Grüne Fabrik: Hauchdünne Sägen machen Solarzellen umweltfreundlicher

Grüne Fabrik: Hauchdünne Sägen machen Solarzellen umweltfreundlicher

von Wolfgang Kempkens

Bisher ist die Herstellung von Solarzellen nicht sonderlich umweltfreundlich. Das wollen Forscher jetzt ändern.

Dass Solaranlagen sauberen Strom produzieren, heisst noch lange nicht, dass auch ihre Herstellung sonderlich umweltfreundlich ist. Die Siliziumgewinnung aus Quarz zum Beispiel frisst einen Haufen Energie. Im Photovoltaikwerk selbst werden dann wenig bekömmliche Laugen, Säuren und Schwermetalle verwendet, die aufwendig recycelt werden müssen.

Insgesamt erzeugt eine Solaranlage, je nach Standort, erst nach rund zwei Jahren die Energie, die für ihre Produktion benötigt wurde.

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Aber neben Fortschritten beim Wirkungsgrad und den fallenden Preisen, verbessert sich auch die Umweltbilanz der Solarnergie stetig. Den jüngsten Durchbruch auf diesem Feld kann ein deutsch-australisches Forscherteam feiern.

Die Gruppe aus Wissenschaftlern vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik in Freiburg und der australischen Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation hat Sägedrähte entwickelt, die nur noch ein Zehntel des Durchmessers heutiger Schneidwerkzeuge haben. Damit lässt sich der Abfall beim Herstellen von Wafern - also dünnen Plättchen aus massiven Siliziumkristallen, aus denen im weiteren Verfahren Solarzellen werden - um 90 Prozent reduzieren.

Fester als Drähte aus Stahl

Heute gehen bei dem Prozess bis zu 50 Prozent an Material verloren. Dieses muss mit hohem Energieaufwand erneut aufgeschmolzen und zu Kristallen gegossen oder gezogen werden.

Die Mini-Sägen bestehen aus unzähligen, fest miteinander verbundenen Kohlenstoff-Nanoröhrchen, auf denen nicht minder kleine Diamantsplitter kleben. Mit einem Durchmesser von 10 bis 20 Mikrometern sind die neuartigen Sägedrähte um 90 Prozent dünner als bisher genutzte. Die Freiburger Wissenschaftler demonstrieren derzeit der Industrie in Sägetests die Vorteile der Technik.

Den Australiern war es gelungen, kurze Ketten aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu verspinnen, sodass lange Fäden entstanden. Obwohl unvorstellbar dünn, sind sie fester als viel dickere Stahldrähte. Die Freiburger versuchten dann, diese Fäden aus Nanoröhrchen mit Diamantsplittern zu überziehen, eine Aufgabe, an der sie anfangs beinahe verzweifelten:

Diamant setzt sich in einer stark kohlenstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von 900 Grad Celsius auf einer Unterlage ab, in diesem Fall auf den Nanofäden. Gleichzeitig entsteht butterweicher Graphit, der unter anderem als Mine im Bleistift verwendet wird. Um ihn zu beseitigen, leiteten die Freiburger in einem ersten Versuch Wasserstoff auf die fertig beschichteten Fäden. Das Ergebnis: Der Graphit war weg, doch die Nanoröhrchen waren beschädigt, sodass sie wegen mangelnder Festigkeit als Sägedraht nicht mehr taugten.

Die Lösung fanden die Wissenschaftler mit viel Glück. Bei einem ihrer Versuche beschichteten sie die Nanofäden versehentlich mit einer hauchdünnen Schicht aus Quarzglas, also reinem Siliziumoxid. Das schützte die Röhrchen vor dem aggressiven Wasserstoffgas. Außerdem hafteten die Diamantsplitter auf der neuen Oberfläche besonders gut. „Das sind die Sägen der Zukunft“, glaubt der Freiburger Physiker Manuel Mee inzwischen, der die Forschungsgruppe leitet. Das Verfahren ist mittlerweile zum Patent angemeldet.

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