Die Durchdringung der Niederspannungsnetze mit dezentralen fluktuierenden Einspeisern, insbesondere Photovoltaik-Anlagen, steigt zukünftig stark an. Dadurch werden die öffentlichen Energieversorgungsnetze mit Leistungsfluktuationen beaufschlagt. Zur Lösung der daraus resultierenden ingenieurtechnischen Probleme, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Methode zur Dimensionierung von Speichersystemen für elektrische Energie geschaffen.

Die vorliegende Arbeit behandelt das Recycling von Photovoltaikmodulen – speziell aus der Gruppe der kristallinen Siliziumsolartechnologie. Dabei kommt der Analyse grundlegender Zusammenhänge sowie der Generierung einer auch für nachfolgende Forschungsansätze desideraten Datenbasis zentraler Stellenwert zu. Hierfür werden sowohl die technologische, die rechtliche und die ökonomische Ebene auf etwaige prävalierende Hemmnisfaktoren oder die Existenz von hemmenden Restriktionen hin untersucht als auch regionale Fragestellungen und diesbezügliche Rahmenbedingungen adressiert. Ein wesentlicher Aspekt ist dabei insbesondere der Konnex zwischen regionalen Gegebenheiten und der aufgedeckten gegenwärtigen Disproportionalität aus der verfahrenstechnischen Realisierbarkeit und dem realen Anwendungsspektrum betrachtungsrelevanter Recyclingaktivitäten. Um den Untersuchungsgegenstand adäquat zu bearbeiten, wurde ein Prognosemodell zur Prädiktion annueller Altmodulströme auf Basis wissenschaftlicher Erkenntnisse und aktueller Erfahrungswerte entwickelt, welches zudem nach technologischem Ansatz differenziert und regional uneingeschränkt arbeitet. Darauf aufbauend, aus der Modifikation eines finanzmathematischen Entscheidungskriteriums, der Anwendung von Optimierungsansätzen und der Kenntnis potenzieller Veränderungen des grundlegenden Aufbaus eines definierten Standardsolarmoduls infolge produktionskostengetriebener Marktumbrüche konnten letztlich multiple aber szenariengebundene Hemmnisfaktoren identifiziert werden. Aus dem ganzheitlichen Betrachtungsansatz von Produktion und Recycling gelang darüber hinaus eine Kalkulation idealisierter energetischer und materieller Einsparpotenziale eines Recyclingansatzes im Vergleich zur Durchflusswirtschaft. Gleichwohl konnte, basierend auf den Ergebnissen, ein weiterer Forschungsbedarf abgeleitet und empfohlen werden.:INHALTSVERZEICHNIS ...................................................................................... XVII TABELLENVERZEICHNIS .................................................................................. XXV ABBILDUNGSVERZEICHNIS ............................................................................ XXIX ABKÜRZUNGS- UND SYMBOLVERZEICHNIS ........................................ XXXVII 1. EINFÜHRUNG ......................................................................................................... 1 1.1 UNTERSUCHUNGSSCHWERPUNKTE ....................................................................... 2 1.2 FORSCHUNGSBEITRAG UND AUFBAU DER ARBEIT ................................................ 6 1.3 LITERATURANALYSE UND STAND DER WISSENSCHAFT ...................................... 10 1.4 BESTÄTIGUNG DER FORSCHUNGSLÜCKE UND METHODIK .................................. 23 2. PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN ................................................................... 27 2.1 HALBLEITER ....................................................................................................... 29 2.2 EXTRATERRESTRISCHE SONNENSTRAHLUNG ...................................................... 50 2.3 VERÄNDERUNG DES SONNENSPEKTRUMS IN DER ERDATMOSPHÄRE .................. 53 2.4 GLOBALSTRAHLUNG .......................................................................................... 61 2.5 LICHTABSORPTION ............................................................................................. 67 3. SOLARZELLENTECHNOLOGIEN ................................................................... 77 3.1 DER PHOTOVOLTAISCHE EFFEKT ........................................................................ 