Rohstoffgewinnung – Der Stoff aus dem die Zellen sind

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Ausgangsmaterial  
Quarzsand und Quarzkiesel sind das Ausgangsmaterial zur Herstellung von monokristallinen und polykristallinen Solarzellen. 

Alternative Energien 
siehe Erneuerbare Energien  

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Bestandteile einer Solaranlage  
Die wichtigsten Bestandteile einer Solaranlage sind Solarmodule, die aus mehreren Reihen von Solarzellen bestehen. Unerlässlich ist mindestens ein Wechselrichter. Er wandelt den erzeugten Gleichstrom um in Wechselstrom für die Einspeisung ins öffentliche Stromnetz.  

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Chemische Reinigung  
Damit aus Quarzsand oder Quarzkies Hochleistungsmodule für Solarzellen entstehen können, sind mehrere chemische Prozesse erforderlich. Dabei wird eine fast 100%ige Reinheit angestrebt: Reines Silizium = optimaler Wirkungsgrad der Solarzelle. 

CdTe – Cadmium-Tellurid  
Der Halbleiter wird für die Herstellung amorpher Solarzellen benötigt, die in Dünnschicht-Solarmodulen verwendet werden. Siliziumdioxid aus Quarzsand ist dafür nicht erforderlich. Mehr dazu im nächsten Kapitel: Herstellung – Von der Fabrik in die Sonne.  

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Dotieren  
So wird das Einbringen von Fremdatomen in das Silizium genannt. Meist sind dies Bor- oder Phosphor-Atome. Nach dem Reinigungsprozess, wenn also alle unerwünschten Fremdkörper aus dem Silizium entfernt sind, werden gezielt Fremdatome mit positiver oder negativer Ladung eingesetzt. Dadurch wird die elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Solarzelle deutlich verbessert.  

Dünnschicht-Solarmodule  
Solarzellen gibt es in verschiedenen Ausführungen und für unterschiedliche Zwecke. Am meisten verbreitet sind kristalline Solarzellen in runder oder eckiger Form, die aus relativ dicken Siliziumscheiben bestehen. Dagegen ist bei Dünnschicht-Solarzellen das Halbleitermaterial aufgedampft worden. Mehr dazu im nächsten Kapitel: Herstellung – Von der Fabrik in die Sonne.   

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Ekobilanz 
Das Siliziumdioxid wird auf seinem Weg zur Solarzelle aufwändigen Reinigungsverfahren und Aufbereitungsprozessen unterzogen. Daher verschlechtert sich die Ekobilanz zunehmend mit jedem Arbeitsschritt. Sobald die Solarzellen Strom erzeugen, dreht sich die Eko- oder Energiebilanz wieder ins Positive. Mehr dazu im nächsten Kapitel: Herstellung – Von der Fabrik in die Sonne. 

Energiekrise
Die Verknappung fossiler Brennstoffe wie Öl und Kohle macht seit den siebziger Jahren Alternativen zur Energieherstellung notwendig. Mit Beginn der Öko-Bewegung in den Achtzigern gelangen erneuerbare Energien zunehmend in den Fokus. Seit den Neunzigern erlebt die Solarenergie einen regelrechten Boom. Staatliche Förderprogramme (siehe auch EEG) machen Solarzellen für den Endverbraucher finanziell attraktiv. Forschung und Entwicklung ermöglichen High-Tech-Produkte zur Erzeugung von Solarstrom. Solarmodule sind mittlerweile in vielen Ausführungen erhältlich. Das Hauptargument für Solarenergie: Sauberer Strom, erzeugt aus kostenloser Sonnenenergie.  

Erneuerbare Energien  
Gemeint sind Systeme zur Energieerzeugung, die auf natürliche Prozesse in der Umwelt zurückgreifen. Neben der Nutzung von Sonnenenergie für Solarstrom oder Solarwärme zählen Wind- und Wasserkraft sowie Geothermie zu den erneuerbaren Energien. 

EEG, Erneuerbare-Energien-Gesetz  
Das EEG verpflichtet seit dem Jahr 2000 alle Netzbetreiber in Deutschland zur Abnahme von Strom aus erneuerbaren Energien. Es bestimmt für jede Energieform die Fördersätze, also die Einspeisevergütung pro Kilowattstunde. Ziel des Gesetzes ist es, den Anteil der Erneuerbaren Energien im Strombereich kontinuierlich zu steigern. Vorläufer des EEG ist das Stromeinspeisungsgesetz von 1991.  

