Im europäischen Forschungsprojekt Resilex arbeiten Forscher:innen daran, Siliziumingots für Anwendungen in der Photovoltaik und in Batterien aus Abfällen und recyceltem Material herzustellen. Die Europäische Union stuft seit 2014 aufgrund des hohen Versorgungsrisikos und der wirtschaftlichen Bedeutung Silizium als kritischen Rohstoff ein. Gegenwärtig ist die Herstellung von Silizium und Solarzellen ein kohlenstoff- und energieintensiver Prozess, bei dem mehrere geringwertige Nebenprodukte und Abfälle anfallen. Daher ist eine Verlagerung weg von der Abfallerzeugung und den Kohlenstoffemissionen hin zur Kreislaufwirtschaft notwendig, um eine nachhaltige Industrie zu schaffen.
In den letzten Monaten haben die Partner des Resilex-Projekts daran gearbeitet, einen neuen Weg für die Herstellung von Silizium zu testen. Das neu entwickelte Verfahren besteht aus einer kohlenstofffreien, nachhaltigen, aluminothermischen Reduktion von geschmolzenen Silikaten (Oxidschmelzen) durch Aluminiumschrott. Dieses Verfahren wollen die Forscher:innen für die Herstellung von reinem Silizium optimieren, das für Solarenergie- und Batterieanwendungen geeignet ist.
Hochreines Silizium aus Slag, Kerf und Schrott
Für den Herstellungsprozess setzen die Forscher:innen Reststoffe ein. Beim Sägen von Siliziumingots in sehr dünne Scheiben mit Hilfe eines Diamantseils gehen etwa 40 % des Materials als Mikroteile des Siliziums verloren. Diesen Abfall spült man durch eine Sägeflüssigkeit weggespült, wobei ein Schlamm entsteht. Der kristallisierte Schlamm, Kerf genannt, besteht aus hochreinem Silizium. Zudem bleibt bei der Raffination und Verhüttung von Silizium ein Rückstand zurück, den man als Slag bezeichnet. Obwohl es sich um einen Rückstand handelt, enthält er noch einen beträchtlichen Siliziumgehalt.
Slag, Kerf, Quarz und eine Siliziumlegierung, die man durch die aluminothermische Reduktion von geschmolzenen Silikaten (Oxidschmelzen) durch Aluminiumschrott oder Schlacken gewinnt, kommen zum Schmelzen einen Ofen. Nach Beendigung des Prozesses und Entfernung der Schlacke weist das gewonnene Silizium einen Reinheitsgrad von 98,91 % auf. Zudem hat man an der NTNU (Norwegian University of Science and Technology) auch an Techniken zur weiteren Reinigung des gewonnenen Produkts geforscht. Durch gerichtete Erstarrung von Silizium, eine Raffinationsmethode, die auf der Verteilung von Verunreinigungen zwischen festem und flüssigem Metall beruht, haben die Forscher:innen einen Reinheitsgrad von 99,86 % erreicht.
In den kommenden Monaten wird der Resilex-Partner CEA weitere Tests durchführen, um die Eignung des Abfallmaterials für die Herstellung von Solarzellen und Li-Ionen-Batterien zu bewerten. Somit soll dies ein wichtiger Schritt nach vorn sein, um die europäische Wertschöpfungskette zirkulärer und nachhaltiger zu gestalten.