カドミウムテルル化物（CdTe）太陽電池は、太陽光を吸収して電気に変換するように設計された薄い半導体層であるテルル化カドミウムの使用に基づく光電池（PV）技術を記述している。 カドミウムテルルライドPVは、マルチキロワットシステムで結晶シリコンで作られた従来の太陽電池よりも低コストで唯一の薄膜技術です。
ライフサイクルベースで、CdTe PVは、すべてのソーラー技術の中で最小のCO2フットプリント、最小の水使用および最短エネルギー回収時間を備えています。 CdTeのエネルギー回収期間が1年未満であれば、短期間のエネルギー不足を伴わずに素早く炭素削減を行うことができます。
カドミウムの毒性は、その寿命の終わりにCdTeモジュールのリサイクルによって軽減される環境的な懸念ですが、まだ不確実性があり、世論はこの技術に対して懐疑的です。 希少物質の使用は、中期的な将来のCdTe技術の工業的スケーラビリティの制限要因になる可能性があります。 テルルの豊富さ（テルライドはアニオン型）は、地殻のプラチナに匹敵し、モジュールのコストに大きく貢献します。
CdTe太陽電池は、Topaz Solar Farmのような世界最大の太陽光発電所で使用されています。 世界的なPV生産の5.1％を占めるCdTe技術は、2013年に薄膜市場の半分以上を占めました。CdTe薄膜技術の著名なメーカーはアリゾナ州テンペにあるFirst Solar社です。
バックグラウンド
支配的なPV技術は常に結晶シリコンウェーハに基づいています。 薄膜とコンセントレータは、コスト削減のための初期の試みでした。 薄膜は、より薄い半導体層を用いて太陽光を吸収し変換することに基づいている。 コンセントレータは、レンズやミラーを使って各パネルに日光を当てることで、パネルの数を減らしています。
広範囲に開発される最初の薄膜技術は、アモルファスシリコンであった。 しかし、この技術は効率が低く、堆積速度が遅い（高い資本コストにつながる）という問題がある。 その代わりに、PV市場は2007年に約4ギガワットに達し、結晶シリコンは売上の約90％を占めていました。 同じ情報源は、2007年に約3ギガワットが設置されたと推定した。
この間、テルル化カドミウムと二セレン化銅インジウムまたはCIS合金は開発中であった。 後者は、実験室で20％に近づく非常に高い、小面積のセル効率のために、1〜30メガワット/年の量で生産され始めている。 CdTeセルの効率は2016年には22.1％に達し、研究所では20％に近づいています。
歴史[編集]
CdTeの研究は、そのバンドギャップ（約1.5eV）が、太陽光スペクトルにおける光の変換の点で光子の分布とほぼ完全に一致するため、1950年代にさかのぼる。 p型CdTeをn型硫化カドミウム（CdS）と整合させた単純なヘテロ接合設計が進められた。 セルは上部と下部のコンタクトを追加することで完成しました。 CdS / CdTeセル効率の初期のリーダーは、1960年代にはGE、その後はKodak、Monosolar、Matsushita、AMETEKでした。
1981年までに、Kodakは近接離間昇華（CSS）を使用し、最初の10％のセルと第1のマルチセルデバイス（12セル、8％効率、30cm2）を作成しました。 MonosolarとAMETEKは電着を使用しました。 松下はスクリーン印刷ではじまったが、1990年代にはCSSに変わった。 1980年代初頭までに、コダック、松下、モノソーラ、アメテックで約10％の太陽光から電力効率のセルが製造されました。
重要な前進は、モジュールと呼ばれるより大きな面積の製品を作るために細胞のサイズを拡大したときに生じました。 これらの製品は小さなセルよりも高い電流を必要とし、透明導電性酸化物（TCO）と呼ばれる追加の層が（金属グリッドの代わりに）セルの上部を横切る電流の移動を容易にすることが分かった。 そのようなTCOの1つである酸化スズは、他の用途（熱反射窓）に利用可能であった。 PV用に導電性が高められ、酸化スズがCdTe PVモジュールの標準となりました。
