Фотовольтаика теллурида кадмия (CdTe) описывает фотовольтаическую (PV) технологию, основанную на использовании теллурида кадмия, тонкого полупроводникового слоя, предназначенного для поглощения и преобразования солнечного света в электричество. Кадмий теллурид PV — единственная технология тонкой пленки с более низкими затратами, чем обычные солнечные элементы, изготовленные из кристаллического кремния в многокилометровых системах.

На основе жизненного цикла CdTe PV имеет наименьший углеродный след, низкое потребление воды и самое короткое время окупаемости энергии для всех солнечных технологий. Время окупаемости энергии CdTe менее чем за год позволяет ускорить сокращение выбросов углекислого газа без кратковременного дефицита энергии.

Токсичность кадмия представляет собой экологическую проблему, смягчаемую путем утилизации модулей CdTe в конце их срока службы, хотя все еще существуют неопределенности, и общественное мнение скептически относится к этой технологии. Использование редких материалов также может стать ограничивающим фактором индустриальной масштабируемости технологии CdTe в среднесрочном будущем. Обилие теллура, из которого теллурид является анионной формой, сопоставим с численностью платины в земной коре и вносит значительный вклад в стоимость модуля.

Фотоэлектрические приборы CdTe используются на некоторых крупнейших в мире фотогальванических электростанциях, таких как Топазская солнечная ферма. С долей в 5,1% мирового производства PV технология CdTe составляла более половины рынка тонких пленок в 2013 году. Известным производителем тонкопленочной технологии CdTe является компания First Solar, базирующаяся в Темпе, штат Аризона.

Задний план
Доминирующая PV-технология всегда основывалась на кристаллических кремниевых пластинах. Тонкие пленки и концентраторы были ранними попытками снизить издержки. Тонкие пленки основаны на использовании более тонких полупроводниковых слоев для поглощения и преобразования солнечного света. Концентраторы уменьшают количество панелей с помощью объективов или зеркал, чтобы увеличить количество солнечных лучей на каждой панели.

Первой тонкопленочной технологией, которая должна быть широко разработана, был аморфный кремний. Однако эта технология страдает низкой эффективностью и низкой скоростью осаждения (что приводит к высоким капитальным затратам). Вместо этого на рынке PV достигло около 4 гигаватт в 2007 году, причем кристаллический кремний составлял почти 90% продаж. По данным того же источника, в 2007 году было установлено около 3 гигаватт.

В течение этого периода продолжали развиваться теллурид кадмия, дизеленид меди и сплавы СНГ. Последние начинают выпускаться в объемах 1-30 мегаватт в год из-за очень высокой эффективности малой площади клеток, приближающейся к 20% в лаборатории. Эффективность клеток CdTe приближается к 20% в лаборатории с рекордной 22,1% к 2016 году.

История [править]
Исследования в CdTe относятся к 1950-м годам, поскольку его запрет (~ 1,5 эВ) почти идеально соответствует распределению фотонов в солнечном спектре с точки зрения преобразования в электричество. Произошла простая конструкция гетеропереходов, в которой p-тип CdTe соответствовал сульфиду кадмия n-типа (CdS). Ячейка была заполнена добавлением верхних и нижних контактов. Ранними лидерами в эффективности клеток CdS / CdTe были GE в 1960-х годах, а затем Kodak, Monosolar, Matsushita и AMETEK.

К 1981 году Kodak использовал близко расположенную сублимацию (CSS) и сделал первые 10% [необходимые для осветления] клетки и первые многоклеточные устройства (12 ячеек, эффективность 8%, 30 см2). Monosolar и AMETEK использовали электроосаждение, популярный ранний метод. Мацусита начал с трафаретной печати, но перешел в 1990-е годы в CSS. Клетки, составляющие около 10% эффективности солнечного света к электричеству, были получены к началу 1980-х годов в Kodak, Matsushita, Monosolar и AMETEK.

Важный шаг вперед произошел, когда ячейки были увеличены по размеру, чтобы сделать продукты большей площади называемыми модулями. Эти продукты требовали более высоких токов, чем небольшие ячейки, и было обнаружено, что дополнительный слой, называемый прозрачным проводящим оксидом (TCO), может облегчать движение тока по верхней части ячейки (вместо металлической сетки). Один такой TCO, оксид олова, был доступен для других целей (термоотражающие окна). Сделанный более проводящим для PV, оксид олова стал и остается нормой в модулях PV CdTe.