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Fossile Energieträger
Begriff für Energieträger wie Öl oder Kohle, die im Laufe von Jahrtausenden entstanden sind, und die nur noch eine begrenzte Zeit zur Verfügung stehen werden.
  
Fotovoltaik
siehe Photovoltaik

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Gewinnung des Rohstoffs  
Nur Quarzsand und -kies mit einem hohen Anteil an Siliziumdioxid sind für die Weiterverarbeitung zu Solarzellen geeignet. Zum Abbau werden typische Maschinen aus dem Tagebau eingesetzt: Radlader, LKW oder Bagger. Je nach Lagerstätte sind für Abbau und Transport spezielle Maschinen erforderlich. Je nachdem, wo der Rohstoff vorkommt, wird er durch Trockengewinnung oder Nassgewinnung abgebaut.    

Globalstrahlung  

Als Globalstrahlung wird die Summe der Sonneneinstrahlung bezeichnet, die auf eine horizontale Fläche der Erde trifft. Sie besteht aus direkter, diffuser und reflektierter Strahlung. Ihre Gesamtmenge ist je nach Region verschieden, aber entscheidend für die Stromausbeute.  
  
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Halbleiter
Halbleiter vereinen zwei Materialeigenschaften: Sie leiten Strom umso besser, je höher die Umgebungstemperatur ist. Bei niedrigen Temperaturen verhalten sie sich wie ein Isolator. Durch Dotierung lässt sich die Leitfähigkeit von Halbleitern steuern und verbessern.  

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Industrielle Verwendung  
Abgebauter Quarzkies wird aufbereitet für die weitere industrielle Verwendung. Der Rohstoff aus der Kiesgrube wird schließlich im Reinraum zu Wafern verarbeitet.  

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Kohlenstoff  
Kohlenstoff wird in einer chemischen Reaktion verwendet, um Verunreinigungen aus Quarzkies zu entfernen. Das Ergebnis ist fast reines Rohsilizium, das weiterverarbeitet werden kann zur Herstellung von Reinstsilizium für Solarzellen oder Halbleiter.  
  
Kristallines Silizium  
Siliziumkristalle haben eine dunkelgraue, glänzende Oberfläche. Je nach Ordnung des Kristallgitters unterscheidet man zwischen monokristallinen und polykristallinen Solarzellen. Die Ordnung bestimmt zudem den Wirkungsgrad der Solarzellen und beeinflusst die Stromausbeute der Solaranlage.  

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Leitfähigkeit   
Abhängig von Temperatur und Lichteinstrahlung vereint der Halbleiter Silizium sowohl isolierende als auch leitende Eigenschaften, wobei die elektrische Leitfähigkeit durch Dotierung gezielt verbessert werden kann.  
  
Lichtenergie  
siehe Sonnenenergie  

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monokristallines Silizium  
Abhängig vom Herstellungsprozess lassen sich zwei Arten kristallines Silizium erzeugen: monokristallines und polykristallines Silizium. Wesentliche Unterschiede bestehen in der elektrischen Leitfähigkeit und den Herstellungskosten. Beides entscheidende Faktoren für den Solarfachhändler, die er bei der Planung von Solaranlagen berücksichtigt, bevor er eine Empfehlung für Solarmodule ausspricht. Mehr dazu in den nächsten Kapiteln: Herstellung – Von der Fabrik in die Sonne und Auf dem Dach – Damit der Strom fließen kann.  
  
Mineralischer Rohstoff  
Als natürlicher Rohstoff kommt Quarzsand in fast unbegrenzter Menge vor – sprichwörtlich wie Sand am Meer. Eine Siliziumknappheit gibt es daher nicht. Zur Aufbereitung des Rohstoffs muss viel Energie investiert werden. Neue Technologien in der Solarzellenherstellung erlauben Module, die zunehmend weniger Siliziummaterial erfordern. Dadurch werden günstigere Solarmodule möglich.  

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Nachhaltige Energieformen  
Nachhaltige Energieformen sollen Umwelt und Natur für kommende Generationen schützen. Im Gegensatz zu fossilen Energieträgern ist eine nachhaltige Energiegewinnung unabhängig von begrenzten Rohstoffvorkommen. Siehe auch Erneuerbare Energien.  
  
Nassgewinnung  
Bei der Nassgewinnung werden Quarzsand und -kies von unterhalb des Grundwasserspiegels abgebaut.  

