Silizium: Grundlage für die Glasproduktion

Ein Rauchquartz-Kristall

Glas

Silizium: Grundlage für die Glasproduktion

Das häufigste Element der Erdkruste ist Sauerstoff mit einem Anteil von mehr als 46 Prozent. Gleich danach kommt Silizium, das mit rund 26 Prozent einen größeren Anteil einnimmt als alle weiteren Elemente. Das häufig vorkommende Element ist ungeheuer vielseitig: Es bildet den Hauptbestandteil von Glas und Porzellan, von Silikon-Implantaten und Computerchips.

Tausendsassa Silizium

Reines Silizium wurde erstmals 1823 vom schwedischen Chemiker Jöns Jakob Berzelius (1779-1848) hergestellt. Er fand auch heraus, dass Silizium bei der Verbrennung in Kieselerde übergeht. Später wurde es deshalb nach dem lateinischen Wort für Kiesel ("silex") benannt.

Steine, Felsen, Berge und Kontinente bestehen aus Silizium, das allerdings immer in Verbindung mit anderen Elementen vorkommt. Meistens mit Sauerstoff, dann heißt es Siliziumdioxid oder einfacher: Quarz.

In seiner reinsten Form in der Natur kennen wir Siliziumdioxid als Bergkristall. In lockerer, verunreinigter Form nennen wir es Sand. Verbindungen mit anderen Elementen wie Aluminium, Calcium oder Magnesium heißen Silikate. Sogar im Mondgestein und in Meteoriten hat man Silizium nachgewiesen.

Wenn Silizium einmal die Verbindung mit Sauerstoff eingegangen ist, lässt es sich davon nur sehr schwer wieder lösen. Siliziumdioxid ist deshalb ein sehr harter Feststoff mit hoher Schmelz- und Siedetemperatur. Gemahlener Quarz eignet sich wegen seiner Härte hervorragend als Schleifmittel, pulverisierter Quarz ist ein Grundbestandteil von Porzellan.

Silberfarbene Kristalle unter dem Mikroskop.

Siliziumcarbid-Kristalle

Geschmolzen als Glas

Eines der ältesten Produkte, das der Mensch aus Silizium herstellt, ist Glas. Schon 2000 vor Christus wurde es produziert. Im Wesentlichen ist Glas nichts anderes als geschmolzenes Siliziumdioxid. Meistens werden aber noch weitere Materialien dazugemischt, bei Fensterglas zum Beispiel Natrium- und Calciumoxid.

Wenn die Schmelze abkühlt, bilden die Moleküle keine geordneten Kristalle, sondern liegen ungeordnet im Glas herum. Glas ist sehr spröde und hat eine hohe Druckfestigkeit, aber nur eine sehr geringe Zugfestigkeit.

Zwei Männer in Schutzanzügen stochern mit Stangen in einem Hochofen herum.

Glas besteht im Wesentlichen aus Silizium

Dichtungsmasse und Brustimplantat

Auch Silikon ist ein Silizium-Produkt. Und zwar sowohl das Silikon, das Handwerker als Dichtungsmasse benutzen, als auch das Silikon, das in der Schönheitschirurgie eingesetzt wird.

Chemisch besteht Silikon aus langen Ketten, die sich abwechselnd aus Silizium- und Sauerstoffatomen zusammensetzen. An den Siliziumatomen hängen Kohlenwasserstoffreste, die dafür sorgen, dass Silikone Wasser abweisen, während Wasserdampf hindurchdringen kann.

Halbleiter und Transistoren

Silizium hat eine Eigenschaft, die seine Verwendung in den vergangenen 50 Jahren geradezu revolutioniert hat: Es ist ein Halbleiter. Halbleiter sind Materialien, die elektrischen Strom zwar leiten können, dies aber nur "ungern" tun, weil sie nur wenige freie Elektronen haben.

Reines Silizium hat genau genommen gar keine freien Elektronen, sie werden alle für Kristall-Bindungen benötigt. Dennoch leitet Silizium Strom, wenn man Energie in Form von Wärme oder Licht zuführt.