В 1992 году клетки CdTe достигли более 15% [необходимости очистки], добавив буферный слой в стек TCO / CdS / CdTe, а затем разбавил CdS, чтобы допустить больше света. Чу использовал резистивный оксид олова в качестве буферного слоя, а затем разбавлял CdS от нескольких микрометров до толщины менее половины микрометра. Толстый CdS, как он использовался в предыдущих устройствах, блокировал около 5 мА / см2 света или около 20% света, используемого устройством CdTe. Дополнительный слой не ухудшил другие свойства устройства.

В начале 1990-х годов другие игроки испытывали смешанные результаты. «Золотой фотон» за короткое время провел рекордный для лучшего модуля CdTe, измеренный в NREL, на 7,7%, используя метод распыления. Мацусита потребовал 11% [разъяснения] эффективности модуля с помощью CSS, а затем отказался от технологии. Подобная эффективность и судьба в конечном итоге произошли в BP Solar. BP использовала электроосаждение (унаследованное от Monosolar обходным путем при покупке SOHIO, приобретателя Monosolar). BP Solar выпустила CdTe в ноябре 2002 года. Antec смогла сделать около 7% -эффективных модулей, но обанкротилась, когда она начала выпускать коммерчески во время короткого резкого спада рынка в 2002 году. Однако с 2014 года Antec по-прежнему создавала модули CdTe PV.

CdTe включает в себя Calyxo (ранее принадлежавший Q-Cells), PrimeStar Solar, в Арваде, штат Колорадо (приобретенный First Solar от GE), Arendi (Италия). В том числе Antec, их общий объем производства составляет менее 70 мегаватт в год. Empa, Швейцарские федеральные лаборатории по тестированию материалов и исследованиям, фокусируется на разработке солнечных элементов CdTe на гибких подложках и продемонстрировала эффективность клеток 13,5% и 15,6% для гибкой пластиковой фольги и стеклянных подложек соответственно.

SCI и First Solar [редактировать]
Основным коммерческим успехом стал Solar Cells Incorporated (SCI). Его основатель, Гарольд Макмастер, предполагал недорогие тонкие пленки, сделанные в больших масштабах. После попытки аморфного кремния он перешел на CdTe по настоянию Джима Нолана и основал компанию Solar Cells Inc., которая позже стала первой солнечной. McMaster защищал CdTe за высокоскоростную обработку с высокой пропускной способностью. SCI сдвинулся с адаптации метода CSS, а затем перешел на перенос пара. В феврале 1999 года McMaster продала компанию True North Partners, которая назвала ее First Solar.

В первые годы своей деятельности First Solar понесла неудачи, а эффективность начального модуля была скромной, около 7%. Коммерческий продукт стал доступен в 2002 году. Производство достигло 25 мегаватт в 2005 году. Компания была изготовлена ​​в Перрисбурге, Огайо и Германии. В 2013 году компания First Solar приобрела технологию тонкопленочных солнечных панелей GE в обмен на 1,8% акций компании. Сегодня First Solar производит более 3 гигаватт со средней модульной эффективностью 16,4% в 2016 году.

Технологии

Эффективность клеток
В августе 2014 года First Solar анонсировала устройство с 21,1% эффективности преобразования. В феврале 2016 года First Solar объявили, что достигли рекордной эффективности преобразования 22,1% в своих ячейках CdTe. В 2014 году эффективность модуля записи также была повышена First Solar с 16,1% до 17,0%. В настоящее время компания прогнозирует среднюю производительность модуля для CdTe PV до 17% к 2017 году, но к 2016 году они прогнозировали эффективность модуля ближе к ~ 19,5%.

Поскольку CdTe имеет оптимальную ширину запрещенной зоны для устройств с одним соединением, эффективность в 20% (например, уже показанная в сплавах СНГ) может быть достижима в практических клетках CdTe.

Оптимизация процесса [править]
Оптимизация процесса позволила повысить пропускную способность и снизить затраты. Усовершенствования включали более широкие субстраты (поскольку стоимость капитальных затрат снижается и затраты на монтаж могут быть уменьшены), более тонкие слои (чтобы сохранить материал, электричество и время обработки), а также лучшее использование материалов (для экономии затрат на материалы и чистки). Стоимость модулей модуля CdTe 2014 года составляла около 72 долларов за 1 квадратный метр (11 кв. Футов), или около 90 долларов за модуль.

