Ökoeffiziente Siliziumverarbeitung im Dienste der Kreislaufwirtschaft
Strom aus erneuerbaren Energiequellen wird einen Eckpfeiler des zukünftigen nachhaltigen und klimaneutralen Energiesystems in Europa bilden. Gleichzeitig kommt es aufgrund des technologischen Fortschritts zu erhöhter Nachfrage nach Mikroelektronik. Infolgedessen sind die Märkte für Photovoltaik und Halbleiterwafer exponentiell gewachsen. Diese hochwertigen Produkte beruhen auf der Umwandlung von Siliziummetall, einem kritischen Rohstoff, in Solarzellen oder Mikrochips, die uns in Alltagsgegenständen wie etwa Smartphones dienlich sind.
Herausforderungen in der Siliziumproduktion
„Die Herstellung hochreinen Siliziums beginnt mit Quarz“, erklärt Martin Bellmann, Koordinator des Projekts ICARUS(öffnet in neuem Fenster) von SINTEF(öffnet in neuem Fenster) in Norwegen. „Es wird abgebaut und muss dann verarbeitet werden, was viel Energie verbraucht und CO2 erzeugt.“ Dabei entstehen Siliziumkristalle oder -blöcke, die dann in dünne Wafer geschnitten werden, um Solarzellen oder Mikrochips herzustellen. „Dieser Prozess läuft ähnlich wie das Sägen von Holz ab und erzeugt eine Menge Abfall“, sagt Bellmann. „Etwa 35 % des Siliziums gehen verloren.“ Außerdem erfordert die Kristallzüchtung extrem hohe Temperaturen sowie Schmelzbehälter aus hochreinem Quarz. Diese werden dann nach Gebrauch entsorgt. Eine weitere Abfallquelle stellt das Graphit dar, das in Öfen zum Einsatz kommt. Außerdem wird Silizium größtenteils aus Asien importiert, was Kostenprobleme und eine eingeschränkte Sicherheit der Lieferkette nach sich zieht.
Veredelung und Umwandlung von Industriesilizium
Das Team des EU-finanzierten Projekts ICARUS hat eine wichtige Gelegenheit erkannt, um dieses Problem der Importe sowie die Herausforderungen im Zusammenhang mit Abfall und Emissionen anzugehen. Zu diesem Zweck werden Prozesse erarbeitet, um industrielle Silizium-, Graphit- und Siliziumdioxid-Abfallströme zu veredeln und in hochwertige Endprodukte umzuwandeln. „Unser Ziel lautete, Lösungen zu finden, mit denen 95 % der hochwertigen Rohstoffe aus der Siliziumblock- und -waferherstellung zurückzugewinnen sind“, erklärt Bellmann. „Auf diese Weise könnten erhebliche Mengen an Rohstoffen für weitere industrielle High-End-Anwendungen freigesetzt werden.“ Im Rahmen des Projekts konnten drei innovative industrielle Pilotvorhaben zur erfolgreichen Rückgewinnung von Silizium, Siliziumdioxid und Graphit durchgeführt werden. „Wir haben damit begonnen, Abfallprodukte an der Quelle zu sammeln“, fügt Bellmann hinzu. „Siliziumpulver ist normalerweise feucht und muss daher getrocknet und vorbehandelt werden. Auch Verunreinigungen müssen entfernt werden, um die zur Wiederverwendung erforderliche Qualität zu erreichen.“ Bei einem weiteren Pilotprojekt stand die Umwandlung dieser Rohstoffe in vollwertige Industrieprodukte für verschiedene Spitzenanwendungen im Mittelpunkt. Diese erstreckten sich von Photovoltaikzellen bis hin zu Lithium-Ionen-Batteriezellen. Siliziumabfall wurde außerdem in Wasserstoff und Wasserglas (auch bekannt als Natriumsilikat) umgewandelt, eine Verbindung, die als Zement und Bindemittel in der Bauindustrie zum Einsatz kommt.
Zuverlässige Versorgung mit Silizium sicherstellen
Gegenwärtig stellt das Projektteam diese Ergebnisse der Industrie vor; und das nicht nur in Europa, sondern weltweit. Ein möglicher Weg, der erkundet wird, ist der Verkauf von Lizenzen, um die Technologie mithilfe von Partnerschaften weiterzuentwickeln und auszubauen. „Unsere Ergebnisse könnten dazu beitragen, durch Bereitstellung einer heimischen Rohstoffquelle Schwung in die europäische Photovoltaikindustrie zu bringen“, betont Bellmann. „Die von uns entwickelte Technologie könnte diese Wiederbelebung unterstützen.“ In ähnlicher Weise benötigt die Halbleiterindustrie eine zuverlässige Versorgung mit Silizium, und zwar mit einem noch höheren Reinheitsgrad als es bei den Photovoltaikzellen erforderlich ist. Auch hier könnten die innerhalb von ICARUS entwickelten Konzepte und Technologien dazu beitragen, die europäische Wettbewerbsfähigkeit auf diesem Gebiet zu stärken.
