Untersuchung kristalliner Photovoltaikmodule bezüglich ihrer Recyclierbarkeit


Bachelorarbeit, 2014

87 Seiten, Note: 1,0


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abstract

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Forschungsgegenstand
2.1 Hintergrund und Motivation
2.2 Legitimation der Problemstellung

3 Literaturanalyse
3.1 Vorgehensweise
3.2 Ergebnisse

4 Materialzusammensetzung kristalliner Photovoltaikmodule
4.1 Stand der Forschung
4.2 Empirie
4.3 Zusammenfassung

5 Degradation kristalliner Photovoltaikmodule
5.1 Stand der Forschung
5.2 Implikationen für die Forschungsfrage

6 Recyclingpotenzial kristalliner Photovoltaikmodule

7 Schlussfolgerungen

8 Ausblick

Literaturverzeichnis

Anhang

Ich möchte mich zunächst bei den Firmen Cirrus-Solar GmbH (86167 Augsburg), MAK Solar GmbH & Co. KG (86391 Stadtbergen) und Elektro Schmidt Elektroanlagen (86152 Augsburg) für die Bereitstellung von nicht mehr funktionsfähigen kristallinen Solarmodulen bedanken. Ohne diese Module wäre der empirische Teil dieser Arbeit nicht möglich gewesen.

Weiterhin möchte ich mich bei der Feinmechanischen Werkstatt der Universität Augsburg, Institut für Physik, Gebäude Nord für die freundliche Unterstützung bei der Zerlegung der Solarmodule bedanken sowie bei den Mitarbeitern des Lehrstuhls für Festkörperchemie, Universität Augsburg, Institut für Physik, Gebäude Nord für die Hilfe bei der Bestimmung von Gewicht und Dichte des Solarglases.

Zum Schluss gilt mein Dank den Herren Dr. Volker Zepf, Dr. Timo Körner, Alexander Hartwig und Christoph Kolotzek für die freundliche Unterstützung bei der EDX-Analyse und insbesondere meinem Betreuer Herrn Martin Dirr für die Bereitstellung dieser interessanten Fragestellung und die wertvollen Hinweise während der Anfertigung der Arbeit.

DANKE

Abstract

In this work, the recycling potential of crystalline silicon photovoltaic modules is being discussed. Photovoltaics is a so-called green energy technology and extremely important for the aspired energy revolution in Germany. In addition to a detailed literature review, the general objective of this work is the awareness of the moment of failure, the amount and the material quantity of end of life modules, which will be available for recycling in the nearest future. The focus is on the material composition, degradation and recycling potential of crystalline silicon solar modules. Photovoltaic modules are made from the following components, in order of mass: glass, aluminium frame, EVA, photovoltaic cells, Tedlar® and installation box. Crystalline silicon photovoltaic modules also contain high value materials such as silver. In this research, it is shown how these materials can be recovered. Therefore, this research is build upon both an analysis of existing literature numerical values and an empiric analysis with two disused solar modules. The results of the empiric analysis agree as far as possible with the numerical values from literature. However, it is noteworthy, that silver in this research is merely available in the contact fingers of the solar cells instead of the entire solar cell metallisation. Due to the great amounts of installed capacity, the amount of silver linked to the modules is not to be disregarded, which is for this reason worth an economical recycling. Solar modules do not obtain an exact ageing-out, but suffer from a linear degradation over their lifetime. The implementation of an efficient recycling process in the context of a so-called closed-loop supply chain management is very important due to great material quantities and numerous of returning end of life moduls after 25 and more years of lifetime. Altogether, photovoltaics can be considered to provide a great recycling potential in the upcoming years.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Entwicklung der globalen Photovoltaik-Produktion (1990 – 2010)

Abbildung 2: Einteilung der Photovoltaik-Technologien

Abbildung 3: Marktanteile der Photovoltaik-Technologien (2006)

Abbildung 4: Materialieneinsatz in der Energieindustrie

Abbildung 5: Zukünftiges Abfallaufkommen in Abhängigkeit der Produktionsmengen (1998 – 2038)

Abbildung 6: Prozess der Literatursuche

Abbildung 7: Aufbau kristalliner Photovoltaikmodule

Abbildung 8: Exemplarischer Aufbau einer kristallinen Photovoltaikzelle

Abbildung 9: Exemplarische Metallisierung einer Solarzelle

Abbildung 10: Produktionsmix für Silizium in der Photovoltaik-Industrie

Abbildung 11: Materialmengen im Vergleich (Literatur)

Abbildung 12: Prinzip der energiedispersiven Röntgenspektroskopie

Abbildung 13: Darstellung der Elektronenübergänge

Abbildung 14: Linienspektrum Glas Modul 1

Abbildung 15: Linienspektrum Rahmen Modul 1

Abbildung 16: Linienspektrum Silizium Modul 2

Abbildung 17: Linienspektrum Kontaktfinger Modul 1

Abbildung 18: Linienspektrum Kontaktfinger Modul 2

Abbildung 19: Materialmengen im Vergleich (Literatur + Empirie)

Abbildung 20: Hotspots (Modul 2)

Abbildung 21: Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Lebensdauer von Photovoltaikmodulen

Abbildung 22: Lebenszyklus eines Photovoltaikmoduls

Abbildung 23: Recyclingprozess für Photovoltaikmodule (Radziemska et al.)

Abbildung 24: Recyclingprozess für Photovoltaikmodule (Müller et al.)

Abbildung 25: Closed-Loop Supply Chain

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Literaturanalyse (exemplarisch)

Tabelle 2: Chemische Zusammensetzung des Kalknatronglases

Tabelle 3: Materialmengen (Glas)

Tabelle 4: Materialmengen (Aluminium)

Tabelle 5: Materialmengen (Silizium)

Tabelle 6: Materialmengen (Silber)

Tabelle 7: Materialmengen (Weitere Modulbestandteile)

Tabelle 8: Allgemeine Modulinformationen (empirische Untersuchungen)

Tabelle 9: Darstellung der Proben

Tabelle 10: Quantitatives Ergebnis der EDX-Analyse (Glas Modul 1)

Tabelle 11: Ergebnisse der Dichtebestimmung für Glas

Tabelle 12: Volumenbestimmung der Glasfront

Tabelle 13: Massenbestimmung der Glasfront

Tabelle 14: Bestimmung des prozentualen Gewichtanteils sowie der Materialmenge von Glas

Tabelle 15: Quantitatives Ergebnis der EDX-Analyse (Rahmen Modul 1)

Tabelle 16: Bestimmung des prozentualen Gewichtsanteils sowie der Materialmenge des Al-Rahmens

Tabelle 17: Quantitatives Ergebnis der EDX-Analyse (Wafer Modul 2)

