Fotovoltaica de telureto de cádmio

A energia fotovoltaica de telureto de cádmio (CdTe) descreve uma tecnologia fotovoltaica (PV) que é baseada no uso de telureto de cádmio, uma fina camada semicondutora projetada para absorver e converter luz solar em eletricidade. O telureto de cádmio PV é a única tecnologia de filme fino com custos mais baixos do que as células solares convencionais feitas de silício cristalino em sistemas de vários kilowatts.

Em uma base de ciclo de vida, o CdTe PV tem a menor pegada de carbono, menor uso de água e menor tempo de retorno de energia de todas as tecnologias solares. O tempo de recuperação de energia do CdTe de menos de um ano permite reduções de carbono mais rápidas sem déficits de energia de curto prazo.

A toxicidade do cádmio é uma preocupação ambiental mitigada pela reciclagem de módulos de CdTe no final do seu tempo de vida, embora ainda haja incertezas e a opinião pública esteja céptico em relação a esta tecnologia. O uso de materiais raros também pode se tornar um fator limitante para a escalabilidade industrial da tecnologia de CdTe no futuro de médio prazo. A abundância de telúrio – da qual o telureto é a forma aniônica – é comparável à platina da crosta terrestre e contribui significativamente para o custo do módulo.

A energia fotovoltaica do CdTe é utilizada em algumas das maiores centrais fotovoltaicas do mundo, como a Topaz Solar Farm. Com uma participação de 5,1% da produção mundial de PV, a tecnologia CdTe representou mais da metade do mercado de filmes finos em 2013. Um proeminente fabricante de tecnologia de filme fino CdTe é a empresa First Solar, com sede em Tempe, Arizona.

fundo
A tecnologia PV dominante sempre foi baseada em wafers de silício cristalino. Filmes finos e concentradores foram as primeiras tentativas de reduzir os custos. Filmes finos são baseados no uso de camadas semicondutoras mais finas para absorver e converter a luz do sol. Os concentradores reduzem o número de painéis usando lentes ou espelhos para colocar mais luz solar em cada painel.

A primeira tecnologia de filme fino a ser extensivamente desenvolvida foi o silício amorfo. No entanto, esta tecnologia sofre de baixas eficiências e baixas taxas de deposição (levando a altos custos de capital). Em vez disso, o mercado fotovoltaico atingiu cerca de 4 gigawatts em 2007, com o silício cristalino representando quase 90% das vendas. A mesma fonte estimou que cerca de 3 gigawatts foram instalados em 2007.

Durante este período, o telureto de cádmio e o disseleneto de cobre e índio ou as ligas CIS permaneceram em desenvolvimento. Este último está começando a ser produzido em volumes de 1 a 30 megawatts por ano, devido à alta eficiência de células pequenas, que se aproxima de 20% no laboratório. A eficiência das células de CdTe está se aproximando de 20% no laboratório, com um recorde de 22,1% a partir de 2016.

História [editar]
A pesquisa no CdTe remonta à década de 1950, porque o seu gap (~ 1,5 eV) é quase uma combinação perfeita para a distribuição de fótons no espectro solar em termos de conversão em eletricidade. Um projeto simples de heterojunção evoluiu no qual o CdTe do tipo p foi combinado com o sulfeto de cádmio do tipo n (CdS). A célula foi concluída adicionando os contatos superior e inferior. Os primeiros líderes em eficiência de células CdS / CdTe foram a GE na década de 1960, e depois a Kodak, Monosolar, Matsushita e AMETEK.

Em 1981, a Kodak usou sublimação espaçada (CSS) e fez as primeiras 10% de células necessárias para clarificação e os primeiros dispositivos multicelulares (12 células, 8% de eficiência, 30 cm2). Monosolar e AMETEK usaram a eletrodeposição, um método antigo popular. A Matsushita começou com a serigrafia, mas mudou nos anos 90 para o CSS. Células com cerca de 10% de eficiência de luz solar em eletricidade foram produzidas no início dos anos 80 na Kodak, Matsushita, Monosolar e AMETEK.

Um importante passo em frente ocorreu quando as células foram ampliadas em tamanho para criar produtos de área maior chamados módulos. Esses produtos exigiam correntes mais altas do que as células pequenas e descobriu-se que uma camada adicional, chamada óxido condutor transparente (TCO), poderia facilitar o movimento da corrente no topo da célula (em vez de uma grade metálica). Um desses TCO, óxido de estanho, estava disponível para outros usos (janelas reflexivas termicamente). Tornou-se mais condutor para o PV, o óxido de estanho tornou-se e continua a ser a norma nos módulos fotovoltaicos de CdTe.

