CdTe (Cadmium Telluride) 광전지는 햇빛을 흡수하여 전기로 변환하도록 설계된 얇은 반도체 층인 카드뮴 텔루 라이드 (cadmium telluride)의 사용을 기반으로하는 광전지 (PV) 기술을 설명합니다. 카드뮴 텔루 라이드 PV는 멀티 킬로와트 시스템에서 결정 실리콘으로 만들어진 기존의 태양 전지보다 비용이 저렴한 유일한 박막 기술입니다.

CdTe PV는 수명주기를 기준으로 모든 태양 에너지 기술 중에서 탄소 발자국이 가장 적고 물 사용량이 가장 적으며 에너지 회수 기간이 가장 짧습니다. CdTe의 에너지 회수 시간이 1 년 미만이면 단기간의 에너지 적자가없는 탄소 배출량을 줄일 수 있습니다.

카드뮴의 독성은 아직까지 불확실성이 있으며 여론이이 기술에 대해 회의적이지만 CdTe 모듈의 수명이 다해 감에 따라 완화 된 환경 문제입니다. 희귀 물질의 사용은 중기 적 미래에 CdTe 기술의 산업 확장성에 대한 제한 요소가 될 수도 있습니다. 텔루 라이드가 음이온 형태 인 텔루르가 풍부하기 때문에 지구의 지각에서 백금과 비슷한 수준이며 모듈의 비용에 크게 기여합니다.

CdTe 태양 전지는 Topaz Solar Farm과 같은 세계 최대의 태양 광 발전소에서 사용되고 있습니다. 전세계 태양 광 생산량의 5.1 %를 차지하는 CdTe 기술은 2013 년에 박막 시장의 절반 이상을 차지했습니다. CdTe 박막 기술의 탁월한 제조업체는 애리조나 주 템피에 위치한 First Solar 회사입니다.

배경
지배적 인 PV 기술은 항상 결정 실리콘 웨이퍼를 기반으로했습니다. 박막 및 집광 장치는 초기 비용 절감 노력이었습니다. 박막은 태양 빛을 흡수하고 변환하기 위해 더 얇은 반도체 층을 사용하는 것을 기본으로합니다. 컨센트 레이터는 렌즈 또는 거울을 사용하여 각 패널에 더 많은 햇빛을 넣어 패널 수를 줄입니다.

광범위하게 개발 된 첫 번째 박막 기술은 비정질 실리콘이었다. 그러나,이 기술은 효율이 낮고 증착 속도가 느려서 (높은 자본 비용으로 이어진다) 어려움을 겪고있다. 그 대신 PV 시장은 2007 년 약 4 기가 와트에 달했으며 결정질 실리콘은 매출의 90 %를 차지했다. 같은 소식통은 2007 년에 약 3 기가 와트가 설치되었다고 추정했다.

이 기간 동안 카드뮴 텔루 라이드 및 구리 인듐 디스 셀레 나이드 또는 CIS- 합금은 개발 중에 있었다. 후자는 실험실에서 20 %에 이르는 매우 높은 소규모 셀 효율성으로 인해 1-30 메가 와트의 양으로 생산되기 시작합니다. CdTe 전지 효율은 2016 년까지 22.1 %의 기록으로 실험실에서 20 %에 접근하고 있습니다.

역사 [편집]
CdTe의 연구는 1950 년대로 거슬러 올라간다. 왜냐하면 밴드 갭 (~ 1.5eV)은 전기 변환 측면에서 태양 스펙트럼의 광자 분포에 거의 완벽하게 매칭되기 때문이다. p 형 CdTe가 n 형 카드뮴 황화물 (CdS)과 조화 된 단순한 헤테로 접합 디자인이 발전했습니다. 상단 및 하단 접촉을 추가하여 셀을 완성했습니다. CdS / CdTe 전지 효율의 초기 리더는 1960 년대 GE 였고, Kodak, Monosolar, Matsushita 및 AMETEK였습니다.

