وتصف الخلايا الكهروضوئية من كادميوم تيلوريد (CdTe) تقنية ضوئية (PV) تعتمد على استخدام تيلوريد الكادميوم ، وهي طبقة رقيقة من أشباه الموصلات مصممة لاستيعاب وتحويل أشعة الشمس إلى كهرباء. الكادميوم تيلوريد PV هي تقنية الأغشية الرقيقة الوحيدة التي تقل تكاليفها عن الخلايا الشمسية التقليدية المصنوعة من السيليكون البلوري في أنظمة متعددة الكيلو واط.

على أساس دورة الحياة ، يكون CdTe PV أصغر بصمة الكربون وأقل استخدام للمياه وأقصر فترة استرداد للطاقة في جميع تقنيات الطاقة الشمسية. تسمح فترة استرداد الطاقة لشركة CdTe بأقل من عام بتخفيضات أسرع في الكربون دون عجز في الطاقة على المدى القصير.

إن سمية الكادميوم هي مصدر قلق بيئي تم تخفيفه من خلال إعادة تدوير وحدات CdTe في نهاية عمرها الافتراضي ، على الرغم من أنه لا تزال هناك شكوك وتشكك الرأي العام في هذه التكنولوجيا. قد يصبح استخدام المواد النادرة أيضًا عاملاً مقيدًا للتوسع الصناعي لتكنولوجيا CdTe في المستقبل على المدى المتوسط. إن وفرة التيلوريوم – التي تمثل التيلوريد (بالإنجليزية: telluride) هي الشكل الأيوني (anionic form) – يمكن مقارنتها ببلاتينيوم البلاتين في قشرة الأرض وتساهم بشكل كبير في تكلفة الوحدة.

تستخدم الخلايا الفولتية الضوئية في بعض من أكبر محطات الطاقة الكهروضوئية في العالم ، مثل مزرعة توباز للطاقة الشمسية. مع حصة من 5.1 ٪ من الإنتاج الكهروضوئية في جميع أنحاء العالم ، تمثل تكنولوجيا CdTe أكثر من نصف سوق الأغشية الرقيقة في عام 2013. إحدى الشركات البارزة في تكنولوجيا الأفلام الرقيقة CdTe هي شركة First Solar ، ومقرها في Tempe ، أريزونا.

خلفية
دائما كانت التكنولوجيا الكهروضوئية المهيمنة تعتمد على رقائق السليكون البلورية. كانت الأفلام الرقيقة والتركيز محاولات مبكرة لخفض التكاليف. تعتمد الأفلام الرقيقة على استخدام طبقات رقيقة من أشباه الموصلات لامتصاص أشعة الشمس وتحويلها. يقلل المكثف من عدد الألواح باستخدام العدسات أو المرايا لوضع المزيد من ضوء الشمس على كل لوحة.

أول تقنية رقيقة تم تطويرها على نطاق واسع كانت عبارة عن سيليكون غير متبلور. ومع ذلك ، فإن هذه التكنولوجيا تعاني من انخفاض الكفاءة ومعدلات الترسب البطيئة (مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف رأس المال). وبدلاً من ذلك ، وصل سوق الخلايا الفولت ضوئية إلى 4 جيغاوات في عام 2007 مع السيليكون البلوري الذي يشكل حوالي 90٪ من المبيعات. وقدر نفس المصدر أنه تم تركيب حوالي 3 جيجاوات في عام 2007.

خلال هذه الفترة ظلت تيلوريد الكادميوم و diselenide الإنديوم النحاس أو سبائك CIS قيد التطوير. وقد بدأ إنتاج هذه الأخيرة في أحجام تتراوح بين 1 و 30 ميغاوات في السنة بسبب كفاءة عالية للغاية في مجال منطقة صغيرة تصل إلى 20٪ في المختبر. تقترب كفاءة الخلايا CdTe من 20٪ في المختبر وسجلت 22.1٪ اعتبارًا من عام 2016.