Tabelle 18: Ergebnis der Bestimmung der Zellflächen

Tabelle 19: Zellstärken

Tabelle 20: Zellvolumen

Tabelle 21: Zellgewicht

Tabelle 22: Zellgewicht pro Modul

Tabelle 23: Bestimmung des prozentualen Gewichtanteils sowie der Materialmenge von Silizium

Tabelle 24: Fläche Kontaktfinger

Tabelle 25: Volumen Kontaktfinger

Tabelle 26: Gewicht Silber pro Modul

Tabelle 27: Bestimmung des prozentualen Gewichtanteils sowie der Materialmenge von Silber

Tabelle 28: Zusammenfassung der empirischen Untersuchung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Bei der Photovoltaik (PV) wird Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt. Die natürlich vorhandene Sonnenkraft wird somit auf umweltfreundliche Weise zur direkten Stromerzeugung genutzt. Vor allem im Vergleich zu den endlichen fossilen und nuklearen Brennstoffen ist die Photovoltaik aufgrund der direkten Stromerzeugung klar zu favorisieren. Durch die Nutzung von nachhaltigen und energieeffizienten Photovoltaikanlagen geht zudem die Vermeidung von CO2-Emissionen einher, da bei der Stromerzeugung kein CO2-Gas freigesetzt wird. Im Rahmen der angestrebten Energiewende wird der Photovoltaik eine besondere Aufmerksamkeit zuteil. Dieses zukunftsfähige Energiesystem ist somit für die aktuelle und künftige Forschung von größtem Interesse.

Die Photovoltaik lässt sich zunächst allgemein in drei Generationen unterteilen. Zur sogenannten ersten Generation gehören die Technologien basierend auf Siliziumwafer[1] wie beispielsweise kristalline Silizium-Solarzellen (c-Si). Dünnschichttechnologien stellen die zweite Generation dar. Zu ihnen gehört unter anderem die Cadmium-Tellurid (CdTe) Zelle. Die dritte Generation beruht auf zukünftigen Technologien mit neuen Konzepten und neuen Materialien, die teilweise noch nicht kommerziell erhältlich sind. Ein Beispiel hierfür sind Organische Solarzellen (van Sark, 2012, S. 5). Eine detailliertere Unterteilung der Photovoltaiktechnologien erfolgt in Kapitel 2. Im Rahmen dieser Arbeit liegt der Fokus auf den kristallinen Photovoltaikmodulen. Dies soll ebenfalls in Kapitel 2 näher motiviert werden.

Die generelle Zielsetzung dieser Arbeit ist die Erkenntnis darüber, zu welchem Zeitpunkt wie viele Module mit welchen Materialmengen für das Recycling bereitstehen. Das vorrangige Ziel ist somit die Vergegenwärtigung der Materialmengen, die künftig für das Recycling von Photovoltaikmodulen in Frage kommen sowie die Darstellung der Nutzungsdauer sowie möglicher Ursachen für einen vorzeitigen Ausfall von Photovoltaikmodulen. Die Photovoltaik soll demgemäß im Hinblick auf ihr Recyclingpotenzial untersucht werden. Folgende Gesichtspunkte werden hierzu schwerpunktmäßig betrachtet:

- Materialzusammensetzung kristalliner Photovoltaikmodule
- Degradation kristalliner Photovoltaikmodule
- Recyclingpotenzial kristalliner Photovoltaikmodule

Bezüglich der Problemstellung der vorliegenden Arbeit erfolgt zum einen eine theoretische Betrachtung der vorhandenen Literatur und zum anderen eine empirische Untersuchung an Photovoltaikmodulen um die aus der Literatur gewonnenen Erkenntnisse zu beurteilen und gegebenenfalls zu vervollständigen.

Zunächst erfolgt eine Einordung der Fragestellung in das gegenwärtige Forschungsfeld. Dabei soll die Relevanz des spezifischen Forschungsschwerpunktes innerhalb der Forschungsdiskussion anschlussfähig gemacht werden. Daraufhin erfolgt eine gründliche Beschreibung der Literaturrecherche sowie der daraus resultierenden Erkenntnisse. Im Anschluss soll die Materialzusammensetzung kristalliner Photovoltaikmodule untersucht werden. Hierzu wird zunächst der Stand der Forschung erläutert und im weiteren Verlauf durch die empirischen Untersuchungen an zwei unterschiedlichen Solarmodulen überprüft. Des Weiteren erfolgt die Darstellung des aktuellen Forschungsstandes bezüglich der Degradation von kristallinen Photovoltaikmodulen sowie der sich daraus ergebenden Implikationen im Hinblick auf die Forschungsfrage. Im weiteren Verlauf der Arbeit soll ferner das Recyclingpotenzial kristalliner Module näher beleuchtet werden. Abschließend erfolgen sowohl eine Diskussion der gewonnenen Erkenntnisse als auch ein kurzes Fazit. Die Arbeit wird schlussendlich mit einem Ausblick auf zukünftiges Forschungspotenzial abgerundet.

2 Forschungsgegenstand

Im Folgenden soll die Relevanz der Problemstellung legitimiert und in das gegenwärtige Forschungsfeld eingeordnet werden.

2.1 Hintergrund und Motivation

Die Stromerzeugung mittels Photovoltaik beruht auf der Entdeckung des sogenannten Photoeffekts durch Edmund Becquerel im Jahr 1839 (Jungbluth et al., 2009, S. 2). Eine Photovoltaikzelle, auch Solarzelle genannt, besteht aus einem Halbleitermaterial, welches einfallendes Licht in elektrischen Strom umwandelt. Im Zuge der ersten Generation wird als Halbleitermaterial für die Solarzelle der Elementhalbleiter Silizium (Si) verwendet. Beim Auftreffen von Sonnenstrahlen mit einer bestimmten Wellenlänge auf die Solarzelle werden Elektronen ausgelöst und durch deren Fluss im Material ein elektrischer Gleichstrom erzeugt (Fthenakis & Kim, 2010, S. 1609). Der enorme Vorteil der Stromerzeugung mittels Photovoltaik liegt in der direkten Umwandlung von unbegrenzt vorhandenem Sonnenlicht in nutzbare elektrische Energie. Weitere Vorzüge liegen unter anderem bei den flexiblen Anwendungsmöglichkeiten. Diese reichen von Uhren über Taschenrechner bis hin zum großflächigen Solarpark. Zudem ist die Photovoltaik während dem Betrieb frei von Emissionen und störenden Geräuschen (Jungbluth et al., 2009, S. 3).