Температура окружающей среды [править]
Эффективность модулей измеряется в лабораториях при стандартных испытательных температурах 25 ° C, однако в полевых модулях часто подвергаются воздействию гораздо более высоких температур. Относительно низкий температурный коэффициент CdTe защищает рабочие характеристики при более высоких температурах. Модули CdTe PV испытывают половину сокращения модулей кристаллического кремния, что приводит к увеличению годовой выработки энергии на 5-9%.

Солнечное отслеживание [править]
Почти все тонкопленочные фотоэлектрические модульные системы на сегодняшний день являются не-солнечными слежениями, потому что выход модуля был слишком низким, чтобы компенсировать капитальные затраты и эксплуатационные расходы. Но относительно недорогие одноосные системы слежения могут добавить 25% продукции на установленный ватт. Кроме того, в зависимости от коэффициента энергопотребления Tracker, общая экоэффективность системы PV может быть повышена за счет снижения как системных затрат, так и воздействия на окружающую среду. Это зависит от климата. Отслеживание также производит более плавное выходное плато около полудня, лучше совпадающее после полудня.

материалы
Кадмий [править]
Кадмий (Cd), токсичный тяжелый металл, считающийся опасным веществом, является побочным продуктом добычи, плавки и переработки сульфидных руд цинка во время переработки цинка, поэтому его производство не зависит от спроса на рынке PV. Модули CdTe PV обеспечивают полезное и безопасное использование кадмия, который в противном случае был бы сохранен для будущего использования или утилизирован на полигонах в качестве опасных отходов. Горные побочные продукты могут быть превращены в стабильное соединение CdTe и безопасно инкапсулированы внутри солнечных модулей CdTe PV в течение многих лет. Значительный рост в секторе CdTe PV может снизить глобальные выбросы кадмия за счет вытеснения производства угля и нефти.

Теллур [править]
Оценки производства и запасов Теллурия (Те) подвержены неопределенности и значительно различаются. Теллур — редкий, слаботоксичный металлоид, который в основном используется в качестве механической добавки к стали. Te почти исключительно получается как побочный продукт переработки меди, при меньших количествах от производства свинца и золота. Имеется лишь небольшая сумма, которая оценивается примерно в 800 метрических тонн в год. По данным USGS, мировое производство в 2007 году составило 135 тонн. Один гигаватт (GW) модулей CdTe PV потребует около 93 метрических тонн (при текущей эффективности и толщинах). Благодаря улучшенной материальной эффективности и увеличению утилизации PV, промышленность CdTe PV может полностью полагаться на теллур из переработанных модулей с истекшим сроком эксплуатации к 2038 году. В последнее десятилетие [когда?] Были обнаружены новые запасы, например, в Синьью, Китай, а также в Мексике и Швеции. В 1984 году астрофизики идентифицировали теллур как наиболее распространенный элемент вселенной, имеющий атомный номер более 40. Некоторые подводные хребты богаты теллуром.

Хлорид кадмия / хлорид магния [редактировать]
Производство ячейки CdTe включает тонкое покрытие с хлоридом кадмия (CdCl
2) увеличить общую эффективность ячейки. Хлорид кадмия токсичен, относительно дорог и очень растворим в воде, создавая потенциальную экологическую угрозу при производстве. В 2014 году исследование обнаружило, что обильный и безопасный хлорид магния (MgCl
2), а также хлорид кадмия. Это исследование может привести к более дешевым и безопасным клеткам CdTe.

Безопасность [править]
Сами по себе кадмий и теллур являются токсичными и канцерогенными, но CdTe образует кристаллическую решетку, которая является очень стабильной и на несколько порядков менее токсична, чем кадмий. Стеклянные пластины, окружающие материал CdTe, зажатые между ними (как и во всех коммерческих модулях), уплотняются во время пожара и не допускают выброса кадмия. Все другие виды использования и воздействия, связанные с кадмием, являются незначительными и похожими натурой и величиной для воздействия других материалов в более широкой цепочке стоимости PV, например, на токсичные газы, свинцовый припой или растворители (большинство из которых не используются при производстве CdTe) ,