1981 년까지 Kodak은 근접 승화 (CSS)를 사용하여 처음 10 %의 세포와 첫 번째 다중 셀 장치 (12 셀, 8 % 효율, 30cm2)를 만들었습니다. 모노 솔라 (Monosolar)와 AMETEK는 일렉트로 포지션 (electroposition)을 사용했다. Matsushita는 스크린 인쇄로 시작했지만 1990 년대에는 CSS로 전환되었습니다. 1980 년대 초에 Kodak, Matsushita, Monosolar 및 AMETEK에서 약 10 %의 태양 광 대 전기 효율의 전지가 생산되었습니다.

중요한 단계는 모듈이라는 더 큰 영역의 제품을 만들기 위해 크기가 확대되었을 때 발생했습니다. 이 제품들은 작은 셀보다 더 높은 전류가 필요했으며 투명 전도성 산화물 (TCO)이라고 불리는 추가적인 층이 금속 띠 대신에 셀 상단을 가로 지르는 전류의 이동을 촉진 할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 TCO 중 하나 인 TCO는 다른 용도 (열 반사 창)에서 사용할 수있었습니다. PV에 대해 더 전도성을 갖게되면, 산화 주석이 CdTe PV 모듈에서 표준이되었습니다.

CdTe 셀은 TCO / CdS / CdTe 스택에 버퍼 레이어를 추가하여 1992 년에 15 % 이상을 달성 한 다음 CdS를 얇게하여 더 많은 빛을 허용했습니다. 추 (Chu)는 저항성 산화 주석을 버퍼층으로 사용하고 그 다음 CdS를 수 마이크로 미터에서 두께가 마이크로 미터 반으로 얇게 만들었다. 두꺼운 CdS는 이전 장치에서 사용 되었 듯이 약 5 mA / cm2의 광 또는 CdTe 장치에서 사용할 수있는 약 20 %의 광을 차단합니다. 추가 레이어는 장치의 다른 속성을 손상시키지 않았습니다.

1990 년대 초반에 다른 플레이어들은 혼란스러운 결과를 경험했습니다. Golden Photon은 스프레이 증착 기술을 사용하여 7.7 %의 NREL에서 측정 한 최고의 CdTe 모듈에 대한 기록을 짧은 기간 동안 보관했습니다. 마쓰시타 (Matsushita)는 CSS를 사용하여 모듈 효율성을 11 % 향상시킨 다음 기술을 떨어 뜨렸다 고 주장했습니다. 비슷한 효율과 운명이 결국 BP Solar에서 발생했습니다. BP는 전착 (monosolar의 취득자 인 SOHIO를 구입했을 때 경선으로 Monosolar로부터 상속)을 사용했습니다. BP Solar는 2002 년 11 월에 CdTe를 떨어 뜨 렸습니다. Antec은 약 7 %의 효율적인 모듈을 만들 수 있었지만, 2002 년에 짧고 급격한 시장 침체기에 상업적으로 생산을 시작할 때 파산했습니다. 그러나 2014 년 현재 Antec은 CdTe PV 모듈을 만들었습니다.

CdTe 창업 기업인 콜로라도 주 Arvada (GE의 First Solar 인수), Arendi (이탈리아)의 PrimeStar Solar는 이전에 Q-Cells가 소유 한 Calyxo를 포함합니다. Antec을 포함하여 총 생산량은 연간 70 메가 와트 미만입니다. Materials Testing and Research의 연방 연방 연구소 인 엠파 (Empa)는 유연한 기판 위에 CdTe 태양 전지를 개발하고 유연한 플라스틱 호일 및 유리 기판에 대해 각각 13.5 % 및 15.6 %의 셀 효율성을 입증했다.

SCI와 First Solar [편집]
주요 상업적 성공은 Solar Cells Incorporated (SCI)가했습니다. 창업자 인 해롤드 맥 마스터 (Harold McMaster)는 대규모로 만들어진 저가의 박막을 구상했습니다. 비정질 실리콘을 시도한 후에 그는 짐 놀란 (Jim Nolan)의 촉구하에 CdTe로 옮겨졌고 나중에 솔라 셀 (First Cell) 사를 설립했다. McMaster는 고속, 높은 처리량 처리를 위해 CdTe를 옹호했습니다. SCI는 CSS 방법의 적용에서 벗어나 증기 수송으로 바뀌었다. 1999 년 2 월, McMaster는이 회사를 First Solar라는 이름의 True North Partners에 매각했습니다.