79 3.2 ÜBERBLICK DER VERSCHIEDENEN TECHNOLOGIEN ............................................ 85 3.3 EVOLUTION DER KRISTALLINEN SILIZIUMSOLARZELLE ...................................... 88 3.4 DÜNNSCHICHTZELLENTECHNOLOGIE ............................................................... 117 4. PRODUKTION ..................................................................................................... 149 4.1 GESCHICHTE DER PHOTOVOLTAIK .................................................................... 153 4.2 MÄRKTE FÜR PHOTOVOLTAIK .......................................................................... 157 4.3 ANTEILE DER TECHNOLOGIEN .......................................................................... 194 4.4 ABGRENZUNG DES WEITEREN UNTERSUCHUNGSRAHMENS .............................. 201 4.5 VOM SILIZIUMDIOXID ZUM KRISTALLINEN STANDARDSILIZIUMSOLARMODUL . 206 4.6 KRITISCHE ROHSTOFFE .................................................................................... 301 4.7 ÜBERSICHT PRODUZENTEN .............................................................................. 311 5. RECYCLING ........................................................................................................ 321 5.1 RELEVANTE EUROPÄISCHE GESETZGEBUNG UND NATIONALE GESETZLICHE RESTRIKTIONEN ............................................................................................... 326 5.2 PROGNOSE DES MÖGLICHEN ALTMODULAUFKOMMENS ................................... 369 5.3 TECHNOLOGISCHE ANSÄTZE UND ERPROBTE VERFAHREN ............................... 456 5.4 ÖKONOMISCHE ASPEKTE .................................................................................. 510 5.5 KONSTRUKTIONSBEDINGTE BEEINFLUSSUNGEN DER ÖKONOMISCHEN ASPEKTE .......................................................................................................... 611 5.6 OPTIMIERUNGSANSÄTZE DER BESCHAFFUNGSLOGISTIK ................................... 629 6. IDENTIFIZIERTE HERAUSFORDERUNGEN UND WEITERER FORSCHUNGSBEDARF .................................................................................... 645 6.1 PROBLEMATIK DER ZEITVERSCHIEBUNG ZWISCHEN PRODUKTIONS- UND RECYCLINGTECHNOLOGIEN .............................................................................. 647 6.2 PROBLEMATIK DER FEHLENDEN VOLUMINA ..................................................... 651 6.3 WEITERE IDENTIFIZIERTE HEMMNISFAKTOREN UND HERAUSFORDERUNGEN ... 655 6.4 REGIONALER NUTZEN AUS DER ETABLIERUNG EINES RECYCLINGNETZWERKES ................................................................................. 675 6.5 VOLKSWIRTSCHAFTLICHE ASPEKTE ................................................................. 683 7. ZUSAMMENFASSENDE SCHLUSSBETRACHTUNGEN ............................ 691 LITERATUR- UND QUELLENVERZEICHNIS ................................................... 700 ANHANG ..................................................................................................................... 730

Dieser Beitrag fokussiert auf die bauwerksintegrierte Photovoltaik (BIPV) und widmet sich den folgenden Fragen: Wie kann das Flächenpotenzial deutscher Gebäudefassaden in Bezug auf die Eignung für BIPV überschlägig erfasst, beschrieben und nach verschiedenen Gebäudefunktionen bewertet werden? Wo können künftig 1 Milliarde PV-Module in Deutschland installiert werden? Untersucht wird das theoretische Fassadenflächenpotenzial (ohne Berücksichtigung von Fenster- und Türflächenanteilen, ohne Bewertung der tatsächlichen Solareinstrahlung) in Deutschland, um zu analysieren, ob ausreichend Fassadenflächen für die Bereitstellung der benötigten elektrischen Leistung vorhanden sind. Es wird eine Bestandsanalyse für alle Gebäude in Deutschland durchgeführt, die darauf abzielt, jene Gebäudefunktion mit besonderer Eignung für BIPV unter Berücksichtigung der Fassadenausrichtung zu bestimmen. Außerdem wird ermittelt, auf welche Stadt- und Gemeindetypen besonders relevante Gebäude entfallen.