Auch in Politik und Medien ist diese umweltfreundliche Art der Stromerzeugung in den letzten Jahren stets präsent. Deutschland hat dabei eine klare Vorreiterrolle, da die Installationen von Solaranlagen unter anderem durch das 100.000-Dächerprogram[2] und das Erneuerbare-Energien-Gesetzt (EEG)[3] seit der Jahrtausendwende starken Fördermaßnahmen unterliegen, welche für eine erhebliche Zunahme an Neuinstallationen verantwortlich sind (Sander et al., 2007, S. 14). In Abbildung 1 ist zu erkennen, dass die Photovoltaik-Produktion seit dem Jahr 1990 kontinuierlich angestiegen ist. Besonders seit der Jahrtausendwende ist ein starker Zuwachs festzustellen. Wurden im Jahr 2000 nach Kazmerski (2012, S. 14) noch 288 MW produziert, so war die Produktion im Jahr 2002 bereits beinahe doppelt so hoch. Im Jahr 2010 lag die weltweite Gesamtproduktion bei 23898 MW.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Entwicklung der globalen Photovoltaik-Produktion (1990 – 2010)

Quelle: Eigene Darstellung nach Kazmerski (2012, S. 14)

Nach Green (2012, S. 146) ist der Photovoltaikmarkt in den letzten 15 Jahren um 45 % pro Jahr gewachsen. Choi und Fthenakis (2010a, S. 8678) berichten für die letzten zehn Jahre von einem jährlichen Wachstum von mehr als 40 %.

Im Jahr 2013 waren weltweit kumuliert 138,9 GW an Photovoltaik-Kapazitäten installiert. Europa hat dabei einen Anteil von kumuliert 81,5 GW. Den stärksten Markt innerhalb Europas stellt Deutschland mit 3,3 GW an neu installierten Kapazitäten allein im Jahr 2013 dar (EPIA, 2014, S. 9).

Aufgrund des ständig neuen Zubaus und der großen Menge an kumuliert installierten PV-Anlagen hat neben der Entwicklung neuerer, effizienterer und vor allem günstigerer Technologien auch das künftige Recyclingpotenzial von Solarmodulen im Rahmen der Kreislaufwirtschaft[4] das öffentliche Interesse geweckt. An diese Problemstellung soll auch die vorliegende Arbeit anknüpfen und so ihren Beitrag zur aktuellen Forschung leisten. Ziel der Arbeit ist eine Untersuchung der kristallinen Photovoltaik-Technologie bezüglich ihrer Recyclierbarkeit.

2.2 Legitimation der Problemstellung

Wie bereits in Kapitel 2.1 näher motiviert, liegt die Relevanz der Frage nach den Materialanteilen und dem Zeitpunkt des Ausfalls von Photovoltaikmodulen im Hinblick auf das zukünftige Recyclingpotential in der hohen Anzahl an installierten Kapazitäten. Im Rahmen dieser Arbeit gilt es somit zu klären, zu welchem Zeitpunkt welche Materialmengen künftig zum Recycling zur Verfügung stehen werden.

Für die vorliegende Arbeit wird die in Abbildung 2 dargestellte Einteilung der Photovoltaik nach ihren Technologien verwendet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Einteilung der Photovoltaik-Technologien

Quelle: Eigene Darstellung nach Wade (2012, S. 4), vereinfacht und ergänzt nach Green (2014, S. 66) und Raugei et al. (2007, S. 3)

Die Silizium-basierten Technologien der ersten Generation lassen sich unterteilen in dickschichtige kristalline Siliziumzellen (c-Si) und Dünnschicht-Siliziumzellen. Zu den kristallinen Zellen gehören die multikristallinen (mc-Si), monokristallinen (sc-Si) und ribbon-Si[5] Zellen. Zu den auf Silizium basierenden Dünnschichtzellen zählt beispielsweise das amorphe Silizium (a-Si). Die zweite Generation kann unter anderem in die auf Dünnschichttechnologien basierenden Zellen Cadmium-Tellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) unterteilt werden. Zu den zukünftigen Technologien der dritten Generation zählen beispielsweise die organischen Photovoltaikzellen (Wade, 2012, S. 14).

Für die folgende Arbeit sind vor allem die kristallinen Photovoltaikmodule der ersten Generation interessant. Sie machen, wie in Abbildung 3 exemplarisch für das Jahr 2006 zu sehen, den Großteil am Markt aus. Gegenwärtig haben die Silizium-basierten Module einen Anteil von circa 86 %. Der Anteil der Dünnschichttechnologien beträgt demnach in etwa 14 % (Fraunhofer ISE, 2013, S. 4). Der Fokus dieser Arbeit liegt insbesondere auf den sc-Si und mc-Si Technologien, da der Anteil der ribbon-Si Technologie am gesamten Marktanteil der kristallinen Dickschicht-Photovoltaik als vernachlässigbar klein anzusehen ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Marktanteile der Photovoltaik-Technologien (2006)

Quelle: Eigene Darstellung nach EPIA (2007), zitiert nach Müller et al. (2007, S. 1)

Die Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial für c-Si Zellen hat einen entscheidenden Vorteil beispielsweise gegenüber der Verwendung von Cadmium bei CdTe-Zellen, da das Silizium in großen Mengen in der Erdkruste verfügbar ist und im Gegensatz zu Cadmium keine Toxizität aufweist.

Erneuerbare Energien im Allgemeinen sind häufig auf die Verwendung wertvoller Materialien wie beispielsweise der sogenannten Gewürz[6] - oder Technologiemetalle[7] angewiesen. In Abbildung 4 ist dieser Entwicklungstrend grafisch dargestellt. Neben den Seltenen Erdelementen[8] (REE) kommen beispielsweise auch Silber (Ag), Indium (In) und Cadmium (Cd) zum Einsatz. Im Falle der c-Si Photovoltaik wird häufig Silber aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit eingesetzt. In Kapitel 4 gilt es unter anderem zu klären, welche Mengen an Silber in den Modulen verbaut werden und wie diese sich im Hinblick auf ihre Recyclierbarkeit verhalten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Materialieneinsatz in der Energieindustrie

Quelle: Zepf et al. (2014, S. 6)

Die Rückgewinnung und Wiederverwendung der eingesetzten Materialien und somit die Reduk-tion des künftigen Ressourceneinsatzes wird im Rahmen des sogenannten Closed-Loop Supply Chain Managements (CLSCM) angestrebt. Die Supply Chain stellt eine geschlossene Kette dar und setzt sich aus Rohstoffbeschaffung sowie Rohstoffgewinnung, Vorproduktion einzelner Komponenten, Endmontage und Verkauf des Produktes zusammen (Thorenz, 2013, S. 126). Eine Closed-Loop Supply Chain ist um den Konsumenten erweitert und ergibt sich durch die Einführung der drei Strategien Recycling[9], Remanufacturing[10] und ReUse[11] (ebd.). Der Untersuchungsgegenstand im Rahmen dieser Arbeit liegt primär in der Wiederbeschaffung der in den Photovoltaikmodulen eingesetzten Materialien. Im Falle der kristallinen Solarmodule werden die folgenden Bestandteile in der Reihenfolge ihrer Massenanteile verwendet: Glas, Aluminiumrahmen, Ethylenvinylacetat (EVA), Solarzelle, Rückseitenfolie und Kontaktdose (Ökopol, 2004, S. 22). Auf die genaue Materialzusammensetzung kristalliner Solarmodule wird in Kapitel 4 eingegangen.