Células de CdTe atingiram acima de 15% [necessidade de clarificação] em 1992, adicionando uma camada intermediária à pilha TCO / CdS / CdTe e, em seguida, diminuindo o CdS para admitir mais luz. Chu usava óxido de estanho resistivo como camada de amortecimento e, em seguida, diluía o CdS de vários micrômetros para menos de meio micrometro de espessura. O CdS espesso, como foi usado em dispositivos anteriores, bloqueou cerca de 5 mA / cm2 de luz, ou cerca de 20% da luz utilizável por um dispositivo de CdTe. A camada adicional não comprometeu as outras propriedades do dispositivo.

No início dos anos 90, outros jogadores experimentaram resultados mistos. O Golden Photon realizou o recorde por um curto período para o melhor módulo de CdTe medido em NREL a 7,7% usando uma técnica de deposição por pulverização. A Matsushita reivindicou uma eficiência do módulo de 11% [esclarecimento necessário] usando CSS e, em seguida, descartou a tecnologia. Uma eficiência semelhante e destino eventualmente ocorreram na BP Solar. BP usava eletrodeposição (herdada da Monosolar por uma rota indireta quando comprou a SOHIO, adquirente da Monosolar). A BP Solar deixou cair o CdTe em novembro de 2002. A Antec conseguiu fabricar módulos com eficiência de 7%, mas faliu quando começou a produzir comercialmente durante uma desaceleração abrupta e acentuada do mercado em 2002. No entanto, a partir de 2014 a Antec ainda fabricava módulos fotovoltaicos CdTe.

As start-ups de CdTe incluem a Calyxo (anteriormente de propriedade da Q-Cells), a PrimeStar Solar, em Arvada, Colorado (adquirida pela First Solar da GE), Arendi (Itália). Incluindo a Antec, sua produção total representa menos de 70 megawatts por ano. A Empa, Laboratórios Federais Suíços para Ensaios e Pesquisa de Materiais, concentra-se no desenvolvimento de células solares de CdTe em substratos flexíveis e demonstrou eficiências celulares de 13,5% e 15,6% para substratos flexíveis de folha de plástico e vidro, respectivamente.

SCI e First Solar [editar]
O maior sucesso comercial foi da Solar Cells Incorporated (SCI). Seu fundador, Harold McMaster, previu filmes finos de baixo custo feitos em larga escala. Depois de experimentar o silício amorfo, ele mudou para o CdTe, a pedido de Jim Nolan, e fundou a Solar Cells Inc., que mais tarde se tornou a First Solar. A McMaster defendeu o CdTe por seu processamento de alto rendimento e alta taxa de transferência. SCI mudou de uma adaptação do método CSS, em seguida, mudou para o transporte de vapor. Em fevereiro de 1999, a McMaster vendeu a empresa para a True North Partners, que a nomeou First Solar.

Em seus primeiros anos, a First Solar sofreu reveses e as eficiências iniciais dos módulos foram modestas, cerca de 7%. Produto comercial tornou-se disponível em 2002. A produção atingiu 25 megawatts em 2005. A empresa fabricada em Perrysburg, Ohio e Alemanha. Em 2013, a First Solar adquiriu a tecnologia de painéis solares de película fina da GE em troca de uma participação de 1,8% na empresa. Hoje, a First Solar fabrica mais de 3 gigawatts com uma eficiência média de 16,4% em 2016.

Tecnologia

Eficiência celular
Em agosto de 2014, a First Solar anunciou um dispositivo com 21,1% de eficiência de conversão. Em fevereiro de 2016, a First Solar anunciou que atingiu uma eficiência de conversão recorde de 22,1% em suas células de CdTe. Em 2014, a eficiência do módulo de registro também foi aumentada pela First Solar de 16,1% para 17,0%. Neste momento, a empresa projetou a eficiência média do módulo de linha de produção para o seu CdTe PV em 17% até 2017, mas até 2016, eles previram uma eficiência de módulo próxima de ~ 19,5%.

Uma vez que o CdTe tem o intervalo de bandas ideal para dispositivos de junção única, eficiências próximas a 20% (como já mostrado nas ligas CIS) podem ser alcançadas em células de CdTe práticas.

Otimização de processos [edit]
A otimização do processo melhorou o rendimento e reduziu os custos. As melhorias incluíram substratos mais amplos (já que os custos de capital aumentam sublinearmente e os custos de instalação podem ser reduzidos), camadas mais finas (para economizar material, eletricidade e tempo de processamento) e melhor aproveitamento do material (para economizar custos de material e limpeza). Os custos do módulo CdTe de 2014 foram de cerca de US $ 72 por 1 metro quadrado (11 pés quadrados), ou cerca de US $ 90 por módulo.