Wesentliche Fragestellungen der hier vorgestellten Analyse sind die Entwicklung von Photovoltaik (PV)-Freiflächenanlagen bis 2017, deren geografische Lage sowie verkehrs-und naturräumliche Zusammenhänge. Zur Einschätzung des ATKIS Basis-DLM als Datengrundlage wurde eine Befragung der Landesvermessungsverwaltungen durchgeführt. Im Fokus standen dabei Qualität und Aktualität der Daten. Die Auswertungen auf Bundeslandebene bestätigen ein höheres Aufkommen von PV-Freiflächenanlagen in Bayern und in den östlichen Bundesländern, mit Schwerpunkt in Brandenburg und Sachsen-Anhalt. Durch die räumliche Überlagerung neuer Anlagen aus den Jahren 2015 bis 2017 mit den Flächennutzungsdaten des Vorjahres wurde die Vornutzung bestimmt. Anschließend wurden diese mit den förderungswürdigen Flächenkategorien des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes (EEG) abgeglichen. Darunter fallen seit 2010 u. a. Randbereiche von Autobahnen und Schienenwegen. Entlang dieser Trassen konnte ein Ausbau von etwa einem Viertel des PV-Freiflächenbedarfes ermittelt werden. Naturschutzgebiete und Nationalparks sind in der Regel nicht betroffen – Landschaftsschutzgebiete werden dagegen häufiger in Anspruch genommen.

Organische Photovoltaik könnte zukünftig eine Möglichkeit zur Energiegewinnung aus erneuerbaren Energiequellen darstellen. Der Vorteil besteht hier vor allen Dingen in dem Potential einer sehr kostengünstigen Herstellung, zum Beispiel einer Produktion im Rolle-zu-Rolle-Verfahren, welche so auf flexiblen Substraten wie beispielsweise Folien erfolgen kann. Obwohl die Materialkosten gering sind, ist bis zu einer Kommerzialisierung Organischer Solarzellen unter anderem eine Erhöhung ihrer Leistungseffizienz notwendig. Vorzugsweise sollten in Organischen Solarzellen Donator- und Akzeptormaterialien verwendet werden, deren Absorptionsspektren und Energieniveaus ideal aufeinander abgestimmt sind, da so zum Beispiel hohe Leerlaufspannungen erreicht werden können. Zusätzlich können hohe Absorptionskoeffizienten der Materialien über einen großen spektralen Bereich zu hohen Stromdichten in diesen photovoltaischen Bauelementen führen. In dieser Arbeit werden neuartige Quinquethiophene als Donatormaterial in Organischen Solarzellen untersucht, welche als Grundeinheit aus fünf Thiophenringen sowie Dicyanovinylendgruppen und Alkylseitenketten bestehen. Die untersuchten Materialien besitzen einen hohen Absorptionskoeffizienten und erreichten auf Grund des hohen Ionisationspotentials hohe Leerlaufspannungen in Organischen Solarzellen unter Verwendung des Fullerens C60 als Akzeptor. Gleichzeitig tritt eine effiziente Trennung der Exzitonen an der Akzeptor-Donator-Grenzfläche auf. Jedoch stellt das hohe Ionisationspotential der Quinquethiophene spezielle Anforderungen an die weitere Solarzellenstruktur. Innerhalb dieser Arbeit wird gezeigt, dass ein Unterschied von eingebauter Spannung und Leerlaufspannung die Form der Solarzellen-Kennlinie entscheidend beeinflusst und eine S-Form in der Nähe der Leerlaufspannung erzeugen kann. Die eingebaute Spannung wird hierbei durch die Kontaktierung der photoaktiven Schichten bestimmt. Eine Erhöhung der eingebauten Spannung der Solarzelle kann durch eine entsprechende Materialwahl erreicht werden. So wird in dieser Arbeit gezeigt, dass Organische Solarzellen basierend auf diesen Quinquethiophenen ohne energetische Barrieren für freie Ladungsträger innerhalb des Bauelements keine S-Form der Kennlinie aufweisen. Ebenfalls wird der Einfluss der unterschiedlichen Quinquethiophenderivate auf die Solarzellen-Charakteristik untersucht. Hierbei wird gezeigt, dass die Länge der Alkylseitenketten einen Einfluss auf die Löcherinjektion sowie die Löcherbeweglichkeit auf dem Oligothiophen hat, welches unter anderem auch die Form der Strom-Spannungs-Kennlinie beeinflusst. Abschließend wird die Möglichkeit der Verwendung dieser Materialklasse in Tandemsolarzellen gezeigt sowie der Vergleich von zwei unterschiedlichen Anodenmaterialien, beides wichtige Aspekte für eine kommerzielle Umsetzung.

