碲化镉(Cadmium telluride, CdTe)是由镉和碲形成的稳定的结晶化合物。 它主要用作碲化镉光伏器件和红外光学窗口中的半导体材料。 它通常夹在硫化镉中以形成pn结太阳能PV电池。 通常,CdTe PV电池使用压区结构。
属性 | |
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化学式 | Cd Te |
摩尔质量 | 240.01克/摩尔 |
密度 | 5.85克·厘米-3 |
熔点 | 1,041°C(1,906°F; 1,314 K) |
沸点 | 1,050°C(1,920°F; 1,320 K) |
在水中溶解 | 不溶性 |
在其他溶剂中的溶解度 | 不溶性 |
带隙 | 1.5 eV(@ 300 K,直接) |
导热系数 | 在293K时6.2 W·m / m 2 ·K |
折射率( n D ) | 2.67(@10μm) |
结构体 | |
水晶结构 | 闪锌矿 |
太空组 | F 4 3m |
格子常数 | a = 648 pm |
热化学 | |
热容量( C ) | 210 J / kg·K,293 K. |
危害 | |
欧盟分类(DSD) (过时) | 有害的( Xn ) 危害环境( N ) |
R短语(过时) | R20 / 21/22 , R50 / 53 |
S-短语(过时) | (S2) , S60 , S61 |
美国健康暴露限值(NIOSH): | |
PEL(允许) | [1910.1027] TWA 0.005 mg / m 3 (以Cd计) |
REL(推荐) | 钙 |
IDLH(即时危险) | Ca [9 mg / m 3 (以Cd计)] |
应用
CdTe用于制造薄膜太阳能电池,占2011年安装的所有太阳能电池的约8%。它们是成本最低的太阳能电池类型之一,但总安装成本的比较取决于安装尺寸和许多其他因素,并且每年都在快速变化。 CdTe太阳能电池市场由First Solar主导。 2011年,生产了约2 GWp的CdTe太阳能电池; 有关更多详细信息和讨论,请参阅碲化镉光伏电池。
CdTe可与汞合金化,制成通用的红外探测器材料(HgCdTe)。 与少量锌合金化的CdTe制成了优异的固态X射线和伽马射线探测器(CdZnTe)。
CdTe被用作光学窗口和透镜的红外光学材料,并被证明可在各种温度范围内提供良好的性能。 用于IR的早期形式的CdTe以商标名Irtran-6销售,但这已经过时。
CdTe也适用于电光调制器。 它在II-VI化合物晶体中具有最大的线性电光效应的电光系数(r41 = r52 = r63 = 6.8×10-12m / V)。
掺杂氯的CdTe用作X射线,γ射线,β粒子和α粒子的辐射探测器。 CdTe可以在室温下操作,从而可以构建紧凑型探测器,用于核光谱学中的各种应用。 使CdTe成为高性能γ射线和X射线探测器的优势的特性是高原子序数,大带隙和高电子迁移率~1100 cm2 / V•s,这导致高内在μτ(迁移率 – 寿命)产品因此具有高度的电荷收集和出色的光谱分辨率。 由于空穴的电荷传输性能差,~100 cm2 / V•s,单载波传感探测器几何结构用于产生高分辨率光谱; 这些包括共面网格,frish-collar探测器和小像素探测器。
物理特性
热膨胀系数:299 K时为5.9×10-6 / K.
杨氏模量:52 GPa
泊松比:0.41
光学和电子特性
块状CdTe在红外线中是透明的,从接近其带隙能量(在300K下1.5eV,对应于约830nm的红外波长)到大于20μm的波长; 相应地,CdTe在790nm处发荧光。 随着CdTe晶体的尺寸减小到几纳米或更小,从而使它们成为CdTe量子点,荧光峰值在可见光范围内移动到紫外线中。
化学性质
CdTe不溶于水。 CdTe的熔点高达1041°C,蒸发温度从1050°C开始。 CdTe在环境温度下的蒸气压为零。 由于其高熔点和不溶性,CdTe比其母体化合物镉和碲以及大多数其他Cd化合物更稳定。
碲化镉可作为粉末或晶体商购获得。 它可以制成纳米晶体。
毒理学评估
化合物CdTe具有与镉和碲这两种元素不同的品质。 毒性研究表明,CdTe的毒性低于元素镉。 CdTe具有低的急性吸入,口服和水生毒性,并且在Ames致突变性试验中是阴性的。 根据向欧洲化学品管理局(ECHA)通报这些结果,CdTe不再被归类为有害,如果摄入也不会对皮肤接触有害,并且对水生生物的毒性分类已经减少。 一旦正确且安全地捕获和封装,制造过程中使用的CdTe可能变得无害。目前的CdTe模块通过美国EPA的毒性特征浸出程序(TCLP)测试,旨在评估垃圾填埋场中产品长期浸出的可能性。
由美国国立卫生研究院2003年主办的文件披露:
布鲁克海文国家实验室(BNL)和美国能源部(DOE)正在提名碲化镉(CdTe)纳入国家毒理学计划(NTP)。 该提名得到了国家可再生能源实验室(NREL)和First Solar Inc.的大力支持。该材料具有广泛应用于光伏发电的潜力,涉及广泛的人机界面。 因此,我们认为对长期接触CdTe的影响进行确定的毒理学研究是必要的。
来自美国能源部布鲁克海文国家实验室的研究人员发现,大规模使用CdTe光伏组件对健康和环境没有任何风险,并且模块在其使用寿命结束时的回收完全解决了环境问题。 在它们运行期间,这些模块不产生任何污染物,而且,通过取代化石燃料,它们提供了很大的环境效益。 使用镉作为原材料的CdTe PV模块似乎比所有其他当前使用的Cd更环保。 CdTe PV为不久的将来潜在的镉供应提供了可持续的解决方案。 由于对钢产品的需求,镉作为锌精炼的废物副产物而产生,并且无论其在PV中的用途如何都产生大量镉。
可用性
目前,原材料镉和碲的价格在CdTe太阳能电池和其他CdTe器件的成本中所占的比例可以忽略不计。然而,碲是一种相对稀有的元素(地壳中十亿分之五十亿;参见元素丰度(数据页))。 通过提高材料效率和增加光伏回收系统,到2038年,CdTe光伏产业有可能完全依赖回收的报废模块中的碲。有关更多信息,请参阅碲化镉光伏产品。 另一项研究表明,CdTe PV回收将增加Te的重要二次资源,与改进的材料利用相结合,到本世纪末将到2050年和10TW的累积容量将达到约2TW。