Войти
Фотоэлектрическая батарея из солнечных панелей с теллуридом кадмия (CdTe) Тип солнечного элемента Теллурид кадмия (CdTe ) Photovoltaics описывает фотоэлектрическую (PV) технологию, которая основана на использовании теллурида кадмия в тонком полупроводниковый слой, предназначенный для поглощения и преобразования солнечного света в электричество. ФЭ из теллурида кадмия - единственная тонкопленочная технология с меньшими затратами, чем обычные солнечные элементы, изготовленные из кристаллического кремния в многокиловаттных системах.
На основе жизненного цикла CdTe PV имеет наименьший углеродный след, наименьшее потребление воды и наименьшее время окупаемости из всех существующих фотоэлектрических технологий. Срок окупаемости энергии CdTe менее года позволяет быстрее сократить выбросы углерода без краткосрочного дефицита энергии.
Токсичность кадмия представляет собой проблему для окружающей среды, которая смягчается переработкой модулей CdTe по окончании срока их службы. Хотя до сих пор существует неопределенность в отношении утилизации модулей CdTe, и общественное мнение скептически относится к этой технологии. Использование редких материалов также может стать ограничивающим фактором для промышленного масштабирования технологии CdTe в среднесрочной перспективе. Содержание теллура, теллурид которого является анионной формой, сравнимо с содержанием платины в земной коре и существенно влияет на стоимость модуля.
CdTe фотоэлектрические элементы используются в некоторых из крупнейших в мире фотоэлектрических электростанций, таких как Солнечная ферма Topaz. На долю технологии CdTe приходилось 5,1% мирового производства фотоэлектрических элементов, в 2013 году на нее приходилось более половины рынка тонких пленок. Известным производителем тонкопленочной технологии CdTe является компания First Solar, основанная в Темпе, Аризона.
Поперечное сечение тонкопленочного солнечного элемента CdTe. Доминирующая фотоэлектрическая технология всегда была основана на пластинах кристаллического кремния. Тонкие пленки и концентраторы были ранними попытками снизить затраты. Тонкие пленки основаны на использовании более тонких слоев полупроводников для поглощения и преобразования солнечного света. Концентраторы уменьшают количество панелей за счет использования линз или зеркал, чтобы на каждую панель попадало больше солнечного света.
Первой широко разработанной технологией тонких пленок был аморфный кремний. Однако эта технология страдает низкой эффективностью и низкой скоростью наплавки (что приводит к высоким капитальным затратам). Вместо этого в 2007 году рынок фотоэлектрических модулей достиг примерно 4 гигаватт, причем почти 90% продаж составлял кристаллический кремний. По оценкам того же источника, в 2007 году было установлено около 3 гигаватт электроэнергии.
В течение этого периода теллурид кадмия и диселенид меди и индия или сплавы СНГ оставались в стадии разработки. Последний начинает производиться в объемах от 1 до 30 мегаватт в год из-за очень высокой эффективности ячеек небольшой площади, приближающейся к 20% в лаборатории. Ячейка CdTe эффективность приближается к 20% в лаборатории с рекордом 22,1% по состоянию на 2016 год.
Исследования в области CdTe восходят к 1950-м годам, потому что его ширина запрещенной зоны (~ 1,5 эВ) почти идеально соответствует распределению фотонов в солнечном спектре с точки зрения преобразования в электричество. Разработана простая конструкция гетероперехода, в которой CdTe p-типа сочетается с сульфидом кадмия n-типа (CdS). Ячейка была дополнена добавлением верхнего и нижнего контактов. Первыми лидерами эффективности клеток CdS / CdTe были GE в 1960-х, а затем Kodak, Monosolar, Matsushita и AMETEK.
Автор В 1981 году компания Kodak использовала сублимацию в ближнем пространстве (CSS) и изготовила первые 10% ячеек и первые многоячеечные устройства (12 ячеек, эффективность 8%, 30 см). Monosolar и AMETEK использовали электроосаждение, популярный ранний метод. Мацусита начал с трафаретной печати, но в 1990-х перешел на CSS. К началу 1980-х годов на компаниях Kodak, Matsushita, Monosolar и AMETEK были произведены элементы с эффективностью преобразования солнечного света в электричество примерно на 10%.
Важный шаг вперед произошел, когда размер ячеек был увеличен, чтобы производить продукцию с большей площадью называемые модулями. Для этих продуктов требуются более высокие токи, чем для небольших элементов, и было обнаружено, что дополнительный слой, называемый прозрачным проводящим оксидом (TCO), может облегчить движение тока через верх элемента (вместо металлической сетки). Один из таких TCO, оксид олова, был доступен для других целей (термически отражающие окна). Оксид олова, который стал более проводящим для фотоэлектрических модулей, стал и остается нормой в фотоэлектрических модулях CdTe.
В масштабах коммунального обслуживания Waldpolenz Solar Park в Германии используются фотоэлектрические модули CdTe CdTe-элементы, содержание которых в 1992 г. превышало 15% за счет добавления буферного слоя к стеку TCO / CdS / CdTe, а затем разбавления CdS пропускает больше света. Чу использовал резистивный оксид олова в качестве буферного слоя, а затем уменьшил толщину CdS с нескольких микрометров до менее половины микрометра. Толстый CdS, который использовался в предшествующих устройствах, блокировал около 5 мА / см света, или около 20% света, используемого устройством CdTe. Дополнительный слой не повлиял на другие свойства устройства.
