Wie werden Solarmodule hergestellt?

In den USA wurde gerade ein neues Solarprojekt installiert.

Stellen Sie einen Timer auf 60 Sekunden und warten Sie. Machen Sie vielleicht einen Schritt nach draußen und genießen Sie etwas Sonnenlicht.

Zing! – ein weiteres Solarprojekt wurde gerade installiert.

Die Sonne scheint auf die Solarindustrie; Die Zahlen sind beeindruckend. Nach Angaben der Solar Energy Industries Association (SEIA) gibt es in den USA heute genug Solarkapazität, um umgerechnet 23 Millionen Haushalte mit Strom zu versorgen. Das sind 126 Gigawatt (GW), die aus Millionen von Solaranlagen im ganzen Land stammen.

Die US-Solarindustrie hatte im Jahr 2021 einen Wert von 33 Milliarden US-Dollar, beschäftigte mehr als 230.000 Menschen und wuchs weiterhin in der Stromkapazität mit einer durchschnittlichen Rate von 33 Prozent pro Jahr.

Solarpaneele erzeugten im Jahr 2021 in den USA fast 4 Prozent des Stroms, gegenüber weniger als 1 Prozent im Jahr 2015. An manchen Orten ist diese Zahl viel höher; Beispielsweise stammten im Jahr 2021 17 % der Stromerzeugung Kaliforniens aus Solarenergie. Fast die Hälfte aller neuen Energiekapazitäten, die 2021 in das US-Netz aufgenommen wurden, stammten aus Solarenergie. Noch ermutigender ist, dass die Solarindustrie bis 2030 fast ein Drittel des Stroms in den USA erzeugen will.

Da für die kommenden Jahre so viele Solarmodule geplant sind, fragen Sie sich vielleicht: Was genau sind Solarmodule und wie werden sie hergestellt?

Zur Stromerzeugung gibt es zwei Arten der Solartechnik. Am gebräuchlichsten sind Photovoltaik-Paneele oder -Module (PV), die das Sonnenlicht zur Stromerzeugung nutzen. Eine andere Technologie, die konzentrierende Solarenergie (CSP), nutzt stattdessen die Sonnenwärme.

Der gebräuchlichste Typ von PV-Modulen wird aus kristallinem Silizium (c-SI) hergestellt. Nach Angaben des US-Energieministeriums macht diese Technologie 84 % der US-Solarmodule aus. Andere Typen umfassen Cadmiumtellurid, Kupfer-Indium-Gallium(di)selenid-Platten und amorphes Dünnschichtsilizium. Da C-SI-Panels den größten Teil des US-amerikanischen und globalen Marktes ausmachen, konzentriere ich mich in diesem Blog auf sie.

Der Bau eines kristallinen Silizium-Solarmoduls ist ein bisschen wie der Bau einer Sandburg, denn Silizium kommt aus Sand! Strandsand ist Siliziumdioxid, auch Kieselsäure genannt. (Wenn die Strandpolizei das auf einem Warnschild anbringen würde, würde bestimmt niemand den Strand betreten!). Silizium ist in Form von Siliziumdioxidsand und -kies neben Sauerstoff das zweithäufigste Element auf der Erde.

Bevor es in einem Solarpanel verwendet wird, muss Siliziumdioxid in reines „metallurgisches Silizium“ (MGS) umgewandelt werden. Dieser Prozess verbraucht viel Energie: Für die Herstellung von 1 Kilogramm metallurgischem Silizium werden 14–16 kWh Strom benötigt, was in etwa der siebenstündigen Nutzung Ihres heimischen Ofens entspricht. Dennoch emittieren Solarmodule im Laufe ihrer Lebensdauer 25-mal weniger Kohlendioxidäquivalente pro Kilowattstunde als Strom aus Kohlekraftwerken.

Chemiepause! Das Rezept zum Kochen von Silizium in metallurgischer Qualität lautet

Geben Sie 1 Teil Siliziumdioxid (Kies) und 2 Teile Kohlenstoff (aus Kohle, Holzkohle oder Holzspänen) in einen Lichtbogenofen

Erhöhen Sie die Hitze auf 2200 Grad Celsius (das ist ein Drittel der Sonnentemperatur!!)

Ta-da! Übrig bleiben 99 % reines Silizium und Kohlenmonoxid (das ist der von uns hinzugefügte Kohlenstoff, der an den Sauerstoff gebunden ist, den wir aus dem Siliziumdioxid entfernt haben).

Aber Solarmodule sind Perfektionisten; Sie verlangen eine nahezu 100-prozentige Reinheit des Siliziums. Um dies zu erreichen, müssen wir das Silizium mithilfe eines Prozesses, bei dem Salzsäure und Wasserstoffgas zum Einsatz kommen, zu einem noch reineren Polysiliziummetall aufwerten. (Unterhaltsame Tatsache: Etwa 12 % der weltweiten Siliziumproduktion werden derzeit zu Polysilizium für Solarmodule verarbeitet.)

