Elektrochemische Gewinnung von Silicium: Neuer Ansatz für ein umweltfreundlicheres großtechnisches Verfahren?
Umweltfreundliche Siliciumgewinnung
Für die elektrochemische Gewinnung von Silicium wählte das Team um George Z. Chen den Ansatz, Siliciumdioxid direkt als Material für die negative Elektrode (Kathode) einzusetzen. Als Elektrolyt für eine solche elektrochemische Reduktionen von Metalloxiden bei hohen Temperaturen eignet sich geschmolzenes Calciumchlorid. Die Schwierigkeit, die es zu überwinden gilt: Siliciumdioxid ist ein Isolator, es leitet elektrischen Strom nicht. Vorversuche zeigten aber, dass an der dreiphasigen Grenzfläche zwischen Siliciumdioxid, Elektrolyt und dem abgeflachten Ende eines Wolframdrahtes, über den die Elektrode an den Stromkreis angeschlossen wird, eine Umsetzung von Quarz zu elementarem Silicium stattfindet. Im weiteren Verlauf der Elektrolyse nimmt dann das neu gebildete Silicium die Rolle des Stromleiters ein. Theoretisch sollte die Reaktion auf diese Weise durch die ganze Quarzelektrode fortschreiten. Praktisch wird jedoch nur ein kleiner Bereich um die Wolframscheibe umgesetzt. Der Grund ist, dass die Elektrolytschmelze nicht weit genug in die bereits entstandene, kompakte Silicium-Schicht eindringen kann und sich deshalb keine dreiphasige Grenzschicht mehr ausbildet. Chen und Kollegen fanden eine praktikable Lösung: Statt einer massiven Quarz-Elektrode setzen sie Siliciumdioxid-Pulver ein, das zu dünnen Presslingen gepresst und gesintert wird. Die Presslinge sind porös, sodass die Elektrolytschmelze eindringen kann. Die Partikel selber messen nur wenige Mikrometer und werden bei der Elektrolyse komplett zu pulverförmigem Silicium umgesetzt. Durch Mischen des Quarz-Pulvers mit anderen Metalloxid-Pulvern lassen sich außerdem fertige Legierungen mit streng kontrollierter Zusammensetzung direkt herstellen.
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