التاريخ [عدل]
يرجع تاريخ البحث في CdTe إلى الخمسينات ، لأن فجوة النطاق (~ 1.5 eV) تقريبًا تطابق تام لتوزيع الفوتونات في الطيف الشمسي من حيث التحويل إلى الكهرباء. تطور تصميم متباين الشكل بسيط حيث تمت مطابقة نوع CdTe مع كبريتيد الكادميوم من النوع n (CdS). اكتملت الخلية بإضافة جهات اتصال أعلى وأسفل. كان القادة الأوائل في كفاءات CdS / CdTe للخلايا هي GE في الستينات ، ثم Kodak و Monosolar و Matsushita و AMETEK.

بحلول عام 1981 ، استخدمت كوداك تساميًا متقاربًا (CSS) وقدمت أول 10٪ من الخلايا [التوضيحية المطلوبة] والأجهزة الأولى متعددة الخلايا (12 خلية ، كفاءة 8٪ ، 30 سم 2). Monosolar و AMETEK استخدام electrodeposition ، وهي طريقة مبكرة شعبية. بدأت ماتسوشيتا بطباعة الشاشة لكنها تحولت في التسعينيات إلى CSS. تم إنتاج خلايا من حوالي 10 ٪ من كفاءة أشعة الشمس إلى الكهرباء بحلول أوائل الثمانينات في Kodak ، و Matsushita ، و Monosolar و AMETEK.

حدثت خطوة مهمة إلى الأمام عندما تم تكبير حجم الخلايا لتكوين منتجات مساحة أكبر تسمى الوحدات النمطية. تتطلب هذه المنتجات تيارات أعلى من الخلايا الصغيرة ووجد أن طبقة إضافية ، تسمى أكسيد موصل شفاف (TCO) ، يمكن أن تسهل حركة التيار عبر الجزء العلوي من الخلية (بدلاً من الشبكة المعدنية). واحد من هذه التكلفة TCO ، أكسيد القصدير ، كان متاحا للاستخدامات الأخرى (النوافذ العاكسة حراريا). جعل أكثر موصل لل PV ، وأصبح أكسيد القصدير ويبقى القاعدة في وحدات الكهروضوئية CdTe.

حققت الخلايا CdTe ما يزيد عن 15٪ [التوضيح المطلوب] في عام 1992 بإضافة طبقة عازلة إلى مكدس TCO / CdS / CdTe ثم خفضت CdS للاعتراف بالمزيد من الضوء. استخدم Chu أكسيد القصدير المقاوم كطبقة عازلة ثم قام بتخفيف CdS من عدة ميكرومترات إلى أقل من نصف ميكرومتر في السمك. أغلقت CdS سميكة ، كما تم استخدامه في الأجهزة السابقة ، حوالي 5 مللي أمبير / سم 2 من الضوء ، أو حوالي 20 ٪ من الضوء قابلة للاستخدام بواسطة جهاز CdTe. لم تؤثر الطبقة الإضافية على خصائص الجهاز الأخرى.

في أوائل التسعينات ، شهدت لاعبين آخرين نتائج مختلطة. عقد الفوتون الذهبي الرقم القياسي لفترة قصيرة لأفضل وحدة CdTe قياس في NREL بنسبة 7.7 ٪ باستخدام تقنية ترسيب الرذاذ. زعم ماتسوشيتا أن هناك كفاءة بنسبة 11٪ [توضيح مطلوب] باستخدام CSS ، ثم أسقطت التكنولوجيا. في نهاية المطاف ، حدثت فعالية مماثلة ومصير في BP Solar. استخدمت شركة بريتيش بتروليوم electrodeposition (الموروثة من Monosolar بواسطة مسار دائري عندما اشترت SOHIO ، المقتني Monosolar). انخفضت شركة BP Solar CdTe في نوفمبر 2002. تمكنت شركة Antec من إنتاج حوالي 7٪ من الوحدات الفعالة ، ولكنها أفلست عندما بدأت في الإنتاج التجاري خلال فترة هبوط حاد في السوق في عام 2002. ومع ذلك ، حتى عام 2014 ، لا تزال Antec تقدم وحدات CdTe PV.

