Фотоэлектрическая энергия из теллурида кадмия ( CdTe ) — это фотоэлектрическая (PV) технология, основанная на использовании теллурида кадмия в тонком полупроводниковом слое, предназначенном для поглощения и преобразования солнечного света в электричество. [1] Фотоэлектрические фотоэлектрические элементы из теллурида кадмия — единственная тонкопленочная технология с более низкой стоимостью, чем обычные солнечные элементы из кристаллического кремния в многокиловаттных системах. [1] [2] [3]
С точки зрения жизненного цикла CdTe PV имеет наименьший углеродный след , минимальное потребление воды и кратчайший срок окупаемости энергии по сравнению с любой современной фотоэлектрической технологией. [4] [5] [6] [7] Срок окупаемости энергии CdTe менее года позволяет быстрее сократить выбросы углерода без краткосрочного дефицита энергии.
Токсичность кадмия представляет собой проблему для окружающей среды во время производства и утилизации панелей. Частично это можно смягчить путем переработки модулей CdTe в конце их срока службы, [8] , поскольку существуют неопределенности относительно переработки модулей CdTe [9] [10] , а общественное мнение скептически относится к этой технологии. [11] [12] Использование редких материалов также может стать ограничивающим фактором для промышленного масштабирования технологии CdTe в среднесрочной перспективе. Содержание теллура , анионной формой которого является теллурид , сравнимо с содержанием платины в земной коре и существенно влияет на стоимость модуля. [13]
Фотоэлектрические элементы CdTe используются на некоторых крупнейших в мире фотоэлектрических электростанциях , таких как солнечная ферма Топаз . На долю технологии CdTe, составляющей 5,1% мирового производства фотоэлектрических систем, в 2013 году приходилось более половины рынка тонких пленок. [14] Известным производителем технологии тонких пленок CdTe является компания First Solar , базирующаяся в Темпе, штат Аризона .
Доминирующая фотоэлектрическая технология всегда основывалась на пластинах кристаллического кремния . Тонкие пленки и концентраторы были первыми попытками снизить затраты. Тонкие пленки основаны на использовании более тонких полупроводниковых слоев для поглощения и преобразования солнечного света. Концентраторы уменьшают количество панелей, используя линзы или зеркала, чтобы на каждую панель попадало больше солнечного света.
Первой широко разработанной технологией тонких пленок стал аморфный кремний . Однако эта технология страдает низкой эффективностью и низкой скоростью осаждения (что приводит к высоким капитальным затратам). Вместо этого в 2007 году рынок фотоэлектрических систем достиг примерно 4 гигаватт, при этом кристаллический кремний составлял почти 90% продаж. [15] По оценкам того же источника, в 2007 году было установлено около 3 гигаватт.
В этот период разработка теллурида кадмия и диселенида меди-индия или цис-сплавов продолжалась. Последний начинает производиться в объёмах 1–30 мегаватт в год из-за очень высокого КПД ячеек малой площади, приближающегося к 20% в лаборатории. [16] Эффективность ячеек CdTe приближается к 20% в лаборатории с рекордом 22,1% по состоянию на 2016 год. [17]
Исследования CdTe начались в 1950-х годах, [18] [19] [20] [21] [22] [23] , поскольку его запрещенная зона (~ 1,5 эВ) почти идеально соответствует распределению фотонов в солнечном спектре. с точки зрения преобразования в электроэнергию. Была разработана простая конструкция гетероперехода , в которой CdTe p-типа сочетался с сульфидом кадмия n-типа (CdS). Ячейку дополнили добавлением верхних и нижних контактов. Первыми лидерами в области эффективности ячеек CdS/CdTe были GE в 1960-х годах, а затем Kodak , Monosolar, Matsushita и AMETEK. [ нужна цитата ]
К 1981 году компания Kodak применила сублимацию в закрытом пространстве (CSS) и создала первые элементы с эффективностью 10% и первые многоячеечные устройства (12 ячеек, эффективность 8%, 30 см 2 ). [24] Monosolar [25] и AMETEK [26] использовали электроосаждение , популярный ранний метод. Matsushita начинала с трафаретной печати , но в 1990-х годах перешла на CSS. Элементы с эффективностью преобразования солнечного света в электричество около 10% производились к началу 1980-х годов на предприятиях Kodak, Matsushita, Monosolar и AMETEK. [27]
Важный шаг вперед произошел, когда ячейки были увеличены в размерах для производства продуктов большей площади, называемых модулями. Для этих продуктов требовались более высокие токи, чем для небольших ячеек, и было обнаружено, что дополнительный слой, называемый прозрачным проводящим оксидом (TCO), может облегчить движение тока через верхнюю часть ячейки (вместо металлической сетки). Один из таких TCO, оксид олова , был доступен для других целей (термоотражающие окна). Оксид олова, ставший более проводящим для фотоэлектрических систем, стал и остается нормой для фотоэлектрических модулей CdTe.