Nach der Zugabe von Säure und Gas verbleiben Brocken aus Polysiliziummetall, die typischerweise in einer etwa fünf Meter langen zylindrischen Form wieder eingeschmolzen werden. Bor wird hinzugefügt, um dem Metall auf einer Seite eine positive elektrische Ladung zu verleihen. Das heiße, schmelzende Silizium kühlt ab und bildet eine einkristalline („monokristalline“) Struktur in Form eines zylindrischen Barrens. Barren sind jedes Material, das in eine rechteckige Form gegossen wird, wie etwa Goldbarren.

(Ein anderes Verfahren wird zur Herstellung von „polykristallinen“ Siliziumwafern verwendet, bei denen sich mehrere Kristalle bilden. Dieses Verfahren führt tendenziell zu weniger effizienten Panels, kann aber die Kosten der Wafer senken.)

Als nächstes schneidet eine Drahtsäge die reinen Metallblöcke aus Polysilizium in hauchdünne, typischerweise 7 x 7 Zoll große flache Scheiben, sogenannte Wafer.

Die Wafer werden in einem Ofen erhitzt und mit einer dünnen Schicht Phosphor versehen, wodurch eine Seite (die der positiven Borseite gegenüberliegt) negativ geladen wird. Als nächstes werden die Wafer mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen, denn ohne sie reflektieren diese glänzenden Scheiben das Sonnenlicht – und wir möchten, dass sie es stattdessen absorbieren. In diesem Stadium sind die Wafer nun in der Lage, die Energie der Sonne zu absorbieren und in Elektronen umzuwandeln. Jetzt müssen wir Silbermetallleiter hinzufügen, damit diese Elektronen in elektrischen Strom umgewandelt werden können, den Geräte nutzen können!

Silber – das leitfähigste Element der Welt – fängt die Elektronen in den Siliziumwafern ab und wandelt sie in Strom um. Die Siliziumwafer bilden nun eine leitfähige Solarzelle. Jedes Solarpanel, das normalerweise 60 oder 72 Zellen enthält, verbraucht etwa 20 Gramm Silber – ein Bruchteil des Panelgewichts, aber etwa 10 % seiner Gesamtkosten.

Kupfermetallleiter und -kabel verbinden die Solarzellen zu einem großen Solarpanel und verleihen ihm das klassische Matrix-Erscheinungsbild. Kupfer ist ein guter elektrischer Leiter und sehr formbar, was es zu einem hervorragenden Material für die Herstellung der Verkabelung macht, die den Strom durch das Panel leitet.

Zap! Es wurde ein Solarpanel hergestellt.

Nun multiplizieren Sie es jedes Jahr allein für die USA mit etwa 60 Millionen.

Und dann beschleunigen Sie es, denn wir brauchen Solarenergie, um eine immer größere Rolle bei der Erreichung unserer sauberen Energie- und Klimaziele zu spielen.

Es gibt viel zu tun, um Solarenergie über den Bau von Solarmodulen hinaus zu verwirklichen, aber die verantwortungsvolle Beschleunigung der Herstellung und Installation von Solarmodulen ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu einer gerechten, nachhaltigen Zukunft mit erneuerbaren Energien.

Möchten Sie mehr über die Lieferkette von Solarmodulen erfahren? Welche Länder treiben den PV-Materialabbau und die PV-Herstellung voran? Wie sieht die Reparatur- und Wiederverwendungsbranche für Solarmodule heute aus? Wie können wir Solarmodulmaterialien recyceln und eine abfallarme Kreislauflieferkette schaffen? Klicken Sie auf die Links, um Antworten zu erhalten!

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Veröffentlicht in:Energie

Stichworte:Fertigung, erneuerbare Energien, Lebenszyklus erneuerbarer Energien, Solarenergie, Solar-PV

Über den Autor

Charlie Hoffs war 2022 UCS Summer Schneider Fellow in Cambridge, Massachusetts. Sie erwarb 2022 ihren BS-Abschluss in Chemieingenieurwesen an der Stanford University und absolviert derzeit einen MS in Community Health and Prevention Research in Stanford. Im April 2020 war sie Mitbegründerin und Co-Leiterin von unBox, einer von Jugendlichen geführten Organisation, die sich dafür einsetzt, junge Menschen zu vereinen und zu befähigen, im Kampf gegen die Ernährungsunsicherheit in den USA zu kämpfen.

Rachel Cleetus Politikdirektorin

Analytischer Leiter der John Rogers Energy Campaign

Maria Chavez Energieanalystin