Das Recycling von Solarmodulen wird besonders in den kommenden Jahren von grundlegender Bedeutung sein, da die Nutzungsphase je nach Quelle (Fthenakis, 2000, S. 1051), (Dunlop et al., 2005, S. 1593) auf 25 Jahre und mehr geschätzt wird und somit in naher Zukunft die ersten großen Mengen an installierten Modulen ihren sogenannten End-of-life[12] (EOL)-Zeitpunkt erreichen. Aufgrund des in 2.1 beschriebenen steigenden Wachstums des Photovoltaikmarktes wird auch die Menge an daraus resultierendem Abfall in Zukunft stetig ansteigen. Wie in Abbildung 5 zu erkennen ist, korreliert die Menge an installierten Modulen mit der Menge an Abfall, der nach 25–30 Jahren Lebensdauer durch genau diese Module entsteht. Das beinahe exponentielle Wachstum der installierten Leistung der letzten Jahre spiegelt sich zeitlich versetzt in der Entwicklung der Abfallmengen wieder (Ökopol, 2004, S. 55). Wie in der Grafik zu sehen ist, steigt die Menge an PV-Abfall circa ab dem Jahr 2022 dramatisch an (McDonald & Pearce, 2010, S. 7042).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Zukünftiges Abfallaufkommen in Abhängigkeit der Produktionsmengen (1998 – 2038)

Quelle: McDonald und Pearce (2010, S. 7043)

Es gibt dabei nach Choi und Fthenakis (2010b, S. 948) zwei verschiedene Arten von PV-Abfall:

- Produktionsabfall

- End-of-life-Module

Anlässlich der langen Lebensdauer und der relativ jungen Technologie ist die Menge an End-of-life-Modulen bislang übersichtlich. Für die nahe Zukunft ergibt sich allerdings die Brisanz der Entwicklung eines effizienten Recyclingsystems. Die Schaffung von Recyclingmöglichkeiten und geeigneten Standorten ist von großer Dringlichkeit und die Erkenntnis über Ort und Zeitpunkt des Ausfalls sowie über Anzahl von Modulen und Mengen an Materialien von großer Relevanz. Ziel ist es, die in den PV-Modulen enthaltenen wertvollen Rohstoffe zurückzugewinnen und in den Sekundärmarkt zu reintegrieren. Die vorliegende Problemstellung ist als Folge dessen Teil eines aktuellen Forschungsfeldes und für die nahe Zukunft von großem Belangen.

3 Literaturanalyse

Die systematische Literaturrecherche sowie die anschließende Auswertung der vorhandenen Literatur ist für das Anfertigen einer wissenschaftlich fundierten Arbeit von großer Bedeutung. Im Folgenden soll näher auf die methodologische Vorgehensweise eingegangen werden. Im Anschluss werden die Resultate präsentiert und ausgewertet.

3.1 Vorgehensweise

Die Literaturrecherche wurde zunächst mit Lehrbüchern aus dem Online-Katalog der Universitätsbibliothek Augsburg (OPAC) zum Thema Photovoltaik begonnen. Dies führte zu einem ersten allgemeinen Überblick über die Themenstellung. Lehrbücher wurden dabei auch aus überregionalen Datenbanken oder Bibliotheksverbänden per Fernleihe bestellt. Schnell wurde jedoch deutlich, dass diese teilweise zu unspezifisch und nicht ausreichend wissenschaftlich fundiert waren. Es galt nun, tiefer in die Thematik einzudringen. Nach vom Brocke et al. (2009, S. 9) lässt sich der Prozess der Literatursuche wie folgt darstellen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Prozess der Literatursuche

Quelle: Eigene Darstellung nach vom Brocke et al. (2009, S. 9)

Wie in Abbildung 6 zu sehen ist, beginnt die Literaturrecherche mit der Suche in wissenschaftlichen Fachzeitschriften und wird anschließend durch die Datenbanksuche erweitert. Die dort vorhandene Literatur wird unter Verwendung passender Schlagwörter evaluiert und im Anschluss mit Hilfe der sogenannten „backward search“[13] - und „forward search“[14] -Methode ergänzt. Im Falle der vorliegenden Arbeit wurde die explizite Suche in Zeitschriften zunächst ausgelassen und vorerst lediglich in den für dieses Themengebiet relevanten Online-Datenbanken „ ScienceDirect“[15], „ Google Scholar“[16] und „ Web of Science“[17] recherchiert. Um die Recherche möglichst strukturiert zu gestalten, wurde zunächst ein Suchterm bestehend aus zwei Suchbegriffen verwendet. Nach Wenger (2013, S. 102) wurden die einzelnen Begriffe in der Form „a + b“ kombiniert. Die Recherche wurde vorerst auf englischsprachige Literatur beschränkt. Für a wurden die Ausdrücke „photovoltaic“, „photovoltaic module“ „crystalline silicon photovoltaic“ und „crystalline silicon solar cell“ verwendet. Für b kamen Terme wie „materials“, „material composition“ und „degradation“ zum Einsatz. Die relevanten Suchbegriffe wurden zudem immer wieder variiert, um möglichst viele Ergebnisse zu erzielen. Für diese Arbeit sind neben aktuellen Publikationen auch solche ab circa 1990 interessant, da diese den Stand der Forschung der damals installierten Solarmodule abdecken. Im Hinblick auf ihre Recyclierbarkeit sind diese Module besonders von Bedeutung, da sie in den kommenden Jahren als Erste für Recyclingzwecke zur Verfügung stehen werden.

Wurde eine Publikation anhand des Titels für aufschlussreich empfunden, konnte dieser erste Eindruck durch das Querlesen von Inhaltsverzeichnis, Kurzzusammenfassung, Einleitung und Schluss bestätigt oder verworfen werden. Im Falle einer Bestätigung wurde das Dokument gesichert und anschließend der gesamte Inhalt nach den folgenden Gesichtspunkten gesichtet: Wachstum Photovoltaik Branche, Installierte Kapazitäten, Marktanteile kristalliner Module, Funktionsweise Photovoltaik, Aufbau kristalliner Module, Waferdicke, Materialanteile kristalliner Module (Glas, Aluminiumrahmen, Silizium, Silber), Lebensdauer, Degradation, End-of-life und Recycling (Glas, Aluminiumrahmen, Silizium, Silber). Falls der vorliegende Text eine oder mehrere der genannten Themen behandelte, wurde er mit Autor, Erscheinungsjahr und Titel in eine Excel Liste eingetragen und der behandelte Inhalt mit einem „X“ markiert. Die Auswertung dieser Liste erfolgt im Abschnitt 3.2. Im Anschluss wurde das Literaturverzeichnis im Rahmen der „backward search“ gesichtet und ergänzt. Eine „forward search“ wurde zunächst außer Acht gelassen. Zusätzlich zur eigenen Recherche wurde auch von Betreuer Dirr freundlicherweise Literatur bereitgestellt. Diese wurde ebenfalls nach der oben beschriebenen Vorgehensweise evaluiert.