وتشمل الشركات الناشئة CdTe Calyxo (المملوكة سابقًا لـ Q-Cells) ، و PrimeStar Solar ، في Arvada ، كولورادو (حصلت عليها First Solar من GE) ، Arendi (إيطاليا). بما في ذلك Antec ، يمثل إجمالي إنتاجها أقل من 70 ميغاواط في السنة. وتركز “إمبا” ، المختبرات الفيدرالية السويسرية لاختبار المواد والأبحاث ، على تطوير الخلايا الشمسية CdTe على ركائز مرنة وكفاءتها المثبتة من الخلايا بنسبة 13.5٪ و 15.6٪ للرقائق البلاستيكية المرنة والركائز الزجاجية على التوالي.

اصابات النخاع الشوكي والأول للطاقة الشمسية [عدل]
كان النجاح التجاري الرئيسي من الخلايا الشمسية إنكوربوريتد (SCI). تصور مؤسسها ، هارولد ماكماستر ، أفلامًا رقيقًا منخفضة التكلفة على نطاق واسع. بعد تجربة السليكون غير المتبلور ، انتقل إلى CdTe بناءً على إلحاح من جيم نولان وأسس شركة Solar Cells ، التي أصبحت فيما بعد First Solar. دافع McMaster CdTe عن معالجة عالية الإنتاجية عالية الإنتاجية. تحولت SCI من تكيف لطريقة CSS ثم تحولت إلى نقل بخار. في شباط / فبراير 1999 ، باعت شركة McMaster الشركة إلى True North Partners ، التي أطلقت عليها اسم First Solar.

في سنواتها الأولى عانت “فيرست سولار” من النكسات ، وكانت كفاءات الوحدة الأولية متواضعة ، حوالي 7٪. أصبح المنتج التجاري متاحًا في عام 2002. بلغ الإنتاج 25 ميجاوات في عام 2005. تم تصنيع الشركة في بيريسبورغ وأوهايو وألمانيا. في عام 2013 ، حصلت شركة First Solar على تقنية الألواح الشمسية الرقيقة من جنرال إلكتريك مقابل الحصول على حصة تبلغ 1.8٪ في الشركة. اليوم ، تصنع First Solar أكثر من 3 جيجاوات مع متوسط ​​كفاءة وحدة بنسبة 16.4 ٪ في عام 2016.

تقنية

كفاءة الخلية
في أغسطس 2014 ، أعلنت شركة First Solar عن وجود جهاز مع كفاءة تحويل تبلغ 21.1٪. في فبراير 2016 ، أعلنت شركة First Solar أنها بلغت كفاءة تحويل قياسية بلغت 22.1٪ في خلايا CdTe الخاصة بها. في عام 2014 ، رفعت First Solar كفاءة الوحدات القياسية من 16.1٪ إلى 17.0٪. في هذا الوقت ، توقعت الشركة أن يكون متوسط ​​كفاءة وحدة خط الإنتاج في CdTe PV 17٪ بحلول عام 2017 ، ولكن بحلول عام 2016 ، توقعوا أن تصل كفاءة الوحدة إلى حوالي 19.5٪.

نظرًا لأن CdTe يحتوي على ثغرة عصابية مثالية لأجهزة التوصيل أحادي التوصيل ، فإن الفعالية القريبة من 20٪ (كما هو موضح بالفعل في سبائك CIS) يمكن تحقيقها في خلايا CdTe العملية.

تحسين العملية
تحسين عملية تحسين الإنتاجية وخفض التكاليف. وشملت التحسينات ركائز أوسع (بما أن تكلفة التكاليف الرأسمالية لا تتعدى الحدود الدنيا ويمكن تخفيض تكاليف التركيب) ، وطبقات أرق (لحفظ المواد ، والكهرباء ، ووقت المعالجة) ، واستخدام أفضل للمواد (لحفظ المواد وتكاليف التنظيف). بلغت تكاليف وحدة CdTe 2014 حوالي 72 دولارًا لكل متر مربع (11 قدمًا مربعة) ، أو حوالي 90 دولارًا لكل وحدة.