CdTeセルは、TCO / CdS / CdTeスタックにバッファ層を追加することによって1992年に15％以上の浄化が達成され、その後、CdSを薄くしてより多くの光を受け入れました。 Chuは、バッファ層として抵抗性の酸化錫を使用し、次いで、数マイクロメートルから厚さの半分未満のマイクロメートルまでCdSを薄くした。 厚いCdSは、従来のデバイスで使用されていたように、約5mA / cm 2の光、またはCdTeデバイスで使用可能な光の約20％を遮断した。 追加層は、デバイスの他の特性を損なうことはありませんでした。
1990年代初め、他のプレイヤーは混在した結果を経験しました。 Golden Photonは、スプレーデポジション技術を使用して7.7％のNRELで測定した最高のCdTeモジュールの短期間の記録を保持しました。 松下は、CSSを使用してモジュール効率を11％向上させ、技術を落としたと主張しています。 BP Solarでも同様の効率と運命が発生しました。 BPは電着を使用しました（Monosolarの買収者であるSOHIOを購入した際には、Monosolarから流通経路を継承しました）。 BP Solarは2002年11月にCdTeを落としました.Antecは効率の良いモジュールを約7％製造することができましたが、2002年に短期間で急激に市場が低迷して商業生産を開始したときに倒産しました。
CdTeのスタートアップにはコロラド州アルヴァダにあるPrimeStar Solar（GEからFirst Solarに買収）、Arendi（イタリア）でCalyxo（旧Q-Cells）、PrimeStar Solarが含まれています。 Antecを含め、総生産量は年間70メガワット未満です。 Empa（スイス連邦材料試験研究所）は、CdTe太陽電池のフレキシブル基板への開発に焦点を当て、フレキシブルプラスチックホイルとガラス基板のそれぞれ13.5％と15.6％のセル効率を実証しました。
SCIとファーストソーラー[編集]
主な商業的成功は、Solar Cells Incorporated（SCI）によるものでした。 創業者のHarold McMasterは、大規模に作られた低コストの薄膜を構想しました。 アモルファスシリコンを試した後、彼はJim Nolanの要請によりCdTeに移り、後にFirst SolarになるSolar Cells Inc.を設立しました。 McMasterは、高速、高スループット処理のためにCdTeを擁護しました。 SCIはCSS法の適用からシフトし、次いで蒸気輸送に移行した。 1999年2月、McMasterはTrue North Partnersに会社を売却しました。
初期のソーラー・ソーラーでは挫折し、初期のモジュール効率は約7％でした。 商用製品は2002年に発売されました。2005年に生産量は25メガワットに達しました。同社はペリズバーグ、オハイオ、ドイツで製造されています。 First Solarは、2013年に同社株式の1.8％を保有するGEの薄膜太陽電池パネル技術を取得しました。 現在、ファースト・ソーラーは3ギガワット以上を生産しており、2016年に平均モジュール効率は16.4％です。
技術
セル効率
First Solarは2014年8月に21.1％の変換効率を持つデバイスを発表しました。 2016年2月、ファーストソーラーは、CdTeセルの変換効率が22.1％に達したと発表しました。 2014年には、ファーストソーラーの記録モジュール効率も16.1％から17.0％に上昇しました。 現時点では、同社はCdTe PVの平均生産ラインモジュール効率を2017年までに17％に予測しましたが、2016年までにモジュール効率は〜19.5％に近づくと予測していました。
CdTeはシングルジャンクションデバイスに最適なバンドギャップを有するため、実際のCdTeセルでは20％に近い効率（既にCIS合金に示されているような）が実現可能である。
プロセスの最適化[編集]
プロセス最適化によりスループットが向上し、コストが削減されました （材料費、電気費、処理時間を節約するために）薄層化、材料費と洗浄費を節約するための材料利用率の向上など、より広範な基板が改善されました。 2014 CdTeモジュールのコストは、1平方メートルあたり約72ドルで、モジュールあたり約90ドルでした。