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Ökobilanz  
Das Siliziumdioxid wird auf seinem Weg zur Solarzelle aufwändigen Reinigungsverfahren und Aufbereitungsprozessen unterzogen. Daher verschlechtert sich die Ökobilanz zunehmend mit jedem Arbeitsschritt. Sobald die Solarzellen Strom erzeugen, dreht sich die Öko- oder Energiebilanz wieder ins Positive. Mehr dazu im nächsten Kapitel: Herstellung – Von der Fabrik in die Sonne.  

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Photovoltaik 
Unter Photovoltaik versteht man die Umwandlung von Lichtenergie in Strom. Der photovoltaische Effekt wurde bereits in der ersten Hälfte des  19. Jahrhunderts entdeckt. Die erste Siliziumsolarzelle wurde 1954 in den USA produziert. Zunächst wurden Solarzellen für die Raumfahrttechnik entwickelt. Seit der Energiekrise in den 70er Jahren gewannen erneuerbare Energien jedoch zunehmend an Bedeutung. In Deutschland hat sich die Leistung aller installierter PV-Anlagen seit Ende der 90er Jahre mehr als verzehnfacht.

polykristallines Silizium  
Eine Form des Siliziums, das zur Herstellung kristalliner Solarzellen verwendet wird. Siehe auch monokristallines Silizium.   

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Quarzsand 
Besteht zum Großteil aus Siliziumdioxid und ist Ausgangsmaterial für die Gewinnung von Silizium zur Herstellung von Wafern und Mikrochips, die in Solarmodulen, Computern und Handys Verwendung finden. 

Quarzkies 
siehe Quarzsand  

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Reinheitsgrad  
Silizium findet in der Industrie in diversen Reinheitsgraden Verwendung. Ausgehend von Rohsilizium (98% Reinheitsgrad) wird unterschieden zwischen Solarsilizium (polykristallin) und Halbleitersilizium (monokristallin). 

Rohsilizium  
Obwohl Rohsilizium über einen Reinheitsgrad von mehr als 98% verfügt, ist es noch nicht rein genug für Halbleiter- und Photovoltaikprodukte.  Weitere chemische Prozesse sind erforderlich, um die restlichen Verunreinigungen bis auf ein Milliardstel Prozent herauszulösen.  

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Silizium
Silizium (engl.: silicon, lat.: silex, Kieselstein) ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der äußersten Erdschicht. Es liegt in gebundener Form als Siliziumdioxid (SiO2) in Quarzsand und in vielen Mineralien vor, das Vorkommen ist daher nahezu unbegrenzt. In Kristallform ist Silizium dunkelgrau mit glänzender Oberfläche. Der Halbleiter wird vor allem in der Photovoltaik und der Chipindustrie verwendet. Gegenüber anderen Halbleitern verfügt kristallines Silizium über einen besonders hohen Wirkungsgrad bei vollem Licht. Nachteilig sind die hohen Energiekosten bei der Produktion, für die Schmelze sind Temperaturen bis zu 2000° erforderlich.

Solarzelle
Solarzellen gibt es in unterschiedlichen Ausführungen. Sie unterscheiden sich im Aufbau, im Wirkungsgrad und in der Optik. Allen gemeinsam ist, dass sie Lichtenergie in elektrischen Strom umwandeln können. Einsatzmöglichkeiten ergeben sich aus den speziellen Leistungsmerkmalen des jeweiligen Zelltyps: So gibt es kristalline Solarzellen mit geordneten Zellstrukturen (mono- und polykristallin) als auch amorphe Zellen, in denen das Silizium ungeordnet vorliegt. 

Sonnenenergie  
Sonnenlicht transportiert Energie zur Solarzelle. Im Solarmodul wird diese beim photovoltaischen Prozess in elektrische Energie umgewandelt.  

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Trockengewinnung  
Oberhalb des Grundwasserspiegels vorkommende Quarzkies- und Quarzsandbestände lagern trocken. Sie können durch das Abtragen des darüber liegenden Mutterbodens freigelegt und dann sukzessive abgebaut werden. Im Laufe des weiteren Abbaus entsteht eine Grube.   

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Wafer  
In der Halbleiterindustrie die Bezeichnung für kristalline Siliziumscheiben, die per Laser aus einem Siliziumrohling geschnitten wurden. 

Waschen des Rohstoffs  
Nach dem Abbau des Rohstoffs wird Quarzkies gewaschen, getrocknet und in Kornklassen klassifiziert. Für die Verwendung in der Solarindustrie haben sich bestimmte Korngrößen als vorteilhaft für die weitere Verarbeitung erwiesen.  

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Solar lohnt sich

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