درجة الحرارة المحيطة [تحرير]
تقاس كفاءات الوحدة في المختبرات في درجات حرارة اختبار قياسية تبلغ 25 درجة مئوية ، ولكن في الوحدات الميدانية غالباً ما تتعرض لدرجات حرارة أعلى من ذلك بكثير. يحمي معامل درجة حرارة منخفضة نسبيا CdTe الأداء في درجات حرارة أعلى. تواجه وحدات CdTe PV نصف الحد من وحدات السيليكون البلورية ، مما يؤدي إلى زيادة إنتاج الطاقة السنوية بنسبة 5-9 ٪.

تتبع الطاقة الشمسية
تقريبا جميع أنظمة الوحدات الفولتية الضوئية الرقيقة حتى الآن كانت غير تتبع للطاقة الشمسية ، لأن وحدة الناتج كانت منخفضة جدا لتعويض رأس المال تعقب وتكاليف التشغيل. ولكن أنظمة التتبع أحادي المحور غير المكلفة نسبياً يمكن أن تضيف 25٪ من الناتج لكل واط مثبت. بالإضافة إلى ذلك ، اعتمادا على المكاسب المتعقبة للطاقة ، يمكن تعزيز الكفاءة البيئية الشاملة للنظام الكهروضوئي عن طريق خفض كل من تكاليف النظام والآثار البيئية. هذا يعتمد على المناخ. كما ينتج عن التعقب هدوء إنتاج أكثر سلاسة في منتصف النهار ، أفضل مطابقة لذروة العصر.

المواد
الكادميوم [عدل]
الكادميوم (Cd) ، وهو معدن ثقيل سام يعتبر مادة خطرة ، هو ناتج ثانوي للنفايات عن التعدين ، صهر وتكرير خامات الكبريتيد من الزنك أثناء تكرير الزنك ، وبالتالي لا يعتمد إنتاجه على الطلب على السوق الكهروضوئية. توفر الوحدات الكهروضوئية الكادميومية استخدامًا مفيدًا وآمنًا للكادميوم الذي يمكن تخزينه للاستخدام في المستقبل أو التخلص منه في مدافن النفايات كنفايات خطرة. يمكن تحويل المنتجات الثانوية للتعدين إلى مركب CdTe مستقر ومغلف بأمان داخل الوحدات الشمسية CdTe PV لسنوات. إن النمو الكبير في قطاع الكهروضوئية CdTe لديه القدرة على الحد من انبعاثات الكادميوم العالمية عن طريق تشريد توليد الطاقة من الفحم والنفط.

تيليريوم [عدل]
وتخضع تقديرات Tellurium (Te) وتقديرات الاحتياطيات لعدم اليقين وتتفاوت بشكل كبير. التيلوريوم معدن نادر نادر الحدوث يستخدم بشكل أساسي كإضافة للصلب بالقطع. يتم الحصول على حصريًا تقريبًا كمنتج ثانوي لتكرير النحاس ، مع كميات صغيرة من إنتاج الرصاص والذهب. فقط كمية صغيرة ، تقدر بنحو 800 طن متري في السنة ، متاحة. وفقا ل USGS ، بلغ الإنتاج العالمي في عام 2007 135 طن متري. يتطلب واحد جيجاوات (GW) من الوحدات الكهروضوئية CdTe حوالي 93 طن متري (في الكفاءات والسماكة الحالية). من خلال كفاءة المواد المحسنة وزيادة إعادة تدوير الخلايا الكهروضوئية ، فإن صناعة CdTe PV لديها القدرة على الاعتماد بشكل كامل على التيلوريوم من وحدات نهاية العمر المعاد تدويرها بحلول عام 2038. في العقد الأخير [متى؟] ، تم العثور على إمدادات جديدة ، على سبيل المثال ، في شينجو ، الصين وكذلك في المكسيك والسويد. في عام 1984 ، عرف الفيزيائيون الفلكيون التيلوريوم على أنه العنصر الأكثر وفرة في الكون بعد أن وصل إلى رقم ذري يزيد عن 40 عامًا. بعض التلال تحت سطح البحر غنية بالتلوريوم.