周囲温度[編集]
モジュールの効率は、25℃の標準試験温度で実験室で測定されますが、現場モジュールではしばしばより高い温度にさらされます。 CdTeの比較的低い温度係数は、高温での性能を保護します。 CdTe PVモジュールは結晶シリコンモジュールの半減を経験し、年間エネルギー生産量を5〜9％増加させます。
ソーラートラッキング[編集]
現在までのほとんどすべての薄膜太陽電池モジュールシステムは、モジュールの出力がトラッカーの資本と運用コストを相殺するには低すぎるため、ソーラートラッキングではありませんでした。 しかし、比較的安価な単軸追跡システムは、設置されたワット当たり25％の出力を加えることができます。 さらに、トラッカのエネルギー利得に応じて、システムコストと環境への影響を低減することによって、PVシステムの全体的なエコ効率を高めることができます。 これは気候に依存している。 また、トラッキングを行うと、正午頃により滑らかな出力台地が得られ、午後のピークがよく一致します。
材料
カドミウム[編集]
有害重金属である有害重金属であるカドミウム（Cd）は、亜鉛精錬時の硫化鉱石の鉱山、製錬、精錬の廃棄物であり、その生産はPV市場の需要に依存しない。 CdTe PVモジュールは、将来の使用のために保管されるか、または有害廃棄物として埋め立て処分されるカドミウムに対して有益かつ安全な使用を提供する。 鉱物副生成物は、安定したCdTe化合物に変換され、CdTe PV太陽電池モジュールの内部に長年にわたって安全に封入されます。 CdTe PVセクターの大きな成長は、石炭と石油の発電を置き換えることにより、世界のカドミウム排出量を削減する可能性を秘めています。
テルル[編集]
テルル（Te）の生産および埋蔵量の見積りは不確実性に左右され、かなり変動します。 テルルは、主に鋼材の加工添加剤として使用される、まれで軽度の有害なメタロイドです。 Teは、銅の精製の副産物としてほぼ独占的に得られ、鉛および金の生産量がより少ない。 年間約800トンと推定されるわずかな量だけが入手可能である。 USGSによると、2007年の世界生産は135トンでした。 1ギガワット（GW）のCdTe PVモジュールは、約93メートルトン（現在の効率と厚さで）を必要とします。 材料効率の向上とPVリサイクルの増加により、CdTe PV産業は、2038年までにリサイクルされた寿命末期モジュールからテルルに完全に頼る可能性を秘めています。新竹、中国、メキシコ、スウェーデンである。 1984年に天体物理学者は、テルルが原子番号40以上の宇宙で最も豊富な元素であると特定しました。特定の海底尾根はテルルが豊富です。
塩化カドミウム/塩化マグネシウム[編集]
CdTeセルの製造には、塩化カドミウム（CdCl
2）細胞の全体効率を高める。 塩化カドミウムは毒性があり、比較的高価であり、水に非常に溶けやすく、製造中に潜在的な環境上の脅威となる。 2014年の研究では、豊富で無害な塩化マグネシウム（MgCl
2）だけでなく、塩化カドミウムを実行します。 この研究は、より安価で安全なCdTe細胞をもたらす可能性がある。
安全性[編集]
それだけでは、カドミウムとテルルは有毒で発癌性ですが、CdTeは非常に安定した結晶格子を形成し、カドミウムよりも数桁少ない毒性があります。 それらの間に挟まれたCdTe材料を取り囲んでいるガラス板は（全ての商業的モジュールのように）火災の際にシールし、カドミウムの放出を許容しない。 カドミウムに関連する他のすべての用途や暴露は、有害ガス、鉛はんだ、溶剤などの広範なPVバリューチェーン内の他の材料からの暴露との種類や大きさは軽微で類似しています（大部分はCdTe製造には使用されません） 。
リサイクル[編集]
