26.01.2015, 09:49 Uhr

Strom sparen bei der Solarzellen-Produktion

Karlsruhe – Für die Herstellung von kristallinen Silizium-Solarzellen wird hochreines Silizium benötigt. Die Kristallisation erfolgt mit einem energetisch aufwändigen Schmelzverfahren. Forscher aus Karlsruhe wollen nun den Wirkungsgrad bei der Prozessstromversorgung erheblich steigern. Dabei spielt der Einsatz von Siliziumkarbid eine wichtige Rolle.

Generell kann durch die Steigerung des Wirkungsgrades bei der Stromversorgung in industriellen Prozessen viel Energie und CO2 eingespart werden, so die Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). In einem neuen, vom Bundesforschungsministerium mit 800.000 Euro geförderten Projekt sollen am Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT die Möglichkeiten hierfür ermittelt werden.

Zonenschmelzverfahren optimieren

Die Forschungen erfolgen im Rahmen des neuen Verbundprojekts „Modulare Mittelfrequenz-Prozessstromversorgung mit Siliziumkarbid-Leistungshalbleiterschaltern“ (MMPSiC) mit den Industriepartnern Trumpf Hüttinger und IXYS Semiconductor. Viele industrielle Verfahren verbrauchen große Mengen elektrischer Energie. Darunter sind auch Technologien, die eine wichtige Rolle für die Energiewende spielen, wie das Zonenschmelzverfahren (Float Zone Verfahren) zum Herstellen von hochreinen kristallinen Werkstoffen. Dabei wird die Substanz wird in einer schmalen Zone elektrisch geschmolzen. Die Schmelzzone wird nach und nach weitergeführt. Hinter der Schmelzzone kristallisiert die Substanz reiner als zuvor. Das Zonenschmelzverfahren liefert unter anderem hochreine Silizium-Einkristalle für die Herstellung von Photovoltaik-Zellen.

Erreichbaren Wirkungsgrad von 65 auf 80 Prozent steigern

Zur Stromversorgung von Zonenschmelzanlagen werden bis jetzt auf Röhrentechnologie basierende Systeme eingesetzt, die einen elektrischen Wirkungsgrad von maximal 65 Prozent aufweisen. Durch eine Umstellung auf Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid ließe sich der Wirkungsgrad der Prozessstromversorgungen auf über 80 Prozent steigern. Dies würde große Mengen an elektrischer Energie einsparen und Treibhausgasemissionen reduzieren.

Forscher betreten Neuland

Die Realisierbarkeit solcher Prozessstromversorgungen untersuchen Forscher des LTI am KIT gemeinsam mit ihren Partnern aus der Wirtschaft. Als Halbleitermaterial bietet Siliziumkarbid verschiedene Vorteile, u.a. ermöglicht es deutlich höhere Betriebstemperaturen als konventionelle Halbleiter.

„Bei der Stromversorgung von energieintensiven industriellen Anwendungen wie dem Zonenschmelzverfahren ist es erforderlich, mit hohen Frequenzen zu schalten“, erklärt der Leiter des Projekts, Dr. Rainer Kling vom LTI des KIT. „Siliziumkarbid ist für diese hohen Frequenzen noch nicht erprobt; wir betreten damit Neuland.“ Neben der Prüfung der Langzeitbeständigkeit gehören auch die Ansteuerung und das Layout der Schaltung zu den Aufgaben der KIT-Forscher im Verbundprojekt MMPSiC.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt das Projekt auf der Grundlage des Programms „Informations- und Kommunikationstechnologie 2020“ (IKT 2020) im Rahmen der Fördermaßnahme „Leistungselektronik zur Energieeffizienzsteigerung“ (LES 2) mit rund 800.000 Euro. Davon erhält das LTI des KIT rund 439.000 Euro. Insgesamt beträgt das Projektvolumen 1,3 Millionen Euro. Das Verbundprojekt startete 2014 und ist auf drei Jahre angelegt.