كلوريد الكادميوم / كلوريد المغنيسيوم
يشمل تصنيع خلية CdTe طبقة رقيقة من كلوريد الكادميوم (CdCl)
2) لزيادة الكفاءة الكلية للخلية. يعتبر كلوريد الكادميوم سامًا ومكلفًا نسبيًا وقابل للذوبان بدرجة عالية في الماء ، مما يشكل تهديدًا بيئيًا محتملاً أثناء التصنيع. في عام 2014 ، اكتشف البحث أن كلوريد المغنيسيوم وفيرة وغير ضارة (MgCl
2) ينفذ وكذلك كلوريد الكادميوم. قد يؤدي هذا البحث إلى خلايا CdTe أرخص وأكثر أمانًا.

سلامة [عدل]
في حد ذاتها ، والكادميوم والتيلوريوم هي مواد سامة ومسببة للسرطان ، ولكن CdTe يشكل شبكية بلورية مستقرة للغاية ، وهناك العديد من الطلبات من حيث السمية أقل من الكادميوم. توضع الصفائح الزجاجية المحيطة بمواد CdTe المحصورة بينها (كما هو الحال في جميع الوحدات التجارية) عند حريق ولا تسمح بإطلاق أي كادميوم. جميع الاستخدامات الأخرى والتعرضات المتعلقة بالكادميوم بسيطة ومتشابهة في نوعها وحجمها للتعرض للمواد الأخرى في سلسلة القيمة الكهروضوئية الأوسع ، على سبيل المثال ، الغازات السامة أو اللحام الرصاصي أو المذيبات (ومعظمها لا يستخدم في تصنيع CdTe) .

إعادة التدوير [عدل]
بسبب النمو الهائل في الخلايا الكهروضوئية ، ازداد عدد الأنظمة الكهروضوئية المركبة في جميع أنحاء العالم بشكل كبير. أنشأت شركة First Solar أول برنامج عالمي وشامل لإعادة التدوير في مجال الكهروضوئية في عام 2005. تعمل مرافق إعادة التدوير في كل مصنع من مصانع First Solar ، وتستعيد حتى 95٪ من مادة أشباه الموصلات لإعادة استخدامها في وحدات جديدة و 90٪ من الزجاج لإعادة استخدامها في منتجات زجاجية جديدة. أظهر تقييم دورة حياة إعادة تدوير وحدة CdTe من قبل جامعة شتوتغارت انخفاضا في الطلب على الطاقة الأولية في نهاية عمرها من 81 ميجا جول / متر مربع إلى -12 ميجا جول / متر مربع ، بانخفاض يبلغ حوالي 93 ميجا جول / متر مربع ، ومن حيث من احتمالية الاحترار العالمي من 6 كجم CO2-equiv./m2 إلى -2.5 CO2-equiv./m2 ، انخفاض في حوالي -8.5 CO2-equiv./m2. تظهر هذه التخفيضات تغييرًا مفيدًا للغاية في المظهر البيئي العام لوحدة CdTe الضوئية. كما أظهر تقييم دورة الحياة أن المساهمين الرئيسيين في دراسة فئات التأثير البيئي يرجع إلى المواد الكيميائية والطاقة المطلوبة في معالجة وحدات CdTe.

حدود الحبوب [عدل]
حدود الحبوب هي السطح البيني بين حبيبين من مادة بلورية وتحدث عندما يلتقي حبتان. هم نوع من العيوب البلورية. وكثيراً ما يُفترض أن فجوة جهد الدائرة المفتوحة في CdTe ، بالمقارنة مع كل من GaA وضوح الشمس ، والحدود النظرية ، يمكن أن تُعزى إلى حد ما إلى حدود الحبوب داخل المادة. ومع ذلك ، هناك عدد من الدراسات التي اقترحت ليس فقط أن GBs ليست ضارة بالأداء ولكنها قد تكون مفيدة في الواقع كمصادر لجمع الناقل المعزز. لذا ، فإن الدور الدقيق لحدود الحبوب في الحد من أداء الخلايا الشمسية القائمة على CdTe لا يزال غير واضح والبحث مستمر لمعالجة هذه المسألة.