초창기 First Solar는 좌절을 겪었으며 초기 모듈 효율은 약 7 %였습니다. 상용 제품은 2002 년에 출시되었습니다. 2005 년 생산량은 25 메가 와트에 달했습니다.이 회사는 페리 스 버그, 오하이오 및 독일에서 제조되었습니다. First Solar는 2013 년 GE의 1.8 % 지분을 얻기 위해 GE의 박막 태양 전지 패널 기술을 인수했습니다. 현재 First Solar는 2016 년 평균 모듈 효율이 16.4 % 인 3 기가 와트를 생산합니다.

과학 기술

셀 효율성
First Solar는 2014 년 8 월 21.1 %의 변환 효율을 갖춘 장치를 발표했습니다. First Solar는 2016 년 2 월에 CdTe 전지에서 22.1 %의 변환 효율을 달성했다고 발표했습니다. 2014 년에 First Solar는 기록 모듈 효율성을 16.1 %에서 17.0 %로 끌어 올렸습니다. 현재이 회사는 CdTe PV의 평균 생산 라인 모듈 효율을 2017 년까지 17 %로 예측했으나 2016 년까지는 19.5 %에 가까운 모듈 효율을 예측했습니다.

CdTe는 단일 접합 소자에 최적의 밴드 갭을 가지고 있기 때문에 실제 CdTe 셀에서는 20 %에 가까운 효율 (이미 CIS 합금에서 보여준 것과 같은)이 달성 될 수있다.

프로세스 최적화 [편집]
프로세스 최적화는 처리량을 개선하고 비용을 절감합니다. 개선 사항에는 소재 비용, 전기 및 처리 시간을 줄이기 위해 얇은 레이어, 재료 및 클리닝 비용을 절감하기 위해 재료 사용률을 높이기 위해 서브 라인별로 자본 비용을 줄이고 설치 비용을 줄이기 때문에 광범위한 기판이 포함되었습니다. 2014 CdTe 모듈 비용은 1 평방 미터당 약 72 달러였으며 모듈 당 약 90 달러였습니다.

주변 온도 [편집]
모듈 효율은 25 ° C의 표준 테스트 온도에서 실험실에서 측정되지만 필드 모듈은 종종 훨씬 높은 온도에 노출됩니다. CdTe의 상대적으로 낮은 온도 계수는 고온에서의 성능을 보호합니다. CdTe PV 모듈은 결정질 실리콘 모듈의 절반의 감소를 경험하여 연간 에너지 생산량이 5-9 % 증가합니다.

태양 광 추적 [편집]
모듈 출력이 너무 낮아 트래커 자본 및 운영 비용을 상쇄 할 수 없기 때문에 현재까지 거의 모든 박막 태양 광 모듈 시스템이 비 태양 광 추적이었습니다. 그러나 상대적으로 저렴한 단일 축 추적 시스템은 설치된 와트 당 25 % 출력을 추가 할 수 있습니다. 또한 Tracker Energy Gain에 따라 시스템 비용과 환경 영향을 줄임으로써 PV 시스템의 전반적인 환경 효율을 향상시킬 수 있습니다. 이것은 기후에 의존적이다. 또한 추적은 정오 경에 더 평탄한 출력 고원을 제공하여 오후 피크가 더 일치합니다.

기재
카드뮴 [편집]
유해 물질로 간주되는 독성 중금속 인 카드뮴 (Cd)은 아연 정제 과정에서 아연의 황 광을 채광, 제련 및 정제하는 폐기물 부산물이므로 PV 시장 수요에 의존하지 않습니다. CdTe PV 모듈은 향후 사용을 위해 저장되거나 매립 식 쓰레기로 폐기 될 수있는 카드뮴을 유용하고 안전하게 사용합니다. 광산 부산물은 안정한 CdTe 화합물로 전환 될 수 있으며 수년간 CdTe 태양 광 모듈 내부에 안전하게 캡슐화됩니다. CdTe PV 부문의 큰 성장은 석탄과 석유 발전을 대체함으로써 전지구 적으로 발생하는 카드뮴 배출량을 줄일 수있는 잠재력을 가지고있다.