Die Leitfähigkeit lässt sich beeinflussen. Gezielte Verunreinigungen im Kristallgitter des Siliziums verbessern die elektrischen Eigenschaften noch. Dann lässt sich sogar bestimmen, in welche Richtung der Strom fließen soll.

Nahaufnahme eines Halbleiters.

Silizium war der Grundstein für die Halbleitertechnik

Die stromleitenden Eigenschaften des Siliziums ermöglichen es, kleine elektronische Schalter zu bauen, mit denen man Ströme ein- und ausschalten kann: Transistoren. Diese Miniatur-Schalter brauchen keine Federn oder Gelenke, sie funktionieren ganz ohne mechanische Bauteile. Sie sind daher so winzig, dass man Mikrochips daraus bauen kann.

Bereits im Jahr 1965 prophezeite Gordon E. Moore von der Computer-Firma Intel, dass sich die Zahl der Transistoren pro Quadratzentimeter Chipfläche alle ein bis zwei Jahre verdoppeln würde. Allein die Tatsache, dass diese Prophezeiung inzwischen "Moore's Law", also das "Moore'sche Gesetz" genannt wird, zeigt, dass der Mann richtig lag.

Die Zunahme der Speicherdichte auf Mikrochips folgte bis heute der Prognose von 1965 und übertraf sie zeitweise sogar. Im Jahr 2000 passten auf einen Mikroprozessor rund 40 Millionen Transistoren, und die Entwicklung ist noch lange nicht abgeschlossen.

Quadratische Mikrochips auf einer Platte

Ein 12-Inch-Wafer-Halbleiter

Basis für Solarstrom

Eine andere wichtige Anwendung für Silizium sind Solarzellen, mit denen sich aus Sonnenlicht Strom gewinnen lässt. Solarzellen bestehen aus zwei Siliziumschichten, die beide etwas verunreinigt ("dotiert") sind: die obere Schicht zum Beispiel mit Phosphor-Atomen, die untere mit Bor-Atomen.

Am Übergang der beiden Schichten bildet sich ein elektrisches Feld. Trifft ein Lichtstrahl auf ein Elektron in der oberen Schicht, kann es sich frei bewegen und wandert nach außen. Dadurch entsteht eine elektrische Spannung, die man dann über äußere Kontakte abgreifen kann.

Eine Zelle mit einer Fläche von 12,5 mal 12,5 Zentimetern erzeugt bei voller Sonneneinstrahlung eine Spannung von etwa 0,5 Volt bei einer Stromstärke von circa vier Ampere, was wiederum einer Leistung von ungefähr zwei Watt entspricht. Das reicht gerade für einen Taschenrechner.

Für mehr Leistung muss man mehrere Zellen zusammenkoppeln. Die umweltfreundliche Sonnenenergie wird immer häufiger eingesetzt; aus Uhren, Taschenrechnern und sogar Satelliten sind Solarzellen nicht mehr wegzudenken. Die Nachfrage steigt so stark, dass die Siliziumproduktion kaum noch nachkommt.

Hauptsache rein

Silizium gibt es buchstäblich wie Sand am Meer. Doch um aus Sand Rohsilizium zu gewinnen, wird sehr viel Energie benötigt, denn dem Siliziumdioxid muss der Sauerstoff entzogen werden. Für die Halbleiter-Nutzung muss dieses Rohsilizium mit großem Aufwand gereinigt werden.

Etwa 99,999999999-prozentige Reinheit ist für die Herstellung von Computerchips nötig, das heißt, unter 100 Milliarden Atomen darf nur ein einziges "falsches" sein. Kein anderes Element auf der Welt wird in solcher Reinheit produziert.

Für Solarzellen ist ein solcher Reinheitsgrad nicht notwendig, deshalb beziehen Solarzellenhersteller das Silizium meist aus den Abfällen der Elektronikindustrie, die aber immer noch extrem rein sind.

Verschiedene Formen von Solarztellen nebeneinander aufgereiht.

Solarzellen bestehen unter anderem aus Silizium-Schichten

Autor: Martin Rosenberg

Stand: 23.05.2018, 11:00

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