قابلية السوق
يرجع نجاح تيلوريد الكادميوم إلى انخفاض التكلفة التي يمكن تحقيقها باستخدام تقنية CdTe ، والتي أصبحت ممكنة من خلال الجمع بين الكفاءة الكافية وانخفاض تكاليف منطقة الوحدة. بلغت تكلفة التصنيع المباشرة لوحدات CdTe PV 0.57 دولار أمريكي لكل واط في عام 2013 ، وبلغت التكلفة الرأسمالية لكل واط جديد حوالي 0.9 دولار لكل واط (بما في ذلك الأرض والمباني).

النظم البارزة [عدل]
وزُعم أن حلول CdTe الكهروضوئية على نطاق المرافق قادرة على التنافس مع مصادر توليد الوقود الأحفوري الذروي اعتمادًا على مستويات الإشعاع وأسعار الفائدة وعوامل أخرى مثل تكاليف التطوير. وقد زُعم أن التركيبات الأخيرة للأنظمة الكهروضوئية الأولى من Solar First CdTe قادرة على المنافسة مع غيرها أشكال الطاقة الشمسية:

يعد مشروع “أجوا كالينتي” الذي تبلغ تكلفته 290 ميغاوات (MW) في ولاية أريزونا أحد أكبر محطات الطاقة الكهروضوئية التي تم بناؤها على الإطلاق. تتميز شركة Agua Caliente بقدرات شركة First Solar في مجال التحكم والتنبؤ وقدرات جدولة الطاقة التي تسهم في موثوقية الشبكة واستقرارها.

تم الانتهاء من بناء مزرعة توباز للطاقة الشمسية التي تبلغ قدرتها 550 ميجاوات في كاليفورنيا ، في نوفمبر 2014 ، وكانت أكبر مزرعة شمسية في العالم في ذلك الوقت.
يعد مشروع فيرست سولار 13 ميجاوات في دبي ، الذي تديره هيئة كهرباء ومياه دبي ، الجزء الأول من مجمع محمد بن راشد آل مكتوم للطاقة الشمسية ، وكان أكبر محطة للطاقة الكهروضوئية في المنطقة عند اكتماله في عام 2013.
كان نظام 40 ميغاواط الذي تم تركيبه من قبل مجموعة جوي في منتزه والدبولنز للطاقة الشمسية بألمانيا ، وقت إعلانه ، هو أكبر وأكبر نظام PV مخطط له في العالم. كان السعر 130 مليون يورو.

إن نظام 128 MWp الذي تم تركيبه من قبل Belectric في Templin ، براندنبورغ ، ألمانيا هو أكبر تركيب PV ذو طبقة رقيقة حاليًا في أوروبا (اعتبارًا من يناير 2015).

بالنسبة لمحطة بليث الفولطاضوئية بطاقة 21 ميغاواط في كاليفورنيا ، حددت اتفاقية شراء الطاقة سعر الكهرباء المولدة بسعر 0.12 دولار لكل كيلووات ساعة (بعد تطبيق جميع الحوافز). ويعرف هذا في كاليفورنيا باسم “السعر المرجعي للسوق” ، وهو ما يحدد السعر الذي سيدفعه PUC لأي مصدر للطاقة في ذروة النهار ، مثل الغاز الطبيعي. على الرغم من أن الأنظمة الكهروضوئية متقطعة وغير قابلة للتبديل كما هو الحال بالنسبة للغاز الطبيعي ، فإن مولدات الغاز الطبيعي لديها مخاطر مستمرة في أسعار الوقود لا تمتلكها الطاقة الكهروضوئية.
عقد لميغاواط من المنشآت على السطح مع جنوب كاليفورنيا اديسون. تم تصميم برنامج SCE لتثبيت 250 ميجاوات بتكلفة إجمالية قدرها 875 مليون دولار (بمتوسط ​​3.5 دولار / وات) ، بعد تقديم الحوافز.