Ein optimales Ausnutzen der von dezentralen Erzeugern innerhalb der bestehenden Energie- versorgungsstruktur bereitgestellten Energie fordert besonders bei der Einbindung regenerativer Quellen eine hohe Korrelation zwischen Angebot und Nachfrage. Innerhalb der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, wie mittels Energiemanagementverfahren ein enger Zusammenhang zwischen dem Energieangebot aus fluktuierenden Quellen und der Energienachfrage hergestellt werden kann. Dabei wird ein entsprechender Optimierungsalgorithmus aufgestellt, der die für einen möglichst umfassenden Eigenverbrauch der erzeugten Energie notwendigen Anpassungsschritte ermittelt. Bei der Analyse von Energieangebot und -nachfrage wird, ausgehend von einer allgemeinen Darstellung, eine auf die Bedürfnisse eines Energiemanagements angepasste spezielle Beschreibung der Energiesituation erarbeitet. Die Anpassung von Energieangebot und -nachfrage erfolgt über die Auswahl spezifischer Verbrauchergruppen und die Ausnutzung der aus den systeminternen Zeitkonstanten resultierenden möglichen Unterbrechungsdauern. Die Vorgehensweise wird an Hand des Elektroenergiebezugs ausgesuchter klimatechnischer Anlagen in Verbindung mit einer regenerati- ven Energieerzeugung auf Basis der Photovoltaik dargestellt.

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Organische Solarzellen besitzen das Potential für leichte und zugleich flexible photovoltaische Anwendungen, die kostengünstig hergestellt werden können und damit einen Beitrag zur Verminderung der Emission von Kohlendioxid, Methan und Stickoxiden leisten können. Zur Herstellung von organischen Solarzellen werden nur geringe Mengen der organischen Materialien benötigt und die Prozessierung findet bei vergleichsweise geringen Temperaturen statt, was die Abscheidung auf z. B. Plastikfolie ermöglicht. Man unterscheidet drei Arten von organischen Solarzellen. Erstens, Solarzellen bestehend aus kleinen Molekülen, die im Vakuum durch Sublimation auf das Substrat abgeschieden werden. Zweitens, Polymersolarzellen, deren Schichten aus Lösung meist durch „spin-coating“ oder Druckverfahren präpariert werden. Und drittens, „dye-sensitized“ Solarzellen (auch Grätzel-Zellen), die aus einer porösen Schicht Titandioxid und einem flüssigen Elektrolyten für den Ladungsträgertransport bestehen. Diese Arbeit beschäftigt sich ausschließlich mit organischen Solarzellen aus kleinen Molekülen. Die höchsten erreichten Wirkungsgrade organischer Solarzellen aus kleinen Molekülen liegen derzeit bei etwa 5 % . Um die Effizienzen von Solarzellen aus kleinen Molekülen zu steigern, ist es einerseits notwendig das Verständnis der physikalischen und chemischen Prozesse innerhalb der Bauelemente genauer beschreiben zu können, andererseits werden neue Materialien mit optimierten Eigenschaften für die organische Photovoltaik benötigt. In dieser Arbeit wurden zwei Strategien zur Optimierung organischer Solarzellen verfolgt: • Durch die Optimierung des Versatzes der Energieniveaus der organischen Materialien konnte die Leerlaufspannung in einem Modellsystem maximiert werden. An diesem Modellsystem wurden der Ursprung der Leerlaufspannung und die Rekombinationsdynamik von photogenerierten Ladungsträgern untersucht. Bezüglich der Leerlaufspannung zeigen Solarzellen, deren photoaktive Materialien in einer Mischschicht vorliegen, im Vergleich zu Solarzellen, die eine photoaktive Doppelschicht beinhalten, fundamentale Unterschiede . • Des Weiteren wurden neue Thiophenderivate