Nach der Katastrophe von Fukushima hat die Bundesregierung den vollständigen Atomausstieg bis 2022 beschlossen. Am Forschungsreaktor der Universität Mainz soll nun ausgerechnet die Kernkraft dazu beitragen, Solarenergie effizienter zu machen.

von Florian Lieb

Silizium-Wafer (Foto: ©Fraunhofer ISE)

Wenn die Sonne auf eine Solarzellenanlage strahlt, wissen die wenigsten Menschen, wie deren Wärmegewinnung genau funktioniert. Wer hätte zum Beispiel gedacht, dass dabei nur 14 Prozent der Sonnenstrahlen (Wirkungsgradeffekt genannt) tatsächlich in Energie umgewandelt werden? Zu „schmutzig“ sind die Solarzellen, weil das Silizium, aus dem sie bestehen, durch Atome wie Mangan, Chrom oder Eisen verunreinigt wird.

„Das macht die Photovoltaik nicht sonderlich effizient“, urteilt Dr. Norbert Wiehl vom Institut für Kernchemie an der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz. „Einen gewissen Charme“ bescheinigt der Kernchemiker deshalb der Tatsache, dass nun ausgerechnet Kernkraft dazu beiträgt, die Herstellung von Solarzellen kostengünstiger und, was den Wirkungsgrad angeht, effektiver zu machen.

Zwei alte Bekannte

Kernchemiker Norbert Wiehl: Auf der Suche nach reinem Silizium (Foto: Florian Lieb)

Kernchemiker Norbert Wiehl: Auf der Suche nach reinem Silizium

Das Silizium ist für Norbert Wiehl keine unbekannte Größe. Bereits in den achtziger Jahren beschäftigte sich der Kernchemiker mit Siliziumverunreinigungen. Damals allerdings weniger mit Solarzellen, als mit Computerchips für die Elektroindustrie. Dabei arbeitete er in Köln zeitweise mit seinem Kollegen Eicke Weber zusammen. Wiehl promovierte, Weber habilitierte – und ging anschließend als Assistenzprofessor an die US-amerikanische University of California in Berkeley.

Vor fünf Jahren kehrte Weber nach Deutschland zurück, um die Leitung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg zu übernehmen. Hier will Weber preiswertes Silizium für Solarzellen entwickeln. Unterstützung erhoffte er sich vom Mainzer Forschungsreaktor und einem alten Bekannten: Norbert Wiehl. Dieser bezeichnet die Zusammenarbeit mit den Freiburgern als „gute, fruchtbare Idee“. Dabei ist Wiehl selbst inzwischen mehr mit der Datenverarbeitung am Institut betraut als mit der eigentlichen Siliziumforschung.

Massive Verunreinigungen im Silizium

Seit 2007 führen Wissenschaftler in Mainz Optimierungsanalysen für das ISE durch. In Freiburg arbeiten Forscher ebenso lange an einer kostengünstigeren Herstellung von Silizium-Solarzellen mit einem höheren Wirkungsgrad. Um das chemische Element und Halbmetall Silizium überhaupt für die Solarzellenherstellung verwenden zu können, muss es einen Reinheitsgrad von 99,99 Prozent besitzen.

Mit einer Reinheit von 98 Prozent sei Rohsilizium noch „ziemlich schmutzig“, meint Norbert Wiehl. Denn jedes Mal, wenn ein Sonnenstrahl in der Solarzelle auf ein Verunreinigungsatom stößt, kann er nicht weitergeleitet und somit keine Energie gewonnen werden. Und selbst bei 99,99 Prozent reinem Silizium gibt es nach Wiehl noch immer 1018, und damit unvorstellbar viele, Verunreinigungsatome. So kommt der geringe Wirkungsgrad von lediglich 14 Prozent zu Stande, der in Freiburg mit Hilfe eines verbesserten – und potenziell kostengünstigeren – Reinigungsverfahrens letztlich auf etwa 20 Prozent gesteigert werden soll.

Destillation: wirksam, aber teuer

Für gewöhnlich wird Silizium in einem speziellen Verfahren, in der Chemie Siemens-Verfahren genannt, gewonnen. Dieses ist zwar hocheffizient, aber auch sehr energieintensiv und damit teuer. Im Siemens-Verfahren reagiert das zu reinigende Silizium mit Chlorwasserstoff zu dem Zwischenprodukt Trichlorsilan, einer Verbindung aus Silizium und Chlor. Das Trichlorsilan wird anschließend in einen gasförmigen Aggregatzustand gebracht und daraus dann Silizium destilliert.

Bei der Destillation können Gemische in ihre bestehenden Stoffe aufgetrennt werden, da diese im gasförmigen Zustand unterschiedlich schwer sind. „Eine der besten Möglichkeiten zur Reinigung“, bestätigt Norbert Wiehl. Dennoch ist diese Form der Siliziumreinigung zu teuer und das Silizium selbst noch zu schmutzig. Ein kostengünstigeres Reinigungsverfahren glaubt das ISE in Freiburg im sogenannten Getter-Verfahren gefunden zu haben, das in zwei Schritten durchgeführt wird.

