Der Halbleiter Silizium – wie wird er gewonnen? Silizium ist ein Element, das in der Erdkruste reichlich vorhanden ist. Die Gewinnung und Formgebung ist allerdings äußerst aufwendig und kostspielig.
Für den Bau von Solarzellen, Computerchips und Sensoren ist Silizium ein unverzichtbarer Bestandteil. Silizium ist ein so genannter Halbleiter, das heißt ein Material, dessen elektrische Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur steigt. Diesen Umstand machen sich Elektrotechniker zunutze und verwenden Silizium in vielen ihrer Bauelemente. Doch woher kommt das Silizium?
Die Gewinnung von Silizium
Silizium ist ein chemisches Element, das am zweithäufigsten in der Erdkruste vorkommt – etwa 25,8 Prozent des Erdkrustengewichts. Hier taucht es in Kombination mit Sauerstoff als Quarz – Siliziumdioxid – auf. Es ist zwar richtig, dass dieser Rohstoff ausreichend vorhanden ist, doch die Herstellung von besonders reinen Siliziumscheiben, wie sie in der Elektroindustrie oder für den Bau von Solarzellen benötigt werden, ist mit einem hohen Aufwand und dementsprechend auch mit hohen Kosten verbunden. Um beispielsweise aus Quarzsand Silizium herstellen zu können, muss zunächst der Sauerstoff isoliert werden. Das gelingt, indem Kohlenstoff hinzu gegeben und das Ganze ordentlich erhitzt wird, damit die Sauerstoff-Silizium-Verbindung aufbricht. Mithilfe von Salzsäure wird das Silizium dann gesäubert. Anschließend muss eine kristalline Struktur geschaffen werden, damit das Material verarbeitet werden kann. Dies geschieht durch die Anordnung aller Atome in einer Gitterstruktur.
Aufgrund der sehr hohen Anfangsinvestitionen stellen nur sehr wenige Unternehmen reines Silizium her. Die größten Unternehmen sind Elkem (Niederlande/USA), Invensil (Frankreich/USA) und Globe Metallurgical (USA).
Die Eigenschaften von Silizium
Der Name Silizium, auch Silicium, wie das Element in der chemischen Fachsprache genannt wird, stammt aus dem Lateinischen und wird abgeleitet von dem Wort silicia, was auf Deutsch so viel wie Kieselerde bedeutet. Im chemischen Periodensystem hat es das Symbol Si und steht in der 4. Hauptgruppe (Tetrele) und in der 3. Periode. Als klassisches Halbmetall weist es sowohl die Eigenschaften von Metallen als auch von Nichtmetallen auf. Reines Silizium hat eine grau-schwarze Farbe und weist einen metallischen, oft bronzenen bis bläulichen Glanz auf. Silizium ist für den Mensch ungiftig, in gebundener silikatischer Form sogar lebenswichtig. Ein Mangel an Silizium beispielsweise führt zu Wachstumsstörungen im Knochengerüst. Im menschlichen Körper sind rund 20 mg/kg Silizium enthalten.
Die Entdeckung des Siliziums
Den Namen bekam das Silizium erstmals von dem schwedischen Wissenschaftler Jöns Jakob Berzelius, der unreines und amorphes Silizium, also die nichtkristalline beziehungsweise gestaltlose Form des Siliziums herstellte. Er setzte Siliciumtetrafluorid mit elementarem Kalium um und erhielt durch Waschen amorphes Silizium. Er erkannte als erster die elementare Struktur des Siliziums. Erstmals reines, kristallines Silizium herzustellen, gelang im Jahre 1854, als der französische Chemiker Henri Etienne Sainte-Claire Deville die Methode der Elektrolyse anwandte.