Temperatura ambiente [editar]
As eficiências dos módulos são medidas em laboratórios com temperaturas de teste padrão de 25 ° C, no entanto, no campo, os módulos são frequentemente expostos a temperaturas muito mais altas. O coeficiente de temperatura relativamente baixa do CdTe protege o desempenho em temperaturas mais altas. Os módulos fotovoltaicos do CdTe sofrem metade da redução dos módulos de silício cristalino, resultando em um aumento anual de 5 a 9% na produção de energia.

Rastreamento solar [editar]
Quase todos os sistemas de módulos fotovoltaicos de filme fino foram rastreados não solares, porque a saída do módulo era muito baixa para compensar os custos operacionais e de capital do rastreador. Mas os sistemas de rastreamento de eixo único relativamente baratos podem adicionar 25% de saída por watt instalado. Além disso, dependendo do Tracker Energy Gain, a eficiência ecológica geral do sistema fotovoltaico pode ser melhorada diminuindo os custos do sistema e os impactos ambientais. Isso é dependente do clima. O rastreamento também produz um platô de saída mais suave em torno do meio-dia, correspondendo melhor aos picos da tarde.

Materiais
Cádmio [editar]
O cádmio (Cd), um metal pesado tóxico considerado uma substância perigosa, é um subproduto da mineração, fundição e refinação de minérios sulfídricos de zinco durante o refino de zinco e, portanto, sua produção não depende da demanda do mercado fotovoltaico. Os módulos fotovoltaicos CdTe proporcionam uma utilização benéfica e segura para o cádmio, que de outro modo seria armazenado para uso futuro ou descartado em aterros como resíduo perigoso. Os subprodutos de mineração podem ser convertidos em um composto estável de CdTe e encapsulados com segurança dentro de módulos solares fotovoltaicos CdTe por anos. Um grande crescimento no setor fotovoltaico de CdTe tem o potencial de reduzir as emissões globais de cádmio, deslocando a produção de carvão e petróleo.

Telúrio [editar]
As estimativas de produção e reservas de telúrio (Te) estão sujeitas a incertezas e variam consideravelmente. O telúrio é um metalóide raro, levemente tóxico, usado principalmente como aditivo de usinagem para o aço. Te é quase exclusivamente obtido como um subproduto do refino de cobre, com menores quantidades de chumbo e produção de ouro. Apenas uma pequena quantidade, estimada em cerca de 800 toneladas métricas por ano, está disponível. Segundo a USGS, a produção global em 2007 foi de 135 toneladas. Um gigawatt (GW) de módulos fotovoltaicos de CdTe exigiria cerca de 93 toneladas métricas (com eficiências e espessuras atuais). Através da melhoria da eficiência do material e aumento da reciclagem PV, a indústria fotovoltaica CdTe tem o potencial de confiar totalmente no telúrio a partir de módulos reciclados em fim de vida até 2038. Na última década, novos suprimentos foram localizados, por exemplo, em Xinju, China, assim como no México e na Suécia. Em 1984, os astrofísicos identificaram o telúrio como o elemento mais abundante do universo, com um número atômico acima de 40. Alguns sulcos submarinos são ricos em telúrio.

Cloreto de cádmio / cloreto de magnésio [editar]
O fabrico de uma célula de CdTe inclui um revestimento fino com cloreto de cádmio (CdCl
2) para aumentar a eficiência global da célula. O cloreto de cádmio é tóxico, relativamente caro e altamente solúvel em água, representando uma ameaça ambiental potencial durante a fabricação. Em 2014, a pesquisa descobriu que o cloreto de magnésio abundante e inofensivo (MgCl
2) realiza, bem como cloreto de cádmio. Esta pesquisa pode levar a células de CdTe mais baratas e seguras.

Segurança [editar]
Por si só, o cádmio e o telúrio são tóxicos e cancerígenos, mas o CdTe forma uma rede cristalina que é altamente estável e é várias vezes menos tóxica do que o cádmio. As placas de vidro que circundam o material de CdTe imprensadas entre si (como em todos os módulos comerciais) vedam durante um incêndio e não permitem qualquer libertação de cádmio. Todos os outros usos e exposições relacionados ao cádmio são menores e similares em espécie e magnitude às exposições de outros materiais na cadeia de valor PV mais ampla, por exemplo, para gases tóxicos, solda de chumbo ou solventes (a maioria não é usada na fabricação de CdTe) .

