Cadmiumtellurid (CdTe) ist eine stabile kristalline Verbindung aus Cadmium und Tellur. Es wird hauptsächlich als Halbleitermaterial in der Cadmium-Tellurid-Photovoltaik und einem optischen Infrarotfenster verwendet. Es ist normalerweise sandwiched mit Cadmiumsulfid, um eine PV-Zelle mit pn-Übergang zu bilden. Typischerweise verwenden CdTe-PV-Zellen eine Nip-Struktur.
| Eigenschaften | |
|---|---|
| Chemische Formel | CD Te |
| Molmasse | 240,01 g / mol |
| Dichte | 5,85 g · cm -3 |
| Schmelzpunkt | 1.041 ° C (1.906 ° F; 1.314 K) |
| Siedepunkt | 1.050 ° C (1.320 K) |
| Löslichkeit in Wasser | unlöslich |
| Löslichkeit in anderen Lösungsmitteln | unlöslich |
| Bandabstand | 1,5 eV (@ 300 K, direkt) |
| Wärmeleitfähigkeit | 6,2 W · m / m² · K bei 293 K |
| Brechungsindex ( n D ) | 2,67 (@ 10 μm) |
| Struktur | |
| Kristallstruktur | Zinkblende |
| Raumgruppe | F 4 3m |
| Gitterkonstante | a = 648 Uhr |
| Thermochemie | |
| Wärmekapazität ( C ) | 210 J / kg · K bei 293 K |
| Gefahren | |
| EU-Klassifizierung (DSD) (veraltet) | Schädlich ( Xn ) Gefährlich für die Umwelt ( N ) |
| R-Sätze (veraltet) | R20 / 21/22 , R50 / 53 |
| S-Sätze (veraltet) | (S2) , S60 , S61 |
| US-Gesundheitsgrenzwerte (NIOSH): | |
| PEL (zulässig) | [1910.1027] TWA 0,005 mg / m 3 (als Cd) |
| REL (empfohlen) | Ca |
| IDLH (unmittelbare Gefahr) | Ca [9 mg / m 3 (als Cd)] |
Anwendungen
CdTe wird zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen verwendet, auf die etwa 8% aller Solarzellen im Jahr 2011 entfallen. Sie gehören zu den kostengünstigsten Solarzellentypen, obwohl ein Vergleich der Gesamtkosten von der Größe der Anlage und vielen anderen Faktoren abhängt und hat sich von Jahr zu Jahr schnell verändert. Der CdTe-Solarzellenmarkt wird von First Solar dominiert. Im Jahr 2011 wurden rund 2 GWp CdTe-Solarzellen produziert; Für weitere Details und Diskussion siehe Cadmium-Tellurid-Photovoltaik.
CdTe kann mit Quecksilber zu einem vielseitigen Infrarotdetektormaterial (HgCdTe) legiert werden.CdTe, legiert mit einer kleinen Menge Zink, ist ein ausgezeichneter Festkörper-Röntgen- und Gammastrahlendetektor (CdZnTe).
CdTe wird als infrarotoptisches Material für optische Fenster und Linsen verwendet und bietet nachweislich eine gute Leistung über einen weiten Temperaturbereich. Eine frühe Form von CdTe für die IR-Verwendung wurde unter dem Handelsnamen Irtran-6 vermarktet, aber dies ist obsolet.
CdTe wird auch für elektrooptische Modulatoren verwendet. Es hat den größten elektrooptischen Koeffizienten des linearen elektrooptischen Effekts unter II-VI-Verbindungskristallen (r41 = r52 = r63 = 6,8 × 10-12 m / V).
Mit Chlor dotiertes CdTe wird als Strahlungsdetektor für Röntgenstrahlen, Gammastrahlen, Betateilchen und Alphateilchen verwendet. CdTe kann bei Raumtemperatur arbeiten und ermöglicht den Bau kompakter Detektoren für eine Vielzahl von Anwendungen in der Kernspektroskopie. Die Eigenschaften, die CdTe für die Realisierung von Hochleistungs-Gamma- und Röntgendetektoren überlegen machen, sind eine hohe Ordnungszahl, große Bandlücke und eine hohe Elektronenbeweglichkeit von ~ 1100 cm 2 / V · s, was zu einem hohen intrinsischen μτ (Mobilitätslebensdauer) führt und daher hohe Ladungssammlung und ausgezeichnete spektrale Auflösung. Aufgrund der schlechten Ladungstransporteigenschaften von Löchern, ~ 100 cm 2 / V • s, werden Einzelträger-Detektorgeometrien verwendet, um hochauflösende Spektroskopie zu erzeugen; Dazu gehören koplanare Gitter, Kollisionsdetektoren und kleine Pixel-Detektoren.