3.2 Ergebnisse

Wie bereits in Kapitel 3.1 näher beleuchtet, wurde die für aufschlussreich empfundene Literatur mit Hilfe einer Excel Tabelle sortiert und nach verschiedenen Gesichtspunkten katalogisiert. Dieses Vorgehen ist exemplarisch anhand Tabelle 1 aufgezeigt.

Tabelle 1: Literaturanalyse (exemplarisch)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Eigene Darstellung

Die identifizierte Literatur deckt in der Gesamtheit einen Zeitraum von 1998 bis 2014 ab. Der Übersichtlichkeit halber ist die Tabelle in 5 Segmente unterteilt. Diese sind im Anhang 1-5 ab Seite 72 zu finden. Anhang 1 reicht dabei von 1998 bis 2006. Anhang 2 deckt die Jahre 2007 bis 2009 ab. In Anhang 3 ist die Literatur des Jahres 2010 zu finden. Anhang 4 reicht von 2011 bis 2012 und Anhang 5 deckt die Jahre 2013 und 2014 ab. Für den Fall, dass in einem untersuchten Text einer der in der obigen Tabelle exemplarisch aufgeführten Gesichtspunkte erwähnt wird, erhält die entsprechende Zeile und Spalte ein „X“ als Markierung. Die blaue Markierung der Spalten besagt, dass die entsprechende Quelle in der vorliegenden Arbeit als Zitat verwendet wird. Insgesamt konnten 78 Quellen bezüglich der Problemstellung evaluiert werden. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurden 44 dieser Quellen für die Zitation verwendet.

Zum Thema Photovoltaik ist generell eine große Quantität an Literatur zu finden. Die Materialzusammensetzung der kristallinen Module betreffend ist dabei allerdings zu erkennen, dass diese häufig nur am Rande erwähnt wird. Themen wie Umweltbelastung und Energieaufwand bei der Photovoltaik-Produktion sowie Preisentwicklung und Effizienzsteigerung erhalten meist die größere Aufmerksamkeit. Hinsichtlich der Degradation ist eine Vielzahl an Literatur sowohl für kristalline Photovoltaik als auch für andere Technologien vorzufinden. Den theoretischen Recyclingmöglichkeiten für Photovoltaikmodule wird in der Literatur ebenfalls eine große Aufmerksamkeit zuteil.

Insgesamt entsteht für den Bereich der Literatur der Eindruck einer leichten Dominanz der Dünnschicht- und Zukunftstechnologien. Dies mag daran liegen, dass diesbezüglich die aktuelle Forschung von großem Interesse ist. Ziel ist es, sowohl die Kosten als auch die Effizienz der Solarzellen zu verbessern, um diese Technologien für die Zukunft wettbewerbsfähig zu gestalten. Ferner beinhalten diese Arten von Solarzellen häufig seltene oder giftige Metalle wie beispielsweise das Cadmium in den CdTe-Zellen. Aufgrund dessen liegt der Fokus in der Literatur oftmals eher auf der Dünnschicht-Photovoltaik als auf den kristallinen Modulen. Diese beinhalten allgemein keine beziehungsweise wenige kritische Materialien und sind somit für die aktuelle Forschung tendenziell von geringerem Interesse.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine gute Literaturrecherche mit anschließender Analyse die Grundlage für die Anfertigung einer wissenschaftlich fundierten Arbeit darstellt. Die Vorgehensweise reicht dabei vom Allgemeinen hin zum Speziellen und sollte gut dokumentiert werden.

4 Materialzusammensetzung kristalliner Photovoltaikmodule

Zur Abschätzung der Materialmengen zukünftig zur Verwertung anfallender Photovoltaikmodule wurde zunächst die Entwicklung des PV-Marktes seit 1990 untersucht. Im Folgenden soll nun der Stand der Forschung bezüglich der Materialzusammensetzung kristalliner Module näher erläutert und im Anschluss daran mit den eigenen empirischen Untersuchungen verglichen werden.

4.1 Stand der Forschung

Zunächst werden anhand der in Kapitel 3 evaluierten Literatur die potentiellen Bestandteile für kristalline Solarmodule – soweit möglich – identifiziert.

Die meisten kristallinen Photovoltaikmodule der letzten Jahrzehnte haben prinzipiell einen ähn-lichen Aufbau. In Abbildung 7 ist dieser Aufbau grafisch dargestellt. Eine Glasscheibe (1) bildet die transparente Vorderseite des Solarmoduls. Die sogenannte Zellmatrix (3) besteht meist aus 60 oder 72 kristallinen Solarzellen, die in Reihenschaltung miteinander verbunden sind. Diese Zellen sind sowohl in Richtung der Glasscheibe (2) als auch in Richtung der Modulrückseite (4) mit einem transparenten Verkapselungsmaterial verkapselt. Die Modulrückseite ist mit einer Rückseitenfolie (5) abgedichtet, an der die Kontaktdose sowie die Anschlusskabel (7) befestigt sind. Das Modul ist zudem meist mit einem Rahmen (6) eingefasst (Wirth, 2013, S. 137).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Aufbau kristalliner Photovoltaikmodule

Quelle: Wirth (2013, S. 137)

Die Vorderseite des Moduls besteht aus einer gehärteten Glasscheibe. Gegenwärtig wird dieses Glas als sogenanntes Kalknatronglas produziert (Blieske & Stollwerck, 2013, S. 201). Nach Blieske und Stollwerck (ebd) lautet die chemische Zusammensetzung dieses Kalknatronglases nach EN572-1 des Deutschen Instituts für Normung e.V. (2004) wie folgt:

Tabelle 2: Chemische Zusammensetzung des Kalknatronglases

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Blieske und Stollwerck (2013, S. 201)

Die Oxide SiO2, Na2O und CaO machen zusammen den Großteil des Glases aus. Dadurch begründet sich dessen Name Kalknatronglas. Die Glasfront eines Photovoltaikmoduls dient vor allem optischen und mechanischen Zwecken. Zum einen soll eine hohe optische Effizienz erreicht werden, was eine geringe Reflektion sowie eine gute Transmission bedeutet. Zum anderen dient das Glas der mechanischen Stabilität des Moduls. Diese kann durch zusätzliche Kombination mit einem Rahmen noch erhöht werden (Wirth, 2013, S. 144).