untersucht, die als aktive Materialien in organischen Solarzellen eingesetzt wurden. Durch elektronenziehende Endgruppen wurde das Ionisationspotential der Thiophenderivate abgesenkt und die optische Bandlücke verringert. Das Thiophenderivat DCV3T fungiert in Kombination mit herkömmlichen Donator-Materialien als Akzeptor. In Mischschichten aus DCV3T und C60 kommt es durch einen Hin- und Rücktransfer der Anregungsenergie zwischen den Materialien statt der Generation von freien Ladungsträgern zu einer Erhöhung der Triplett-Exzitonendichte auf DCV3T . Diese Exzitonen besitzen auf Grund der hohen Lebensdauer von Triplett-Exzitonen das Potential für eine erhöhte Exzitonendiffusionslänge, die in einem neuen Solarzellenkonzept ausgenutzt werden konnte . / Organic solar cells have the potential for light weight and flexible applications. They can be manufactured cost-effectively and can thus contribute to the reduction of the emission of carbon dioxide, methane and nitric oxides. In order to manufacture organic solar cells, only small amounts of organic materials are required. They can be processed at comparably low temperatures. Therefore, the fabrication on substrates like plastic foil is possible. Three different types of organic solar cells exist. The first kinds are solar cells prepared from small molecules that are manufactured via sublimation of the material in a vacuum. The second kind are polymer solar cells manufactured from solution by spin coating techniques or ink jet printing. And thirdly, dye sensitized solar cells - also known as Grätzel cells - consisting of a porous layer of titanium dioxide and most commonly a liquid electrolyte for the charge transport. This work deals exclusively with small molecule solar cells. The highest power conversion efficiencies reached by small molecule organic photovoltaics are now in the range of 5 %. In order to increase the efficiencies of solar cells prepared from small molecules, two major aspects must be developed. The understanding of the physical processes within the organic devices must be improved. And secondly, new materials are required with physical properties optimized for organic photovoltaics. In this work, I followed two strategies for optimizing organic solar cells: • By optimizing the offset of energy levels between donor and acceptor material, the open circuit voltage could be increased. In the investigated model system, the origin of the open circuit voltage and the recombination dynamics of photo generated charge carriers were analyzed. Concerning the open circuit voltage, solar cells consisting of a donor acceptor double layer structure, show fundamental differences to solar cells consisting of a donor acceptor blend. • Furthermore, new thiophene derivatives used as photoactive materials were investigated. By the attachment of electron withdrawing end groups, the ionization potential of the oligothiophenes is increased and the optical band gap is reduced at the same time. The investigated thiophene derivative DCV3T acts as an acceptor in combination with the commonly used donor-materials. A back- and forth-transfer of excitation energy is observed in blends of DCV3T and fullerene C60. In these blends, excitons are not separated into free charge carriers. This back and forth transfer leads to an enhancement of the density of triplet excitons on DCV3T. These excitons have a potentially high diffusion length due to the long lifetime of triplet excitons. This effect was utilized in the organic solar cells.