텔루르 [편집]
텔 루륨 (Te) 생산 및 매장량 추정치는 불확실성에 따라 상당히 다를 수 있습니다. 텔루르는 희귀하고 약간 독성이있는 반 금속 입자이며 주로 강재의 가공 첨가제로 사용됩니다. Te는 납과 금 생산량이 적은 구리 제련의 부산물로 거의 독점적으로 얻어진다. 1 년에 약 800 톤으로 추정되는 적은 양만 사용 가능합니다. USGS에 따르면 2007 년 세계 생산량은 135 톤이었습니다. 1 기가 와트 (GW)의 CdTe PV 모듈은 약 93 메트릭 톤 (현재 효율 및 두께)을 필요로합니다. CdTe PV 산업은 물질 효율을 높이고 PV 재활용을 늘림으로써 2038 년까지 수명이 다한 재활용 모듈에서 텔 루륨에 전적으로 의존 할 수있는 잠재력을 지니고 있습니다. 지난 10 년 동안 새로운 공급이 이루어졌습니다. 신주, 중국, 멕시코, 스웨덴. 1984 년에 천체 물리학 자들은 텔루르를 원자 번호가 40 이상인 우주에서 가장 풍부한 원소로 확인했습니다. 특정 해저 융기에는 텔루르가 풍부합니다.

카드뮴 염화물 / 염화 마그네슘 [편집]
CdTe 셀의 제조에는 카드뮴 클로라이드 (CdCl
2) 세포의 전반적인 효율을 증가시킵니다. 염화 카드뮴은 유독하고 비교적 고가이며 물에 잘 녹기 때문에 제조 과정에서 환경 적 위협이 될 수 있습니다. 2014 년 연구에서 풍부하고 무해한 염화 마그네슘 (MgCl
2)뿐만 아니라 카드뮴 염화물을 수행합니다. 이 연구는 저렴하고 안전한 CdTe 세포로 이어질 수 있습니다.

안전 [편집]
그 자체로 카드뮴과 텔 루륨은 독성과 발암 성이지만 CdTe는 매우 안정한 결정 격자를 형성하며 카드뮴보다 몇 배나 독성이 덜하다. CdTe 물질을 사이에 끼운 유리판은 (모든 상용 모듈에서와 같이) 화재시 밀봉을하고 카드뮴 방출을 허용하지 않습니다. 카드뮴과 관련된 다른 모든 용도 및 노출은 독성 가스, 납 솔더 또는 솔벤트 (대부분 CdTe 제조에 사용되지 않음)와 같이 광 범위 한 PV 가치 사슬의 다른 재료의 노출과는 종류 및 규모가 비슷하지 않으며 사소하고 유사합니다. .

재활용 [편집]
태양 광 발전의 기하 급수적 인 증가로 인해 전세계에 설치된 태양 광 발전 시스템의 수가 크게 증가했습니다. First Solar는 2005 년에 PV 산업에서 최초의 글로벌 및 포괄적 인 재활용 프로그램을 수립했습니다. 자사의 재활용 시설은 First Solar의 제조 공장에서 각각 작동하고 새로운 모듈에서 재사용하고 재사용을 위해 유리의 90 %까지 반도체 재료의 95 %까지 회수합니다 새로운 유리 제품. 슈투트가르트 대학의 CdTe 모듈 재활용에 대한 수명주기 평가에서 수명 종료 시점의 1 차 에너지 수요는 81 MJ / m2에서 -12 MJ / m2로 감소했으며 약 93 MJ / m2의 감소를 보였으며 의 지구 온난화 잠재력을 6 kg CO2-㎡ / ㎡에서 -2.5 CO2- ㎡ / ㎡로 줄이면 약 -8.5 CO2-㎡ / ㎡의 감소를 보였다. 이러한 감소는 CdTe 태양 광 모듈의 전반적인 환경 프로파일에서 매우 유익한 변화를 보여줍니다. 또한 LCA는 고려 된 환경 영향 카테고리의 주요 원인이 CdTe 모듈 처리 과정에서 필요한 화학 물질 및 에너지로 인한 것임을 보여주었습니다.

