere Ausbau dieser Energiequelle zumindest nicht an dem fehlenden Silizium scheitern. Nach Sauerstoff ist das Siliziumdioxid, das am zweithäufigsten auftretende Element auf der Erde. So machen die Silikate etwa ein Viertel der Erdkruste aus. Dabei besteht das überwiegend aus Quarz bzw. aus Siliziumdioxid.

Der Quarzsand, aus welchem das für die Chips in den Solarzellen gebrauchte Silizium gewonnen wird, wird allerdings nicht von Stränden abgetragen, sondern in aller Regel aus Gruben herausgefördert. Pro Jahr werden auf der Welt über 100 Millionen Tonnen als Rohstoff abgebaut. Mit einem Marktanteil von insgesamt etwa 25 Prozent befinden sich die größten derzeit verwendeten Vorkommen an Quarzsand in Amerika, gefolgt von Deutschland, Slowenien, Österreich, Frankreich und Spanien. 

Die Elektronikindustrie stellt mit dem Rohstoff Silizium Transistoren, Solarzellen und Mikrochips her. Als Halbleiter kann dieses Element den Strom zwar nur schlecht leiten, weil es in seiner chemischen kristallinen Struktur nahezu keine freien Elektronen besitzt. Silizium wird allerdings leitfähig, wenn die Energie in Form von Wärme oder Licht auf dieses einwirkt. Zudem kann das Halbmetall Wechsel- in Gleichstrom verwandeln. Die Leitfähigkeit dieses Halbleiters lässt sich außerdem durch Mischung atomarer Mengen von Arsen, Antimon, Phosphor und Bor gezielt beeinflussen. Um die Eigenschaften als Halbleiter verwenden zu können, benötigen die Hersteller von Mikrochips und Solarzellen das Silizium, das die optimale elektrische Qualität bietet. Dies schafft lediglich das Silizium mit der Reinheit von mindestens 99,9999 Prozent. In jenem polykristallinen Element darf je einer Milliarde Siliziumteilen erheblich weniger als ein Fremdatom vorhanden sein. Bei der Herstellung des Siliziums verwendet die Industrie aus diesem Grund nur besonders reine Quarzsande. Nach der Schmelze wird das gelöste Silizium destilliert, um es mehrmals zu reinigen. Im Anschluss ziehen diese es zu bis zu zwei Meter langen und 30 Zentimeter dicken Stäben aus, welche zu 0,3 bis 0,5 Millimeter dicke Scheiben zersägt werden. Dies sind die bekannten Wafer.

Rohstoffe sind die Basis der modernen Dienstleistungs- und Industriegesellschaften. Aufgrund der wachsenden Wirtschaft und der ansteigenden Technisierung der meisten Produkte ist die grundlegende Nachfrage nach Rohstoffen auf der ganzen Welt stark gestiegen, was die Rohstoffpreise entsprechend in die Höhe treibt und auch zu Versorgungsengpässen führen kann. Um der Verknappung entgegenzuwirken müssen neue Lagerstätten zugänglich gemacht oder eine konsequente Führung der Kreisläufe der Rohstoffe etabliert werden.

Mit seiner hohen Speicherkapazität hat Silizium große Vorteile gegenüber Materialien in den normalen Lithium-Ionen-Batterien. Aufgrund der mechanischen Instabilität war es bislang nicht möglich, das Silizium als für die Speichertechnologie und für Chips zu nutzen. 

Silizium zählt lange schon zu den Hoffnungsträgern im Bereich der Elektromobilität. So ist das Silizium das beste Material für die Anoden in Akkumulatoren. Dieses Element kann bis zu zehnmal mehr Energie in sich speichern als Anoden aus Graphit in den gebräuchlichen Lithium-Ionen-Batterien. Hiermit können Elektroautos längere Strecken fahren, Akkus in Handys länger halten und das Laden funktioniert deutlich schneller. Ein weiterer Vorteil dieses Halbmetalls als Rohstoff in den Chips ist die unbegrenzte Verfügbarkeit.

Perowskit ist seit geraumer Zeit als preisgünstige Alternative zum Silizium im Gespräch. Derzeit arbeitet die Empa an einer Perowskit-Zelle, welche mit begrenztem Wirkungsgrad arbeitet, jedoch das Leistungsvermögen für eine günstige Fertigung in der Industrie hat.

Der Sieg der Photovoltaik in den vergangenen zwei Jahrzehnten beruht vor allem auf dem Halbleiter Silizium als Rohstoff. Die Solarmodule aus Silizium sind in ihrem Preis sehr stark gefallen und haben eine weite Verbreitung auf der ganzen Welt gefunden. Trotz der Erfolgsgeschichte wird heute an anderen Halbleitern für Photovoltaik-Anwendungen geforscht. Hierzu gehören Chips für Solarzellen auf der Grundlage von Perowskit-Halbleitern. Die ersten Zellen jener Art baute im Jahre 2009 ein Forscherteam aus Japan um den Elektrochemiker Miyasaka.

In den neuen Zellen dient ein Halbleiter mit seinem Perowskit-Aufbau als photoaktive Schicht, die die Energie der Sonne in elektrischen Strom umwandeln kann. Perowskit ist in der generellen Form ein Mineral aus Titan, Sauerstoff und Kalzium und kommt in verschiedenen Abwandlungen vor, die ebenso über die für Perowskite bekannte Kristallstruktur ABX3 verfügen. Für den Bau der Solarzellen stehen sogenannte Metall-Halid-Perowskite als Rohstoff zur Verfügung, darunter vor allem die organisch-anorganische Verknüpfung Methylammonium-Bleitriiodid.

Anhaltende Engpässe bei der Lieferung haben die Preise für das polykristalline Silizium in den letzten Wochen um etwa 25 Prozent nach oben getrieben. Experten befürchten nun, dass die Liefersituation die Wachstumsraten der Solarzellen- und Halbleiter-Branche drastisch dämpfen kann. Führende Anbieter von Poly- und polykristallinem Silizium – wie Hemlock, ASiMI, MEMC, Wacker-Chemie und Mitsubishi Materials – können der sehr hohen Nachfrage durch die Hersteller der Chips nicht mehr nachkommen. Gemäß der Experten sollen die Materialien für die kommenden zwei bis drei Jahre nicht ausreichend verfügbar sein. Eine Rettung ist das Polysilizium. Dies ist ein Material aus kleinen Kristallen und dient vor allem der Herstellung von Chips in Solarzellen und Silizium-Wafern. Der Absatz an Solarmodulen ist sehr hoch, was dem Photovoltaikmarkt nach den jüngsten Ergebnissen der European Photovoltaic Industry Association ein Wachstum von 40 Prozent pro Jahr beschert hat.