Переработка [править]
Из-за экспоненциального роста фотогальваники число всемирно установленных фотоэлектрических систем значительно возросло. First Solar создала первую глобальную и всеобъемлющую программу утилизации в отрасли PV в 2005 году. Ее установки по рециркуляции работают на каждом заводе First Solar и восстанавливают до 95% полупроводникового материала для повторного использования в новых модулях и 90% стекла для повторного использования в новые стеклянные изделия. Оценка жизненного цикла утилизации модуля CdTe Штутгартским университетом показала снижение потребности в первичной энергии в конце жизни с 81 МДж / м2 до -12 МДж / м2, сокращение примерно на 93 МДж / м2 и в терминах от потенциала глобального потепления от 6 кг CO2-эквивалента / м2 до -2,5 CO2-эквивалента / м2, уменьшение около -8,5 CO2-эквивалента / м2. Эти сокращения показывают очень выгодное изменение общего профиля окружающей среды фотоэлектрического модуля CdTe. LCA также показало, что основные участники рассматриваемых категорий воздействия на окружающую среду обусловлены требуемыми химическими веществами и энергией в процессе обработки модулей CdTe.

Границы зерна [редактировать]
Граница зерен является границей между двумя зернами кристаллического материала и возникает, когда встречаются два зерна. Это тип кристаллического дефекта. Часто предполагается, что разрыв напряжения в незамкнутом контуре, наблюдаемый в CdTe, по сравнению с монокристаллическим GaAs и теоретическим пределом, может быть каким-то образом обусловлен границами зерен в материале. Тем не менее, было проведено несколько исследований, в которых предлагалось не только то, что ГБ не являются вредными для производительности, но могут фактически быть полезными в качестве источников расширенного сбора носителей. Таким образом, точная роль границ зерен в ограничении производительности солнечных элементов на основе CdTe остается неясной, и исследования продолжаются для решения этого вопроса.

Рыночная жизнеспособность
Успех теледурида кадмия PV вызван низкой стоимостью, достигаемой благодаря технологии CdTe, что стало возможным благодаря сочетанию адекватной эффективности с меньшими затратами на площадь модуля. Прямые затраты на производство модулей PV CdTe достигли $ 0,57 за ватт в 2013 году, а капитальные затраты на каждый новый ватт составляют около 0,9 долл. США за ватт (включая землю и здания).

Известные системы [править]
Было заявлено, что решения PVD CdTe для коммунальной промышленности могут конкурировать с источниками генерации ископаемого топлива в зависимости от уровней облучения, процентных ставок и других факторов, таких как затраты на разработку. Заявленные установки крупных солнечных систем PVD Solar Solar CdTe утверждались, что они конкурируют с другими формы солнечной энергии:

Проект First Solar от 290 мегаватт (MW) Agua Caliente в Аризоне является одной из крупнейших фотоэлектрических электростанций, когда-либо построенных. Agua Caliente предлагает функции управления, прогнозирования и распределения электроэнергии First Solar, которые способствуют надежности и стабильности сети.

Товазовая солнечная ферма мощностью 550 мегаватт в Калифорнии завершила строительство в ноябре 2014 года и была крупнейшей в мире солнечной фермой в то время.
Проект First Solar 13 MW в Дубае, управляемый Дубайским управлением электроэнергетики и водного хозяйства, является первой частью парка солнечных батарей Мохаммеда бин Рашида Аль Мактума и является крупнейшей в регионе электростанцией PV на момент ее завершения в 2013 году.
Система 40 МВт, установленная группой Juwi в Waldpolenz Solar Park, Германия, на момент ее объявления, была самой большой в мире и самой низкой ценовой системой PV. Цена была 130 миллионов евро.

Система 128 MWp, установленная компанией Belectric at Templin, Бранденбург, Германия, является самой современной тонкопленочной фотоэлектрической установкой в ​​Европе (по состоянию на январь 2015 года).

Для 21-мегаваттной солнечной фотоэлектрической электростанции в Калифорнии соглашение о покупке электроэнергии установило цену на сгенерированную электроэнергию на уровне 0,12 доллара за кВтч (после применения всех стимулов). Определенный в Калифорнии как «рыночная цена референта», это установило цену, которую PUC заплатит за любой дневной пиковый источник энергии, например, от природного газа. Несмотря на то, что системы PV являются прерывистыми и не подлежащими отправке, как природный газ, генераторы природного газа имеют постоянный риск изменения цен на топливо, который нет у PV.
Контракт на две мегаватты установок на крыше с Южной Калифорнией Эдисон. Программа SCE предназначена для установки 250 МВт при общей стоимости 875 млн долл. (В среднем 3,5 долл. США / Вт) после стимулов.