В 1992 году элементы CdTe достигли эффективности выше 15% за счет добавления буферного слоя к стеку TCO/CdS/CdTe, а затем утончения CdS, чтобы пропускать больше света. Чу использовал резистивный оксид олова в качестве буферного слоя, а затем утоньчил CdS с нескольких микрометров до менее половины микрометра. Толстый CdS, который использовался в предшествующих устройствах, блокировал около 5 мА/см 2 света, или около 20% света, используемого устройством CdTe. Дополнительный слой не ухудшил другие свойства устройства. [27]
В начале 1990-х другие игроки показали неоднозначные результаты. [27] Golden Photon в течение короткого периода времени удерживал рекорд лучшего модуля CdTe, измеренного в NREL на уровне 7,7% с использованием метода осаждения распылением. Компания Matsushita заявила, что эффективность модуля с использованием CSS составляет 11%, а затем отказалась от этой технологии. Подобная эффективность и судьба в конечном итоге произошли с BP Solar. BP использовала электроосаждение (унаследованное от Monosolar окольным путем, когда она приобрела SOHIO , покупателя Monosolar). BP Solar отказалась от CdTe в ноябре 2002 года. [28] Antec смогла производить модули с КПД около 7%, но обанкротилась, когда начала коммерческое производство во время короткого резкого спада на рынке в 2002 году. Однако по состоянию на 2014 год Antec все еще производила CdTe. Фотоэлектрические модули. [29]
Стартапы CdTe включают Toledo Solar Inc (100 мегаватт в год), Calyxo [30] (ранее принадлежавшая Q-Cells), PrimeStar Solar в Арваде, штат Колорадо (приобретена компанией First Solar у GE), [31] Arendi (Италия) ). [ нужна цитата ] Включая Antec, их общий объем производства составляет менее 70 мегаватт в год. [32] Empa , Швейцарская федеральная лаборатория испытаний и исследований материалов, занимается разработкой солнечных элементов CdTe на гибких подложках и продемонстрировала эффективность элементов 13,5% и 15,6% для гибкой пластиковой фольги и стеклянных подложек соответственно. [33]
Наибольший коммерческий успех имела компания Solar Cells Incorporated (SCI). Ее основатель Гарольд Макмастер предполагал, что недорогие тонкие пленки будут производиться в больших масштабах. Попробовав аморфный кремний, он перешел на CdTe по настоянию Джима Нолана и основал компанию Solar Cells Inc., которая позже стала First Solar . [34] Макмастер отстаивал CdTe за его высокоскоростную и высокопроизводительную обработку. В феврале 1999 года Макмастер продал компанию компании True North Partners, которая назвала ее First Solar . [35]
В первые годы своего существования компания First Solar терпела неудачи, и первоначальная эффективность модулей была скромной - около 7%. Коммерческий продукт стал доступен в 2002 году. В 2005 году объем производства достиг 25 мегаватт. [36] Компания производила продукцию в Перрисбурге, штат Огайо, и в Германии. [37] В 2013 году компания First Solar приобрела технологию тонкопленочных солнечных панелей GE в обмен на 1,8% акций компании. [38] Сегодня First Solar производит более 3 гигаватт со средней эффективностью модуля 16,4% в 2016 году. [39]
Компания First Solar, в частности, использует процесс высокоскоростного осаждения с переносом паров вместо CSS (сублимации в закрытом пространстве) для осаждения CdTe. Это тип физического осаждения из паровой фазы , при котором CdTe сначала сублимируется в восходящей области. Затем газы Cd и Te 2 проходят через более холодную область ниже по потоку, где они конденсируются на подложке с образованием твердого CdTe. [40] Этот процесс предпочтительнее CSS, поскольку он позволяет получить пленки большей однородности и позволяет наносить их на подложку любой конфигурации. [41]
В августе 2014 года компания First Solar анонсировала устройство с эффективностью преобразования 21,1% . [42] В феврале 2016 года компания First Solar объявила, что достигла рекордной эффективности преобразования 22,1% в своих элементах CdTe. В 2014 году рекордный КПД модуля также был поднят компанией First Solar с 16,1% до 17,0%. [43] В то время компания прогнозировала, что к 2017 году средняя эффективность модуля производственной линии для ее CdTe PV составит 17%, но к 2016 году они прогнозировали эффективность модуля ближе к ~ 19,5%. [44] [45]
