Neue Solarmodule aus Solarmodulabfällen

28. November 2022

von Georg Mathisen, Norwegische Universität für Wissenschaft und Technologie

Solarenergie ist eine gute Nachricht für den Planeten Erde – aber Solarpaneele sind nicht so klimafreundlich, wie sie sein sollten. Der Forscher Martin Bellmann nutzt das, wie er es nennt, „schwarze Gold“ Abfallstoffe aus der Solarmodulproduktion, um neue Module herzustellen.

Solarenergie ist saubere Energie. Schlicht und einfach. Doch schon bald wird es kompliziert, wenn es darum geht, die Rohstoffe zu beschaffen, die wir für die Herstellung von Solarmodulen benötigen. Nicht nur, dass die meisten dieser Rohstoffe aus China stammen, sondern auch, dass bis zu einem Drittel des Materials während des Herstellungsprozesses verloren geht.

„Aber es ist möglich, dieses Material im Rahmen des Produktionsprozesses zurückzugewinnen“, sagt Martin Bellmann. „Und vielleicht können wir dadurch eine neue Solarindustrie in Europa etablieren“, sagt er. Bellmann ist Senior Business Developer bei SINTEF Industry und leitet das internationale Solarpanel-Projekt namens Icarus. Solarmodule machen derzeit 60 % des weltweiten Wachstums erneuerbarer Energien aus.

Bellmann erklärt, wie Solarmodule mit dem Mineral Quarz beginnen, aus dem hochreines Silizium hergestellt wird. Zunächst wird das Silizium in einem Tiegel geschmolzen und ein Siliziumkristall oder Barren herausgezogen.

„Der Barren bildet eine Art Zylinder, der wächst und wächst, indem er das Silizium langsam aus dem Tiegel zieht“, sagt Bellmann. „Dann wird es zu einem quadratischen Block geschnitten, der in dünne Scheiben, oder Wafer, wie wir Forscher sie nennen, gesägt wird“, sagt er.

Ein typischer Wafer ist nur 0,13 Millimeter (13 Mikrometer) dick und aus diesen Wafern werden Solarmodule hergestellt.

Aber bei all dem Sägen entsteht eine Menge „Sägemehl“-Pulver. Es ist wie beim Sägen eines Holzbretts – ein Teil des Holzes geht in Form von Sägemehl verloren. Das Gleiche passiert, wenn Sie einen Siliziumblock durchsägen, selbst wenn Sie dünne Diamantdrähte verwenden. Ein Teil des Materials geht immer als „Siliziumpulver“ verloren.

„Wir verlieren 35 % des Siliziums in Form eines schwarzen Pulvers“, sagt Bellmann.

Genau dieses Pulver, das er das neue schwarze Gold nennt, wollen die Forscher ausnutzen.

„Heute werfen wir dieses Pulver einfach weg“, sagt Bellmann. „Das Icarus-Projekt untersucht in erster Linie Möglichkeiten, das Pulver in die Wertschöpfungskette zurückzuführen und daraus Siliziumkristalle und Solarpaneele herzustellen“, sagt er.

Das Pulver wird in einer flüssigen Schlammmischung gesammelt, die auch Verunreinigungen aus dem Sägeprozess wie Sauerstoff, Kohlenstoff, Nickel, Eisen und Aluminium enthält.

„Durch diese Metalle verunreinigtes Silizium ist nicht gut für die Herstellung von Solarmodulen“, sagt Bellman

Deshalb arbeitet er gemeinsam mit Icarus-Projektpartnern daran, das Siliziumpulver zu dekontaminieren, damit es als Rohstoff für neue Solarmodule recycelt werden kann. Was wir heute als Abfall betrachten, kann in anderen Produkten verwendet werden, beispielsweise in Batterien für Elektrofahrzeuge. Mehrere Partner testen unterschiedliche Möglichkeiten, Silizium aus dem verunreinigten Gemisch abzutrennen.

Ziel ist natürlich eine bessere Ausbeutung des Rohstoffs, was wiederum gut für die Umwelt und das Klima ist. Es ist aber auch erklärtes Ziel, dass Europa eine größere Autarkie erreicht.

„Der europäische Solarpanelsektor war früher größer als heute, aber alles wurde nach China verlagert“, sagt Bellmann. „Heute sind wir stark auf Rohstoffe aus Asien angewiesen, und Silizium ist da keine Ausnahme. Wir planen, das Siliziumpulver zu verwenden, um unsere Abhängigkeit von China zu verringern“, sagt er.

Bellmann hofft, dass das Icarus-Forschungsprojekt die Grundlage für eine neue Industrie bilden wird, vielleicht auch in Norwegen. Die norwegische Energie ist sauber, und das ist in diesem Zusammenhang ein großer Vorteil.

Ein Vorteil des Icarus-Projekts besteht darin, dass Forscher planen, die Quarztiegel zu recyceln, die zum Schmelzen des Siliziums verwendet werden, bevor es in Kristalle gezogen wird.

„Die Tiegel zerbrechen beim Abkühlen im Schmelzofen“, sagt Bellmann. „Jedes Mal, wenn man Quarz schmilzt, muss man sich einen neuen Tiegel besorgen und den alten wegwerfen. Unser Ziel ist es, diesen als Rohstoff für die Herstellung von Siliziumkarbid zu verwenden“, sagt er.

Siliziumkarbid wird unter anderem in der Elektronikindustrie eingesetzt, Elektrofahrzeuge sind nur eines von vielen Produkten, die das Material enthalten.

„Normalerweise verwenden wir zur Herstellung von Siliziumkarbid sogenannten hochreinen Quarz, der aber sehr teuer ist“, sagt Bellmann. „Unsere Idee ist, dass es möglich sein könnte, hochreinen Quarz durch Tiegelabfälle zu ersetzen, bei denen es sich im Wesentlichen auch um Quarz von sehr hoher Reinheit handelt“, sagt er.

Das Icarus-Projekt befasst sich auch mit der Wiederverwertung von Graphitabfällen als Rohstoff unter anderem für den Einsatz in Batterien.

„Auch hochreiner Graphit wird verworfen“, sagt Bellmann. „Es wird in den Öfen verwendet, in denen die Siliziumkristalle herausgezogen werden, muss aber von Zeit zu Zeit ersetzt werden, weil es seine Eigenschaften verliert. Das Icarus-Projekt arbeitet derzeit mit Graphitabfällen mit dem Ziel, diese zu recyceln“, sagt er.