Zwischen Glasfront und Zellmatrix befindet sich ein transparentes Verkapselungsmaterial (Blieske & Stollwerck, 2013, S. 200). Dessen Aufgaben bestehen unter anderem darin, die Zellen sowie die Sammelschienen und Lötkontakte einzubetten und die einzelnen Komponenten vor mechanischer Beanspruchung sowie vor Korrosion zu schützen (ebd, S. 223). Im Laufe der Zeit haben sich aufgrund der vielen Anforderungen nur sehr wenige geeignete Verkapselungsmaterialien etabliert (ebd, S. 224). Das Polymer Ethylenvinylacetat (EVA) ist dabei das am meisten verwendete Material. Es besteht zu 73-67 % aus Polyethylen (PE) und zu 27-33 % aus Vinylacetat (VA) (ebd).

Eine kristalline Solarzelle ist nach Klugmann-Radziemska und Ostrowski (2009, S. 1752) wie folgt aufgebaut:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Exemplarischer Aufbau einer kristallinen Photovoltaikzelle

Quelle: Eigene Darstellung nach Klugmann-Radziemska und Ostrowski (2009, S. 1752)

Wie in Abbildung 8 zu erkennen ist, bildet ein Siliziumwafer die Basis der Solarzelle. Auf dessen Oberfläche wird ein sogenannter n-p Übergang erzeugt. Auf der Rückseite des Wafers befindet sich eine Ag–Metallisierung sowie teilweise eine zusätzliche dünne Aluminium (Al)–Metallisierung. Die Zelle ist zudem mit einer sogenannten Antireflexionsschicht überzogen. Die Metallisierung auf der Vorderseite des Wafers besteht ebenfalls aus Silber (ebd).

Der Siliziumwafer einer kristallinen Solarzelle kann aus mono- oder multikristallinem Silizium bestehen. Silizium ist ein Elementhalbleiter mit einem ausgeglichenen Verhältnis zwischen elektronischen, physikalischen sowie chemischen Eigenschaften. Aus diesem Grund ist Silizium beispielsweise auch im Bereich der Mikroelektronik das favorisierte Material (Green, 2014, S. 65). Monokristalline Wafer bestehen aus einem sogenannten Einkristall[18] ohne Korngrenzen[19]. Solarzellen auf Basis von sc-Si besitzen die größte Leistung (Jungbluth et al., 2009, S. 1). Die Wafer werden aus zylinderförmigen monokristallinen Blöcken herausgeschnitten, welche für gewöhnlich nach dem sogenannten Czochralski-Prozess[20] hergestellt werden (Green, 2014, S. 65). Sie sind im Allgemeinen nicht voll quadratisch, sondern pseudo-quadratisch (Glunz et al., 2012, S. 355). Das multikristalline Silizium besteht aus unterschiedlichen Kristallen mit unterschiedlicher Ausrichtung sowie Korngrenzen. Im Vergleich zu sc-Si hat eine Solarzelle auf mc-Si-Basis zwar eine geringere Leistung, ist jedoch in der Herstellung günstiger (Jungbluth et al., 2009, S. 1). Multikristalline Siliziumwafer werden aus Blöcken geschnitten, die durch gerichtete Erstarrung entstehen (Green, 2014, S. 65). Die Wafer sind voll quadratisch mit nur leicht abgeschrägten Ecken (Glunz et al., 2012, S. 355). Der Unterschied zwischen sc-Si und mc-Si liegt somit lediglich in der Art der Herstellung, der Qualität sowie in der Leistung. Im Allgemeinen besitzen die kristallinen Siliziumwafer die Abmessung 156 mm x 156 mm und sind circa 180 μm stark (Wirth, 2013, S. 138). Zuser und Rechberger (2011, S. 57) sprechen von einer durchschnittlichen Waferdicke von 200 μm für das Jahr 2011. Bei Alsema und de Wild-Scholten (2005a, S. 2) liegt die Waferdicke für das Jahr 2005 hingegen in einem Bereich von 270 bis 300 μm.

Auf der Vorderseite der Zelle wird ein sogenannter n-p Übergang mittels atomarer Diffusion von Phosphor erzeugt (Klugmann-Radziemska & Ostrowski, 2009, S. 1751). Der Siliziumwafer ist beispielsweise mit Bor dotiert und bildet einen sogenannten p-dotierten Halbleiter (Green, 2014, S. 65). Eine p-Dotierung bedeutet dabei die Entstehung von Elektronenlöchern (Binnewies et al., 2011, S. 126). In die p-dotierte Vorderseite der Zelle diffundiert nun unter hohen Temperaturen Phosphor (n-dotiert) in die Oberfläche hinein und bildet dort den für die Stromerzeugung benötigten n-p Übergang (Green, 2014, S. 65). Bei einer sogenannten n-Dotierung entstehen Überschuss-elektronen im Material (Binnewies et al., 2011, S. 126). Der n-p Übergang stellt die Grenzfläche eines n-dotierten und p-dotierten Materials dar. Die überschüssigen Elektronen des n-dotierten Materials besetzten die Elektronenlöcher des p-dotierten Halbleiters (ebd). Durch diesen n-p Übergang sowie die Ladungstrennung wird im Halbleiter ein internes elektrisches Feld erzeugt.

Die Metallisierung der Solarzelle dient der Sammlung der Ladungsträger (Elektronen). Auf der Vorderseite befindet sich ein dem Buchstaben H ähnliches Muster aus einer sogenannten gesinterten[21] Silberpaste. Die Silberpartikel haben bei solch einer Paste einen Gewichtsanteil von 70-85 % (Che et al., 2012, S. 221). Das durchgehende H-ähnliche Muster macht circa 8 % der Vorderseite aus. Die Hauptaufgabe liegt in der Sicherstellung eines effizienten Ladungsträgertransports. Zudem wird aufgrund der geringen Metallisierungsfläche eine hohe Lichtdurchlässigkeit für einfallende Sonnenstrahlen garantiert, da die Fläche des Halbleitermaterials durch das Aufbringen der schmalen H-ähnlichen Metallisierung nur minimal verkleinert wird. Die Metallisierung kann in zwei funktionelle Gruppen unterteilt werden, die sogenannten Kontakt-Sammelschienen und Kontaktfinger. Für die Modulvorderseite werden in der Regel drei Sammelschienen verwendet. Diese sind nach Glunz et al. (2012, S. 357) circa 1,5 mm breit sowie 20 μm hoch und erstrecken sich abstandsgleich über den Wafer sowie parallel zu dessen Kanten. Die Sammelschienen dienen der Stromabnahme aus den Kontaktfingern und ermöglichen den Lötkontakt mit einem beschichteten Kupferband. In einem typischen Abstand von 2 mm sind die Kontaktfinger rechtwinklig zu den Sammelschienen angeordnet. Sie sind nach Glunz et al. (ebd) etwa 100 μm breit und 20 μm hoch. Die Hauptfunktionen der Kontaktfinger liegen in einem geringen Übertragungswiderstand sowie in einer exzellenten Leitfähigkeit für einen effizienten Ladungsträgertransport (ebd). Die Rückseite der Zelle ist ebenfalls zum Zwecke eines wirkungsvollen Ladungsträgertransports metallisiert. Auch diese Metallisierung kann unterteilt werden in sogenannte Kontaktpads sowie eine flächendeckende Aluminiumschicht. Die Kontaktpads auf der Zellrückseite sind exakt gegenüber den Kontakt-Sammelschienen der Vorderseite platziert und machen in etwa 5 % der Fläche aus. Sie formen entweder durchgehende oder unterbrochene Bahnen und sind dabei aus einer circa 4 mm breiten und 20 μm starken Silberpaste, die teilweise zusätzlich Aluminium enthalten kann. Die Hauptaufgabe der Kontaktpads liegt in der Sammlung des Stroms aus den metallisierten Bereichen sowie in der Ermöglichung einer hochleitenden Verbindung zu den Kupfer-Lötkontakten. Die restliche Fläche der Zellrückseite besteht aus einer Aluminiumschicht, welche einen geringen Widerstand darstellt (ebd). In der folgenden Abbildung 9 ist die Aufbringung der Metallisierung einer Solarzelle mit zwei Ag-Kontakt-Sammelschienen auf der Vorderseite sowie zwei Ag/Al-Kontaktpads und einer Aluminiumbeschichtung auf der Rückseite grafisch dargestellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Exemplarische Metallisierung einer Solarzelle