Чтобы достичь рекордно высокого КПД в 22%, для выравнивания запрещенной зоны используется легирование. Соединение, включающее селен в CdTe, используется в солнечных элементах для улучшения отклика квантовой эффективности для определенных длин волн света в дополнение к нелегированному CdTe. [46] Другим важным фактором такого значительного повышения эффективности является использование MgZnO (MZO) внутри клетки. В ячейке, использующей структуру CdSe x Te 1-x /CdTe, вместо CdS можно использовать MZO. CdS является источником неэффективного поглощения, в то время как MZO имеет настраиваемую ширину запрещенной зоны, которую можно оптимизировать для обеспечения высокой прозрачности и хорошего выравнивания с CdSe x Te 1-x . [47]
Оптимизация процесса повысила производительность и снизила затраты. Улучшения включали более широкие подложки (поскольку капитальные затраты масштабируются сублинейно и затраты на установку могут быть снижены), более тонкие слои (для экономии материала, электроэнергии и времени обработки) и лучшее использование материала (для экономии материалов и затрат на очистку). Стоимость модуля CdTe в 2014 году составляла около 72 долларов США за 1 квадратный метр (11 квадратных футов) [48] или около 90 долларов США за модуль. [ нужна цитата ]
Эффективность модулей измеряется в лабораториях при стандартной температуре испытаний 25 °C, однако в полевых условиях модули часто подвергаются воздействию гораздо более высоких температур. Относительно низкий температурный коэффициент CdTe защищает производительность при более высоких температурах. [49] [50] [51] Фотоэлектрические модули CdTe сокращаются вдвое по сравнению с модулями из кристаллического кремния, что приводит к увеличению годовой выработки энергии на 5-9%. [52]
На сегодняшний день почти все тонкопленочные фотоэлектрические модульные системы не используют отслеживание солнечной энергии , поскольку выходная мощность модуля была слишком низкой, чтобы компенсировать капитальные и эксплуатационные затраты на отслеживание. Но относительно недорогие одноосные системы слежения могут добавить 25% мощности на установленный ватт. [53] Кроме того, в зависимости от прироста энергии трекера общая экологическая эффективность фотоэлектрической системы может быть повышена за счет снижения как системных затрат, так и воздействия на окружающую среду. [54] Это зависит от климата. Отслеживание также обеспечивает более плавное выходное плато около полудня, лучше соответствующее дневным пикам.
Кадмий (Cd) , токсичный тяжелый металл, считающийся опасным веществом, является побочным продуктом добычи, плавки и переработки сульфидных цинковых руд во время рафинирования цинка , и поэтому его производство не зависит от спроса на фотоэлектрическом рынке. Фотоэлектрические модули CdTe обеспечивают выгодное и безопасное использование кадмия, который в противном случае хранился бы для будущего использования или выбрасывался бы на свалку как опасные отходы. Побочные продукты добычи полезных ископаемых можно преобразовать в стабильное соединение CdTe и безопасно инкапсулировать внутри фотоэлектрических модулей CdTe на долгие годы. Значительный рост фотоэлектрического сектора CdTe потенциально может сократить глобальные выбросы кадмия за счет вытеснения угольной и нефтяной энергетики. [55]
Оценки производства и запасов теллура (Te) подвержены неопределенности и значительно различаются. Теллур — это редкий, умеренно токсичный металлоид, который в основном используется в качестве механической добавки к стали . Те почти исключительно получают как побочный продукт при рафинировании меди, меньшие количества - при производстве свинца и золота. Доступно лишь небольшое количество, оцениваемое примерно в 800 метрических тонн [56] в год. По данным Геологической службы США , мировое производство в 2007 году составило 135 метрических тонн. [57] Для одного гигаватта (ГВт) фотоэлектрических модулей CdTe потребуется около 93 метрических тонн (при нынешнем КПД и толщине). [58] Благодаря повышению эффективности использования материалов и увеличению переработки фотоэлектрических систем, фотоэлектрическая промышленность CdTe имеет потенциал к 2038 году полностью полагаться на теллур из переработанных модулей с истекшим сроком службы. [59] В последнее десятилетие [ когда? ] новые поставки были расположены, например, в Синьджу, Китай [60] , а также в Мексике и Швеции. [61] В 1984 году астрофизики определили теллур как самый распространенный элемент во Вселенной с атомным номером более 40. [62] [63] Некоторые подводные хребты богаты теллуром. [63] [64]