곡물 경계 [편집]
결정립 경계는 결정질 물질의 두 결정립 사이의 경계면이며 두 개의 결정립이 만나면 발생합니다. 그들은 결정질 결함의 한 유형입니다. 단결정 GaAs와 이론적 한계에 비해 CdTe에서 볼 수있는 개방 회로 전압 갭이 어떤 식 으로든 물질 내의 결정립계에 기인 한 것으로 여겨진다. 그러나 GBs가 성능에 해가되지는 않지만 실제로 향상된 캐리어 수집의 원천으로 유용 할뿐만 아니라 제안 된 많은 연구가있었습니다. 따라서 CdTe 기반 태양 전지의 성능 한계에 따른 결정립계의 정확한 역할은 여전히 ​​명확하지 않으며이 문제를 해결하기위한 연구가 진행 중이다.

시장 생존 능력
카드뮴 텔루 라이드 PV의 성공은 적절한 효율과 낮은 모듈 면적 비용을 결합함으로써 가능해진 CdTe 기술로 얻을 수있는 저렴한 비용 때문이었습니다. CdTe PV 모듈의 직접 제조 비용은 2013 년에 와트 당 $ 0.57에 도달했으며, 새로운 와트 당 자본 비용은 와트 당 0.9 달러에 육박합니다 (토지 및 건물 포함).

주목할만한 시스템 [편집]
유틸리티 규모의 CdTe PV 솔루션은 조사 수준, 금리 및 개발 비용과 같은 기타 요인에 따라 첨단 화석 연료 생성원과 경쟁 할 수 있다고 주장되었습니다. 대규모 First Solar CdTe PV 시스템의 최근 설치는 다른 태양 에너지의 형태 :

애리조나에있는 First Solar의 290 메가 와트 (MW) 아구아 칼라 엔테 (Agua Caliente) 프로젝트는 지금까지 건설 된 태양 광 발전소 중 최대 규모입니다. Agua Caliente는 계통의 신뢰성과 안정성에 기여하는 First Solar의 플랜트 제어, 예측 및 에너지 스케줄링 기능을 갖추고 있습니다.

캘리포니아의 550MW 토파즈 솔라 팜 (Topaz Solar Farm)은 2014 년 11 월에 공사를 마쳤으며 당시 세계 최대 규모의 태양 광 발전소였습니다.
Dubai Electricity and Water Authority가 운영하는 First Solar의 13MW 프로젝트는 Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park의 첫 번째 부분으로, 2013 년 완공 당시 지역 최대 규모의 PV 발전소였습니다.
독일 Waldpolenz Solar Park에있는 Juwi 그룹이 발표 한 40MW 시스템은 세계에서 가장 크고 가장 낮은 비용으로 계획된 PV 시스템이었다. 가격은 1 억 3 천만 유로였다.

독일 Brandenburg의 Templin에있는 Belectric에 의해 설치된 128MWp 시스템은 현재 유럽에서 가장 큰 박막 PV 설치입니다 (2015 년 1 월 현재).

캘리포니아의 21MW Blythe 태양 광 발전소의 경우 전력 구매 협정에 따라 생성 된 전력의 가격이 kWh 당 0.12 달러로 고정되었습니다 (모든 인센티브 적용 후). 캘리포니아에서 “시장 참조 가격”으로 정의 된이 값은 PUC가 모든 주간 피킹 전원 (예 : 천연 가스)에 대해 지불 할 가격을 설정합니다. PV 시스템은 간헐적이며 천연 가스와 마찬가지로 파견 할 수 없지만 천연 가스 발전기는 PV에없는 연료 가격 위험이 있습니다.
Southern California Edison과 2 메가 와트의 옥상 설치 계약. SCE 프로그램은 인센티브 후에 총 875M (평균 $ 3.5 / 와트)의 비용으로 250MW를 설치하도록 설계되었습니다.