Due to the significant increase of ’renewable energy’ to the total energy the highly fluctuating energy supply, which is due to the constitutional conditions of production among others from photovoltaic systems, becomes a growing problem. As a result, many engineering firms and companies dedicate themselves to the so-called power prediction by which it should be possible to integrate a fast changing energy supply into a necessarily continuous energy supply. The Ingenieurbüro für Last- und Energiemanagement (LEM-Software) used a neural network for this prediction of performance of photovoltaic systems. This networks learn from past knowledge a mathematical patern that can be used for forecasting. Based on this, this article deals with a new parameter for the network which characterizes the probability of broken cloud effects. The global radiation forecast in the surrounding area is analyzed for this index. It turns out that this inhomogeneous index is a better indicator than the standard deviation. A first application shows a slight improvement in the forecast result. However, the time limit for application of the neural network is too short for a final evaluation. / Aufgrund des steigenden Anteils ’erneuerbarer Energie’ an der Energieversorgung wird die stark schwankende Energiezufuhr, bedingt durch die naturgegebenen Produktionsbedingungen unter anderem von Photovoltaik-Anlagen, zu einem immer größeren Problem. Infolge dessen widmen sich viele Ingenieurbüros und Firmen sogenannten Leistungsprognosen, mit deren Hilfe es gelingen soll, eine schnell wechselnde Energiebereitstellung in eine notwendigerweise kontinuierliche Energieversorgung zu streichen. Das Ingenieurbüro für Last- und Energiemanagement (LEM-Software) verwendet für diese Vorhersagen der Leistung von Photovoltaik-Anlagen ein künstliches neuronales Netzwerk (KNN). Dieses erlernt aus vergangenen Verhältnissen ein mathematisches Muster, welches für die Prognose angewendet werden kann. Aufbauend darauf befasst sich dieser Artikel mit einem Inhomogenitätsindex f¨ur das Netzwerk, welcher die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten schnell wechselnder Bewölkung und von Broken-Cloud-Effekten charakterisiert. Für den Index wird die Globalstrahlungsvorhersage in der näheren Umgebung analysiert. Dabei stellt sich heraus, dass dieser Inhomogenitätsindex ein besserer Indikator als die Standardabweichung ist. Eine erste Anwendung zeigt eine leichte Verbesserung des Prognoseergebnisses, allerdings ist der Zeitraum für die Anwendung des KNN zu kurz für eine abschließende Bewertung.

Durch die Lebenszyklusanalyse von Bauwerkintegrierten Photovoltaik(BIPV)-Fassaden werden deren ökologische Vorteile gegenüber konventionellen Fassadenlösungen aufgezeigt. Die frühzeitige Analyse zu Beginn des Planungsprozesses ermöglicht es, die individuellen Potentiale von Baukörpern zu ermitteln und ermöglicht sichere Planungsentscheidungen durch Kennwerten. In dem Beitrag erfolgen Lebenszyklusanalysen an einem Fallbeispiel mit unterschiedlichen Betrachtungsebenen und methodischen Ansätzen. Es wird geprüft, welche Ansätze die Entscheidungsfindung von Architekt:innen und Planer:innen im Entwurfsprozess am besten unterstützen. Außerdem werden anwendungsbezogenen Erkenntnisse und Randbedingungen bei der Bilanzierung der Treibhausgasemissionen über den gesamten Lebenszyklus von BIPV-Fassaden identifiziert. / Life cycle analysis of building-integrated photovoltaic (BIPV) façades demonstrates their ecological advantages over conventional façade solutions. The early analysis at the beginning of the planning process makes it possible to determine the individual potential of building structures and enables reliable planning decisions based on characteristic values. In this article, life cycle analyses are carried out using a case study with different perspectives and methodological approaches. It is examined which approaches best support the decision-making of architects and planners in the design process. In addition, practical findings and boundary conditions for balancing greenhouse gas emissions over the entire life cycle of BIPV façades are identified.