Изготовление элемента CdTe включает тонкое покрытие хлоридом кадмия ( CdCl
2) для повышения общей эффективности ячейки. Хлорид кадмия токсичен, относительно дорог и хорошо растворим в воде, что представляет потенциальную угрозу для окружающей среды во время производства. В 2014 году исследования показали, что распространенный и безвредный хлорид магния ( MgCl
2) работает так же хорошо, как хлорид кадмия. Это исследование может привести к созданию более дешевых и безопасных элементов CdTe. [65] [66]
Сами по себе кадмий и теллур токсичны и канцерогенны, но CdTe образует очень стабильную кристаллическую решетку и на несколько порядков менее токсичен, чем кадмий. [67] Стеклянные пластины, окружающие материал CdTe, зажатый между ними (как и во всех коммерческих модулях), герметизируют во время пожара и не допускают выброса кадмия, если стекло не разбито. [68] [69] Все другие виды использования и воздействия, связанные с кадмием, незначительны и аналогичны по характеру и величине воздействию других материалов в более широкой фотоэлектрической цепочке создания стоимости, например, токсичным газам, свинцовому припою или растворителям (большинство из которых являются не используется в производстве CdTe). [70] [71]
Граница зерна — это граница раздела между двумя зернами кристаллического материала, возникающая при встрече двух зерен. Они представляют собой разновидность кристаллического дефекта. Часто предполагается, что разница напряжений холостого хода, наблюдаемая в CdTe, по сравнению как с монокристаллическим GaAs, так и с теоретическим пределом, может быть каким-то образом связана с границами зерен внутри материала. Однако был проведен ряд исследований, которые предположили, что ГБ не только не вредны для производительности, но и могут быть полезны в качестве источников улучшенного сбора носителей. Таким образом, точная роль границ зерен в ограничении производительности солнечных элементов на основе CdTe остается неясной, и исследования по решению этого вопроса продолжаются. Однако в выращенном CdTe границы зерен вредны для производительности. Последующая обработка может изменить ситуацию, но эти эффекты следует изучать в каждом конкретном случае. [72]
Размер зерен и, следовательно, количество границ зерен в пленке CdTe зависят от температуры подложки во время осаждения пленки. Чем выше температура подложки, тем больше размер зерен и тем меньше границ зерен в пленке. Если во время осаждения используется низкая температура подложки, размер зерна обычно увеличивается путем нанесения CdCl 2 на пленку и последующего отжига. Это важнейший этап обработки, поскольку элементы, нанесенные при низких температурах, в которых отсутствует этот этап, не могут достичь эффективности преобразования выше 10%. [47]
Фотоэлектрические модули могут прослужить от 25 до 30 лет. Неправильная утилизация фотоэлектрических модулей может привести к выбросу токсичных материалов в окружающую среду. [73] По состоянию на 2013 год в промышленности доступны только три метода дорогостоящей переработки тонкопленочных фотоэлектрических модулей. SENSE (Оценка устойчивости систем солнечной энергии) и RESOLVED (Восстановление ценных материалов солнечной энергии, обогащение и дезактивация) являются европейскими. финансируемые процедуры. SENSE опирается на механическую, химическую и термическую обработку. RESOLVED опирается главным образом на механическую обработку. Последний метод, First Solar, основан на механических и химических процессах. Механические методы переработки более экологичны, поскольку не требуют использования химикатов. [73]
Материалы, которые можно восстановить в процессе переработки, включают металлы, крепления, стекло и, в дорогостоящих случаях, весь фотоэлектрический модуль. [74]
По состоянию на 2013 год затраты на переработку модулей CdTe выше, чем перепродажа переработанных материалов. Однако возможные будущие методы переработки могут снизить стоимость за счет сокращения дорогостоящих и экологически вредных процессов. [73] Перспективные будущие методы переработки включают вулканизацию- вакуумную дистилляцию и двойной зеленый процесс. Вулканизация-вакуумная перегонка была предложена в качестве возможного процесса переработки для получения Те , который позволяет извлекать Те с чистотой до 99,92%. [75] Двойной зеленый процесс состоит почти полностью из механических процессов. [76]