Reciclagem [editar]
Devido ao crescimento exponencial da energia fotovoltaica, o número de sistemas fotovoltaicos instalados em todo o mundo aumentou significativamente. A First Solar estabeleceu o primeiro programa global e abrangente de reciclagem na indústria fotovoltaica em 2005. Suas instalações de reciclagem operam em cada uma das fábricas da First Solar e recuperam até 95% de material semicondutor para reutilização em novos módulos e 90% de vidro para reutilização em novos produtos de vidro. Uma avaliação do ciclo de vida da reciclagem de módulos de CdTe pela Universidade de Stuttgart mostrou uma redução na demanda de energia primária em fim-de-vida de 81 MJ / m2 para -12 MJ / m2, uma redução de cerca de 93 MJ / m2, e em termos do potencial de aquecimento global de 6 kg CO2-equiv./m2 para -2,5 CO2-equiv./m2, uma redução de cerca de -8,5 CO2-equiv./m2. Estas reduções mostram uma mudança altamente benéfica no perfil ambiental global do módulo fotovoltaico de CdTe. A ACV também mostrou que os principais contribuintes para as categorias de impacto ambiental são devidos a produtos químicos e energia necessários no processamento de módulos de CdTe.

Limites de grãos [editar]
O limite de grãos é a interface entre dois grãos de um material cristalino e ocorre quando dois grãos se encontram. Eles são um tipo de defeito cristalino. É frequentemente assumido que a lacuna de tensão de circuito aberto observada no CdTe, em comparação com GaAs de cristal único e o limite teórico, pode ser de alguma forma atribuível aos limites de grão dentro do material. Houve, no entanto, vários estudos que sugeriram não apenas que os GBs não são prejudiciais ao desempenho, mas podem, de fato, ser benéficos como fontes de coleta aprimorada de portadores. Assim, o papel exato dos limites do grão na limitação do desempenho das células solares baseadas no CdTe permanece incerto e a pesquisa está em andamento para abordar essa questão.

Viabilidade de mercado
O sucesso do telureto de cádmio PV deve-se ao baixo custo conseguido com a tecnologia CdTe, possibilitada pela combinação de eficiência adequada com custos de área de módulo mais baixos. O custo direto de fabricação para os módulos fotovoltaicos de CdTe alcançou US $ 0,57 por watt em 2013, e o custo de capital por novo watt de capacidade está próximo de US $ 0,9 por watt (incluindo terra e edifícios).

Sistemas notáveis ​​[edit]
As soluções fotovoltaicas de CdTe em escala de utilidade pública eram capazes de competir com fontes de geração de combustível fóssil de pico dependendo dos níveis de irradiância, taxas de juros e outros fatores, como custos de desenvolvimento. As instalações recentes de grandes sistemas fotovoltaicos de Solar CdTe foram consideradas competitivas. formas de energia solar:

O projeto Agua Caliente, da First Solar, de 290 megawatts (MW) no Arizona, é uma das maiores usinas fotovoltaicas já construídas. A Agua Caliente conta com os recursos de controle, previsão e programação de energia da First Solar, que contribuem para a confiabilidade e a estabilidade da rede.

A Fazenda Solar Topaz, de 550 MW, na Califórnia, terminou a construção em novembro de 2014 e era a maior fazenda solar do mundo na época.
O primeiro projeto de 13 MW da First Solar em Dubai, operado pela Autoridade de Eletricidade e Água de Dubai, é a primeira parte do Parque Solar Mohammed bin Rashid Al Maktoum e foi a maior usina fotovoltaica da região no momento da conclusão em 2013.
Um sistema de 40 MW instalado pelo grupo Juwi em Waldpolenz Solar Park, Alemanha, no momento de seu anúncio, foi o maior e mais barato sistema fotovoltaico planejado do mundo. O preço foi de 130 milhões de euros.

Um sistema de 128 MWp instalado pela Belectric em Templin, Brandenburg, Alemanha, é a maior instalação fotovoltaica de filmes finos atualmente na Europa (a partir de janeiro de 2015).

Para a Usina Fotovoltaica Blythe, de 21 MW, na Califórnia, um contrato de compra de energia fixou o preço da eletricidade gerada em US $ 0,12 por kWh (após a aplicação de todos os incentivos). Definido na Califórnia como o “Preço de Referência de Mercado”, isso definiu o preço que a PUC pagaria por qualquer fonte de energia de pico durante o dia, por exemplo, gás natural. Embora os sistemas fotovoltaicos sejam intermitentes e não possam ser despachados da mesma forma que o gás natural, os geradores de gás natural têm um risco contínuo de preço de combustível que a energia fotovoltaica não possui.
Um contrato para dois megawatts de instalações no telhado com o sul da Califórnia Edison. O programa SCE foi projetado para instalar 250 MW a um custo total de US $ 875 milhões (em média US $ 3,5 / watt), após incentivos.