Physikalische Eigenschaften
Wärmeausdehnungskoeffizient: 5,9 × 10 -6 / K bei 293 K
E-Modul: 52 GPa
Poisson-Verhältnis: 0,41
Optische und elektronische Eigenschaften
Bulk-CdTe ist im Infraroten von nahe bei seiner Bandlückenenergie (1,5 eV bei 300 K, was einer Infrarotwellenlänge von ungefähr 830 nm entspricht) bis zu Wellenlängen größer als 20 & mgr; m transparent; entsprechend ist CdTe bei 790 nm fluoreszierend. Wenn die Größe von CdTe-Kristallen auf einige Nanometer oder weniger reduziert wird, was sie zu CdTe-Quantenpunkten macht, verschiebt sich der Fluoreszenzpeak durch den sichtbaren Bereich in das Ultraviolett.
Chemische Eigenschaften
CdTe ist in Wasser unlöslich. CdTe hat einen hohen Schmelzpunkt von 1041 ° C mit Verdampfung ab 1050 ° C. CdTe hat einen Dampfdruck von Null bei Umgebungstemperaturen. CdTe ist aufgrund seines hohen Schmelzpunkts und seiner Unlöslichkeit stabiler als seine Ausgangsverbindungen Cadmium und Tellur und die meisten anderen Cd-Verbindungen.
Cadmiumtellurid ist im Handel als Pulver oder als Kristalle erhältlich. Es kann zu Nanokristallen verarbeitet werden.
Toxikologische Bewertung
Die Verbindung CdTe weist andere Qualitäten auf als die beiden Elemente Cadmium und Tellur, getrennt genommen. Toxizitätsstudien zeigen, dass CdTe weniger toxisch ist als elementares Cadmium. CdTe hat eine geringe akute inhalative, orale und aquatische Toxizität und ist im Ames-Mutagenitätstest negativ. Aufgrund der Mitteilung dieser Ergebnisse an die Europäische Chemikalienagentur (ECHA) wird CdTe nicht mehr als gesundheitsschädlich eingestuft, wenn es bei Hautkontakt verschluckt oder gesundheitsschädlich ist, und die Toxizität für Wasserorganismen wurde verringert. Sobald CdTe, das in Herstellungsprozessen verwendet wird, richtig und sicher eingefangen und verkapselt wird, kann es unschädlich gemacht werden. Aktuelle CdTe-Module bestehen den TCLP-Test (Toxicity Characteristic Leaching Procedure) der US-Umweltbehörde EPA, mit dem das Potenzial für eine langfristige Auswaschung von auf Deponien entsorgten Produkten ermittelt werden soll.
Ein 2003 von den US National Institutes of Health gehostetes Dokument offenbart:
Das Brookhaven National Laboratory (BNL) und das US Department of Energy (DOE) nominieren Cadmium Tellurid (CdTe) für die Aufnahme in das National Toxicology Program (NTP). Diese Nominierung wird vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) und First Solar Inc. stark unterstützt. Das Material hat das Potenzial für weit verbreitete Anwendungen in der photovoltaischen Energieerzeugung, die umfangreiche menschliche Schnittstellen beinhalten wird. Daher halten wir eine definitive toxikologische Untersuchung der Auswirkungen einer Langzeit-Exposition gegenüber CdTe für notwendig.
Forscher des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums haben herausgefunden, dass die großflächige Verwendung von CdTe-PV-Modulen keine Risiken für Gesundheit und Umwelt darstellt und das Recycling am Ende ihrer Nutzungsdauer vollständig beseitigt Umweltsorgen. Diese Module produzieren während ihres Betriebs keine Schadstoffe und bieten darüber hinaus durch die Verdrängung fossiler Brennstoffe große Umweltvorteile. CdTe-PV-Module, die Cadmium als Rohmaterial verwenden, scheinen umweltfreundlicher zu sein als alle anderen gegenwärtigen Anwendungen von Cd. CdTe PV bietet in naher Zukunft eine nachhaltige Lösung für ein potenzielles Überangebot an Cadmium. Cadmium entsteht als Abfallnebenprodukt der Zinkraffination und wird aufgrund der Nachfrage nach Stahlprodukten in beträchtlichen Mengen erzeugt, unabhängig von seiner Verwendung in PV.
Verfügbarkeit
Gegenwärtig ist der Preis der Rohstoffe Cadmium und Tellur ein vernachlässigbarer Anteil der Kosten für CdTe-Solarzellen und andere CdTe-Geräte. Tellur ist jedoch ein relativ seltenes Element (1-5 Teile pro Milliarde in der Erdkruste; siehe Abundanzen der Elemente (Datenseite)). Durch verbesserte Materialeffizienz und erhöhte PV-Recycling-Systeme kann die CdTe-PV-Industrie bis 2038 vollständig auf Tellur aus recycelten Modulen zurückgreifen. Weitere Informationen finden Sie unter Cadmium-Tellurid-Photovoltaik. Eine weitere Studie zeigt, dass das Recycling von CdTe-PV zu einer bedeutenden sekundären Ressource von Te führt, die in Verbindung mit einer verbesserten Materialnutzung eine kumulierte Kapazität von etwa 2 TW bis 2050 und 10 TW bis zum Ende des Jahrhunderts ermöglichen wird.