Quelle: Glunz et al. (2012, S. 360), ergänzt und bearbeitet

Die Lötkontakte dienen der Verbindung der Solarzellen miteinander. Es sind meist mit Zink beschichtete Kupferbahnen, die circa 2 mm breit und 50 μm stark sind (Green, 2011, S. 911). Sie sind zudem mit einem Lötmittel beschichtet. Die meisten Hersteller nutzen dabei nach wie vor Blei für das Lot (Wirth, 2013, S. 145). Nach Wirth (ebd) haben die Lötkontakte eine Stärke von 120-180 μm und sind circa 1,3-2,4 mm breit.

Um das Reflexionsvermögen der Zelloberfläche zu verringern, ist eine zusätzliche Schicht auf der Solarzelle nötig. Aus diesem Grund ist die Vorderseite einer Solarzelle mit einer Antireflexionsschicht überzogen. Diese kann beispielsweise unter anderem aus Titandioxid (TiO2), Siliziumoxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3) oder Indium-Zinn-Oxid (ITO) bestehen. Die Reflexion kann so auf circa 1 % verringert werden (Klugmann-Radziemska & Ostrowski, 2009, S. 1752 f.).

Zwischen Zellmatrix und Rückseitenfolie befindet sich erneut eine Schicht aus dem bereits beschriebenen Verkapselungsmaterial EVA (Blieske & Stollwerck, 2013, S. 200).

Die Modulrückseite besteht aus einer weißen polymeren Rückseitenfolie. Bis zum Jahr 2005 wurde hierfür zu einem Großteil das Material Polyvinylfluorid (PVF) verwendet (ebd, S. 236). Eine PET-Folie wird hierbei von beiden Seiten mit einer Schicht PVF kaschiert (Sander et al., 2007, S. 34). Diese Folie, bestehend aus drei Schichten, wird gewöhnlich auch als sogenannte Tedlar®-Folie bezeichnet. Der Name Tedlar® geht dabei auf die Firma DuPont zurück und ist als Handelsname registriert (Ökopol, 2004, S. 19). Die PET-Schicht ist üblicherweise 200 μm dick und wird von zwei PVF-Schichten mit je circa 40 μm Stärke umgeben (Blieske & Stollwerck, 2013, S. 236). Aufgrund einer Materialknappheit von Tedlar® wurde ab dem Jahr 2005 jedoch eine Vielzahl an neuen Materialien entwickelt (ebd).

Die meisten Photovoltaikmodule mit einer polymeren Rückseitenfolie besitzen einen Rahmen aus Aluminium, der zum einen die Festigkeit des Moduls verbessert und zum anderen dessen Handhabung erleichtern soll (ebd, S. 200). In Kombination mit einem Dichtungsband schützt der Rahmen das Modul zudem vor Feuchtigkeitseintritt (Wirth, 2013, S. 150). Neben der größeren Robustheit und der einfacheren Handhabung erhöht der Rahmen allerdings auch das Modulgewicht, vergrößert die ungenutzte Modulfläche und behält im Winter beispielsweise Schnee auf dem Modul liegen. Zudem sind hohe Materialkosten für die Rahmung nötig (Wirth, 2013, S. 150).

Auf der Rückseite eines Photovoltaikmoduls befindet sich eine Kontaktdose. Die Stromsammelschienen der Solarzellen werden durch die Rückseitenfolie hindurch zur Kontaktdose transportiert (Blieske & Stollwerck, 2013, S. 200).

Bezüglich der Frage nach dem Recyclingpotenzial kristalliner Photovoltaikmodule liegt der Fokus in dieser Arbeit vor allem auf den Komponenten Glasfront, Aluminiumrahmen, Siliziumzelle und Silberkontakte. Weitere Modulbestandteile wie beispielsweise EVA, Rückseitenfolie und Kontaktdose werden lediglich am Rande betrachtet.

Es ist anzumerken, dass sowohl der beschriebene Modulaufbau als auch die Angaben bezüglich der stofflichen Zusammensetzung sowie der Materialmengen lediglich als beispielhaft angesehen werden dürfen. Es gibt weder einen einheitlichen Modul- und Zellaufbau, noch werden für jedes Modul exakt die gleichen Materialien in der gleichen Zusammensetzung und in den gleichen Mengen verwendet. In der Literatur gibt es immer wieder kleinere und größere Abweichungen sowie Ausnahmen oder Einzelfälle. Aus diesem Grund dürfen der oben genannte Modul- und Zellaufbau sowie die nachfolgende Auswertung der Materialmengen nicht als allgemeingültig angesehen werden, sondern lediglich als exemplarische Darstellung im Rahmen dieser Bachelorarbeit.

Im Folgenden werden die aus der Literatur erarbeiteten Materialmengen präsentiert. Im Anhang 6 und Anhang 7 auf den Seiten 76 und 77 befindet sich eine Excel Tabelle, welche die Materialmengen für Glas, Aluminiumrahmen, Silizium und Silber dokumentiert. Es wird dabei ein Zeitraum von 1990 bis 2014 abgedeckt, wobei zu bemerken ist, dass anhand der evaluierten Literatur effektiv erst ab dem Jahr 2000 konkrete Mengenangaben erwähnt werden können. Aus optischen Gründen wurde die Tabelle in zwei Segmente aufgeteilt. Die Tabelle in Anhang 6 deckt die Jahre 1996 bis 2004 ab. Die Tabelle in Anhang 7 beschreibt die Materialzusammensetzung der Jahre 2005 bis 2014.