В связи с экспоненциальным ростом фотоэлектрических систем количество установленных фотоэлектрических систем во всем мире значительно увеличилось. В 2005 году компания First Solar учредила первую глобальную и комплексную программу переработки в фотоэлектрической отрасли. Ее предприятия по переработке отходов работают на каждом из заводов компании First Solar и восстанавливают до 95% полупроводниковых материалов для повторного использования в новых модулях и 90% стекла для повторного использования в фотоэлектрических системах. новые изделия из стекла. [77] [78] Оценка жизненного цикла переработки модулей CdTe, проведенная Штутгартским университетом, показала снижение потребности в первичной энергии в конце срока службы с 81 МДж/м 2 до -12 МДж/м 2 , снижение около 93 МДж/м 2 , а с точки зрения потенциала глобального потепления с 6 кг CO 2 -экв./ м 2 до -2,5 CO 2 -экв./ м 2 , сокращение примерно на -8,5 CO 2 -экв. /м 2 . 2 . Эти сокращения демонстрируют весьма выгодное изменение общего экологического профиля фотоэлектрического модуля CdTe. LCA также показал, что основной вклад в рассматриваемые категории воздействия на окружающую среду вносят необходимые химикаты и энергия при обработке модулей CdTe. [79]
Фотовольтаика может помочь в сокращении токсичных выбросов и загрязнения, вызванного ископаемым топливом . [73] Выбросы от ископаемого топлива, которые влияют на глобальный климат, такие как оксиды азота (NO x ), диоксид углерода (CO 2 ) и диоксид серы (SO 2 ), не являются выбросами фотоэлектрических систем. Один гигаватт-час электроэнергии, произведенной с помощью фотоэлектрических систем, снизит выбросы SO 2 на 10 тонн, NO x на 4 тонны и CO 2 на 1000 тонн по сравнению с углем. [80]
Фотоэлектрические элементы из теллурида кадмия оказывают негативное воздействие как на работников, так и на экосистему. [81] Управление по безопасности и гигиене труда США считает материалы клеток CdTe токсичными и канцерогенными при вдыхании или проглатывании. Работники перерабатывающих предприятий могут подвергаться воздействию мелких частиц или паров Cd и вдыхать их. [80]
Предприятия по производству CdTe могут вызывать экологические проблемы в случае аварий на высокоэффективном производстве или в результате выбросов побочных продуктов при менее эффективных методах производства. [80]
В течение всего срока службы модуля он не выделяет никаких частиц или паров, если используется по назначению. Единственный способ высвободить пыль или пар из готового модуля — это воспламенение или измельчение в мелкую пыль. При воздействии температуры около 1100 °C в ходе лабораторных испытаний высвободилось от 0,4% до 0,6% содержания Cd. [74]
Общие оценки выбросов Cd в воздух могут варьироваться от 0,02 до 0,5 грамма на гигаватт-час. [74]
Ранние модули CdTe не прошли тесты на элюирование , однако более поздние модели могут пройти некоторые тесты на элюирование. Несмотря на небольшое количество Cd, которое может вымываться, модули CdTe имеют низкую общую выщелачиваемость, поскольку опасные материалы внутри них заключены в два слоя стекла. Модули CdTe обладают очень плохой биоразлагаемостью . [74]
Успех фотоэлектрических систем из теллурида кадмия обусловлен низкой стоимостью, достижимой с помощью технологии CdTe, что стало возможным благодаря сочетанию адекватной эффективности с более низкой стоимостью площади модуля. Прямые затраты на производство фотоэлектрических модулей CdTe достигли 0,57 долларов США за ватт в 2013 году [82] , а капитальные затраты на новый ватт мощности составили около 0,9 долларов США за ватт (включая землю и здания) в 2008 году. [83]
Утверждалось, что фотоэлектрические решения на основе CdTe в коммунальном масштабе способны конкурировать с пиковыми источниками генерации на ископаемом топливе в зависимости от уровней излучения, процентных ставок и других факторов, таких как затраты на разработку. [84] Было заявлено, что недавние установки крупных фотоэлектрических систем First Solar CdTe конкурентоспособны с другими формами солнечной энергии:
2011/02 Solar Fields LLC приобретает акции Q-Cells.
Было высказано предположение, что Те уникален во Вселенной, поскольку его космическое распространение так же или больше, чем у любого другого элемента с атомным номером выше 40, но при этом он является одним из наименее распространенных элементов в земной коре и океане. вода."
Хребты встречаются на глубине 400-4000 м, где течения очищали скалы от отложений в течение миллионов лет. Корки…образуют покрытия толщиной до 250 мм.