太陽電池の指数関数的な成長により、世界中に設置されたPVシステムの数が大幅に増加しました。 ファーストソーラーは、2005年にPV業界で初めてのグローバルかつ包括的なリサイクルプログラムを確立しました。リサイクル施設はファーストソーラーの各製造工場で稼動し、新しいモジュールで再利用するために95％の半導体材料を回収し、新しいガラス製品。 シュツットガルト大学のCdTeモジュールリサイクルのライフサイクルアセスメントでは、寿命末期の一次エネルギー需要は81MJ / m2から-12MJ / m2に減少し、約93MJ / m2の削減を示した温暖化係数は6kgCO2 / m2から-2.5CO2 / m2に減少し、約-8.5CO2 / m2の減少となる。 これらの削減は、CdTe太陽電池モジュールの全体的な環境プロファイルにおける非常に有益な変化を示す。 LCAはまた、考慮された環境影響カテゴリーの主要な貢献者が、CdTeモジュールの処理内に必要な化学物質およびエネルギーに起因することを示した。
粒界[編集]
粒界は、結晶質材料の2つの粒子間の界面であり、2つの粒子が会合するときに生じる。 それらは結晶欠陥の一種です。 単結晶GaAsと理論上の限界の両方に比べて、CdTeに見られる開回路電圧ギャップは、何らかの形で材料内の粒界に起因すると考えられることが多い。 しかしながら、GBは性能に有害ではないが、実際にはキャリア収集の強化の源として有益であることを示唆した多くの研究がなされている。 したがって、CdTeベースの太陽電池の性能の限界における粒界の正確な役割は依然として不明であり、この問題に取り組むための研究が進行中である。
市場の存続可能性
カドミウムテルライドPVの成功は、モジュール面積の低いコストで十分な効率を組み合わせることによって可能になったCdTe技術で実現可能な低コストによるものです。 CdTe PVモジュールの直接製造コストは2013年に1ワットあたり0.57ドルに達し、1ワットあたりの設備投資額は1ワットあたり0.9ドル（土地および建物を含む）に近い。
注目すべきシステム[編集]
ユーティリティー規模のCdTe PVソリューションは、照射レベル、金利、開発コストなどの要因によって、ピークを迎える化石燃料発生源と競合することができると主張されています。First First Solar CdTe太陽光発電システムの最新のインストールは、太陽エネルギーの形態：
ファーストソーラーのアリゾナ州にある290メガワット（MW）のアグアカリエンテプロジェクトは、これまでに建設された最大の太陽光発電所の1つです。 Agua Calienteは、First Solarのプラント制御、予測、およびエネルギーのスケジューリング機能を備え、グリッドの信頼性と安定性に貢献します。
カリフォルニア州の550MWトパーズソーラーファームは、2014年11月に建設を完了し、当時世界最大のソーラーファームでした。
モハメド・ビン・ラシッド・アル・マクトゥーム・ソーラーパークの最初の部分であり、2013年の完成時には、地域最大のPV発電所でした。ドバイの最初のソーラーの13MWプロジェクトは、ドバイの電気・水道局が運営しています。
ドイツWaldpolenz Solar ParkにJuwiグループが設置した40MWシステムは、発表時点で世界最大、最低コストのPV太陽光発電システムでした。 価格は1億3000万ユーロでした。
ドイツのブランデンブルク州TemplinにあるBelectric社によって設置された128MWpのシステムは、現在のヨーロッパ最大規模の薄膜太陽光発電施設です（2015年1月現在）。
カリフォルニア州の21MWブライス太陽光発電所については、電力購入契約により発電電力の価格がkWh当たり0.12ドル（すべてのインセンティブの適用後）に固定された。 カリフォルニア州で「市場参照価格」として定義されています。これは、PUCが昼間のピーキング電源（例えば、天然ガス）に対して支払う価格を設定します。 PVシステムは断続的であり、天然ガスと同様にディスパッチ可能ではないが、天然ガスジェネレータは、PVにはない燃料価格リスクが存在する。
南カリフォルニアエジソンとの2メガワットの屋上設置契約。 SCEプログラムは、インセンティブの後、合計875M（平均3.5ドル/ワット）のコストで250MWを搭載するように設計されています。