Das angestrebte Ziel bei der Recherche der Materialmengen war, für die wichtigsten Modulbestandteile sowie für jedes Jahr im Zeitraum 1990 bis 2014 eine konkrete Mengenangabe in der Einheit zu erhalten. Allerdings konnte weder der komplette Zeitraum abgedeckt, noch konnte für jedes Jahr sowie für jeden der Bestandteile Glas, Aluminium, Silizium und Silber eine konkrete Mengenangabe erzielt werden. Aussagen über Materialmengen wurden häufig in der Einheit oder getätigt, ohne jedoch weitere Angaben über das Modul wie beispielsweise Leistung oder Wirkungsgrad zu veröffentlichen. Somit konnten einige Angaben nicht auf die Einheit gebracht werden und waren aus diesem Grund im Hinblick auf einen Vergleich der Material-mengen für diese Arbeit vorerst zwecklos. Der Großteil der angegebenen Mengen konnte jedoch anhand zusätzlicher Informationen in die passende Einheit umgerechnet werden und ist in der Tabelle in Anhang 6 und Anhang 7 zu finden. Im weiteren Verlauf erfolgt nun die Auswertung der aus der Literatur erarbeiteten Materialmengen für die Modulbestandteile Glas, Aluminium-rahmen, Silizium und Silber. Im Rahmen der beispielhaften Berechnungen einiger Material-mengen wurde versucht, möglichst unterschiedliche Quellen darzustellen. Somit kann im folgenden Fließtext beinahe für jede der in Anhang 6 und 7 aufgeführten Quelle die Berechnung der Werte exemplarisch veranschaulicht werden.

Glas

Wie bereits beschrieben, wird für die Glasfront eines Solarmoduls meist das sogenannte Kalkna-tronglas verwendet. Es besteht überwiegend aus Siliziumdioxid mit Zusätzen von Natron und Kalk (Blieske & Stollwerck, 2013, S. 201). In der folgenden Tabelle 3 sind die Materialmengen für Glas aus der detaillierten Tabelle im Anhang 6 und 7 vereinfacht dargestellt.

[...]


[1] Wafer: englisch für „Halbleiterscheibe“

[2] Das 100.000-Dächerporgramm ist ein 1999 „von der Bundesregierung aufgelegte[s] Programm zur Förderung von Photovoltaikanlagen [...]“ (Bundesministerum für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit, 2003).

[3] Das EEG ist ein Instrument zur Förderung des Ökostroms und trat im Jahr 2000 in Kraft. „Ziel des EEG war es, den jungen Technologien wie Wind- und Sonnenenergie durch feste Vergütungen sowie durch die garantierte Abnahme und die vorrangige Einspeisung des Stroms den Markteintritt zu ermöglichen“ (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, 2014 ).

[4] „Die Kreislaufwirtschaft erfüllt mit der Sammlung, Sortierung und stofflichen bzw. energetischen Verwertung der Stoffströme eine wichtige ökologische Funktion und leistet zugleich einen wichtigen Beitrag zur Rohstoffversorgung der Wirtschaft“ (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, 2014).

[5] Ribbon-Si: englisch für „Siliziumband“

[6] Gewürzmetalle sind Metalle, die aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften und Funktionsweisen in einigen Technologien lediglich in geringen Mengen essentiell sind, ähnlich wie Gewürze in einer Mahlzeit (Reller et al., 2009, S. 131).

[7] Technologiemetalle (Sondermetalle und Seltene Erden) werden aufgrund ihrer besonderen magnetischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften in modernen Technologien eingesetzt (Tradium GmbH, 2012).

[8] Englisch: „rare earth elements“ (REE)

[9] „Tätigkeit der Wiederaufbereitung bzw. Wiederverwertung von Abfällen durch die Schaffung nutzbarer Sekundärrohstoffe (= Stoffrecycling)“ (Gäth & Meißner, 2013, S. 108).

[10] Wiederverwendung einzelner Komponenten (Tuma & Lebreton, 2005, S. 59)

[11] Wiederverwendung ganzer Produkte (Tuma & Lebreton, 2005, S. 59)

[12] End-of-life: englisch für „Lebensende“

[13] Mit „backward search“ ist die Durchsicht von Literaturverzeichnissen auf weitere für die Themenstellung interessante Quellen gemeint (vom Brocke et al., 2009, S. 3).

[14] Die „forward search“ bezeichnet die Evaluierung zusätzlicher Quellen, in denen das vorliegende Dokument zitiert wird (vom Brocke et al., 2009, S. 3).

[15] http://www.sciencedirect.com [Stand: 20.06.2014]: Wissenschaftliche Online-Datenbank des Verlags Elsevier.

[16] http://scholar.google.de [Stand: 20.06.2014]: Wissenschaftliche Online-Datenbank des Suchmaschinenanbieters Google.

[17] http://apps.webofknowledge.com/UA_GeneralSearch_input.do?product=UA&search_mode=GeneralSearch&SID=Y1NnUJIyITRZpWXBavF&preferencesSaved= [Stand: 20.06.2014]: Wissenschaftliche Online-Datenbank des Konzerns Thomson Reuters.

[18] „Kristalle, die allseitig eine freie Oberfläche haben und keine Korngrenzen enthalten, werden als Einkristalle bezeichnet“ (Bargel & Schulze, 2012, S.11).

[19] „Trifft ein Kristall bei seinem Wachstum (bei der Erstarrung aus der Schmelze [...]) auf einen anderen, so bilden die Gitterebenen der beiden Kristalle meist größere Winkel untereinander. Es entstehen als Grenzflächen (Großwinkel-)Korngrenzen [...]“ (Bargel & Schulze, 2012, S.10).

[20] Beim Czochralski-Prozess wird das Silizium eingeschmolzen und ein wachsender Kristall langsam aus dem Schmelzkessel extrahiert. Als Ergebnis erhält man das sogenannte monokristalline Czochralski-Silizium (Jungbluth et al., 2009, S. 39).

[21]Durch Sintern lassen sich Fertigteile und Halbzeuge unter Umgehung der flüssigen Phase herstellen“ (Bargel & Schulze, 2012, S. 95).

Ende der Leseprobe aus 87 Seiten

Details

Titel
Untersuchung kristalliner Photovoltaikmodule bezüglich ihrer Recyclierbarkeit
Hochschule
Universität Augsburg  (Lehrstuhl für Production & Supply Chain Management)
Note
1,0
Autor
Jahr
2014
Seiten
87
Katalognummer
V335232
ISBN (eBook)
9783668251762
ISBN (Buch)
9783668251779
Dateigröße
2697 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Photovoltaik, kristalline Photovoltaik, Recycling, Materialzusammensetzung, Kreislaufwirtschaft, Silber, Silizium, Aluminium, Kunststoff, EDX-Analyse, Degradation, Solarenergie, Ressourcen, Nachhaltigkeit
Arbeit zitieren
Linda Denzner (Autor), 2014, Untersuchung kristalliner Photovoltaikmodule bezüglich ihrer Recyclierbarkeit, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/335232

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