Bildergalerie: Die Kristallisation von Silizium

Wärme lockt den „Schmutz“ an

Als erstes wird eine gerichtete Kristallisation des Rohsiliziums angestrebt, eine Ordnung der Siliziumatome. Diese Kristallisation ist äußerst wichtig, bestimmt sie doch letztlich den Wirkungsgrad der Solarzelle. Dazu bringen die Forscher das Rohsilizium zuerst in einen flüssigen Aggregatszustand. Anschließend beheizen sie die Schmelze von oben wie unten – allerdings mit unterschiedlicher Wärme. Denn dadurch, dass die Hitze oben stärker ist als unten, erstarrt das geschmolzene Silizium von unten nach oben. So bewegen sich beim Erstarren die Verunreinigungselemente des Siliziums an dessen Oberfläche, da sie sich lieber in flüssigen Formen aufhalten.

Im zweiten Schritt werden aus dem nunmehr kristallisierten Silizium mit einer Vieldrahtsäge Blöcke à 10×10 Zentimeter (Wafer genannt) in dünne Scheiben von 180-200 Mikrometer gesägt. Diese Wafer erhitzen die Forscher anschließend bei um die 1100 Grad Celsius und behandeln sie gleichzeitig mit Reaktivgasen.

Reaktivgas: effektiv, aber unerforscht

Reaktivgase sind die Gase, die mit Stoffen chemisch reagieren können. Diese Gase reagieren an der Oberfläche der Wafer mit den Verunreinigungsatomen – nur eben nicht mit allen. Wie genau die Reaktivgase das Silizium zusätzlich reinigen, ist den Forschern allerdings bisher noch unklar. „So einfach ist das nicht“, erklärt Stefan Janz vom ISE. Es sei sehr schwierig, so Janz, bei diesen hohen Temperaturen „etwas an der Oberfläche zu messen“.

Norbert Wiehl springt seinem Kollegen zur Seite, indem er bestätigt, es sei „noch nicht ganz verstanden, was genau an der Oberfläche passiert“. Alles was die Forscher wissen, ist, dass die Gase das Silizium zusätzlich reinigen. Daran, welche Gase bei welchen Temperaturen am besten für das Getter-Verfahren geeignet sind, tüfteln die Forscher zur Zeit noch.

Neutronenaktivierungsanalyse: „wie ein Fingerabdruck“

25 Zentimeter langer Siliziumstab in Hand (Foto: Florian Lieb)

Siliziumprobe: Schlüssel zu mehr Effizienz von Solaranlagen

Ist das Rohsilizium erst einmal kristallisiert und gereinigt, kommt schließlich der Mainzer Forschungsreaktor ins Spiel. Das ISE liefert 25 Zentimeter lange stabförmige Säulen von kristallinem Silizium für die Neutronenaktivierungsanalyse (NAA). Die Probe aus Freiburg wird im Kernreaktor bestrahlt, Neutronen entstehen bei der Kernspaltung und werden von den Atomen der Siliziumprobe eingefangen. Dadurch werden die Atome instabil, also radioaktiv, und senden eine Strahlung aus. „Über die charakteristische Verstrahlung lässt sich direkt der Verunreinigungsgrad bestimmen“, erläutert Norbert Wiehl. Die Intensität der Strahlung gibt den Gehalt der Atome an und wird mit Proben der Verunreinigungselemente Mangan, Chrom, Eisen, Nickel und Kobalt „wie ein Fingerabdruck“ verglichen, so Wiehl.

Erfolg ungewiss

Sprich: In Freiburg wird das Silizium sauberer gemacht und in Mainz festgestellt, wie sauber es letztlich ist. Ob der Wirkungsgrad durch das neue Verfahren bisher prozentual verbessert werden konnte, lässt sich allerdings noch nicht sagen. „Wir wissen nicht, wo wir momentan hinsichtlich des Wirkungsgrads genau stehen“, bestätigt Wiehl, der aber mutmaßt, dass die Lebensdauer der Solarzellen verlängert werden konnte.

Wie lange das Forschungsprojekt noch weitergeht, ist dabei unklar. In Freiburg sollen Ende 2012 Ergebnisse vorgelegt werden. In Mainz ist die Siliziumforschung dagegen abhängig davon, ob ein Doktoranden- oder Diplomandenantrag bewilligt wird. Denn die Doktoranten und Diplomanden sind diejenigen, die die wissenschaftliche Arbeit am Institut leisten. Um die Zukunft der Kernchemie macht sich Norbert Wiehl dabei einige Gedanken. Er ist sich aber sicher, dass es ganz ohne Kernenergie selbst in der Solarbranche nicht gehen wird: „Auch die Sonne funktioniert mit Kernkraft“.

Zur Zukunft des Mainzer Instituts für Kernchemie

Der Atomausstieg zum Jahr 2022 hat nach Aussagen von Tobias Reich, Leiter des Instituts für Kernchemie an der JOGU Mainz, keinen Einfluss auf die Lehre des Instituts. Da für den Rückbau der kerntechnischen Anlagen und die Entsorgung der abgebrannten Brennelemente Kompetenzen von Nöten sind, soll die Forschung und Lehre am Institut auch in einem Jahrzehnt nach gegenwärtigen Planungen „in vollem Umfang“ vertreten sein, versicherte Reich auf Nachfrage. An der Laufzeit des Forschungsreaktors selbst, der noch bis 2020 in Betrieb ist, soll sich ebenfalls nichts ändern. Dieser kann im Gegenteil abhängig von seiner Nutzung in der Grundlagenforschung und Ausbildung über seine bisherige Laufzeit hinaus verlängert werden.