В начале 1990-х другие игроки показали смешанные результаты. Golden Photon в течение короткого периода времени удерживал рекорд лучшего модуля CdTe, измеренный в NREL на уровне 7,7% с использованием метода напыления. Matsushita заявил об эффективности модуля 11% с использованием CSS, но затем отказался от этой технологии. Аналогичная эффективность и судьба в конечном итоге произошли с BP Solar. BP использовала электроосаждение (унаследованное от Monosolar окольным путем при покупке SOHIO, эквайера Monosolar). BP Solar отказалась от CdTe в ноябре 2002 года. Antec смогла произвести 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 производил фотоэлектрические модули CdTe.
Стартапы CdTe включают Calyxo (ранее принадлежала Q-Cells), PrimeStar Solar, в Арваде, Колорадо (приобретена First Solar у GE), Arendi (Италия). Их общий объем производства, включая Antec, составляет менее 70 мегаватт в год. Empa, Швейцарские федеральные лаборатории по испытаниям и исследованиям материалов, специализируется на разработке солнечных элементов на основе CdTe на гибких подложках и продемонстрировал эффективность элементов 13,5%. и 15,6% для гибкой пластиковой фольги и стеклянных подложек, соответственно.
Главный коммерческий успех был достигнут компанией Solar Cells Incorporated (SCI). Его основатель, Гарольд Макмастер, предполагал, что дешевые 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. Макмастер отстаивал CdTe за его высокоскоростную обработку с высокой пропускной способностью. SCI перешел от адаптации метода CSS, а затем перешел на перенос пара. В феврале 1999 года Макмастер продал компанию True North Partners, которая назвала ее First Solar.
. В первые годы своего существования First Solar терпела неудачи, и первоначальная эффективность модулей была скромной, около 7%. Коммерческий продукт стал доступен в 2002 году. В 2005 году производство достигло 25 мегаватт. Компания производила продукцию в Перрисбурге, Огайо и Германии. В 2013 году First Solar приобрела технологию тонкопленочных солнечных панелей GE в обмен на 1,8% акций компании. Сегодня First Solar производит более 3 гигаватт со средним КПД модуля 16,4% в 2016 году.
Солнечный элемент КПД В августе 2014 г. First Компания Solar анонсировала устройство с эффективностью преобразования 21,1% . В феврале 2016 года компания First Solar объявила, что достигла рекордной эффективности преобразования в 22,1% в своих элементах CdTe. В 2014 году рекордный КПД модуля был также увеличен First Solar с 16,1% до 17,0%. В то время компания прогнозировала средний КПД модуля производственной линии для своего CdTe PV к 2017 году, но к 2016 году они прогнозировали КПД модуля ближе к ~ 19,5%.
Поскольку CdTe имеет оптимальный диапазон зазор для однопереходных устройств, КПД, близкий к 20% (например, уже показанный в сплавах CIS), может быть достигнут в практических ячейках CdTe.
Оптимизация процесса повысила производительность и снизила затраты. Усовершенствования включают более широкие подложки (поскольку капитальные затраты масштабируются сублинейно и затраты на установку могут быть уменьшены), более тонкие слои (для экономии материала, электроэнергии и времени обработки) и более эффективное использование материала (для экономии материалов и затрат на очистку). Стоимость модуля CdTe в 2014 году составила около 72 долларов за 1 квадратный метр (11 квадратных футов) или около 90 долларов за модуль.
Эффективность модулей измеряется в лабораториях при стандартной температуре испытаний 25 ° C, однако полевые модули часто подвергаются гораздо более высоким температурам. Относительно низкий температурный коэффициент CdTe защищает характеристики при более высоких температурах. В фотоэлектрических модулях CdTe вдвое меньше по сравнению с модулями из кристаллического кремния, что приводит к увеличению годового выхода энергии на 5-9%.
Почти все тонкопленочные фотоэлектрические Модульные системы до настоящего времени не были слежением за солнечным светом, потому что мощность модуля была слишком низкой, чтобы компенсировать капитальные и эксплуатационные расходы трекера. Но относительно недорогие одноосные системы слежения могут увеличить выходную мощность на 25% на установленный ватт. Кроме того, в зависимости от прироста энергии Tracker, общая экологическая эффективность фотоэлектрической системы может быть повышена за счет снижения как системных затрат, так и воздействия на окружающую среду. 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 горнодобывающей, плавильной и нефтеперерабатывающей промышленности сульфидные руды цинка при рафинировании цинка, поэтому их производство не зависит от рыночного спроса на фотоэлектрические системы. Фотоэлектрические модули CdTe обеспечивают выгодное и безопасное использование кадмия, который в противном случае мог бы храниться для будущего использования или утилизироваться на свалках как опасные отходы. Побочные продукты горнодобывающей промышленности могут быть преобразованы в стабильное соединение CdTe и надежно заключены в солнечные модули CdTe PV на долгие годы. Значительный рост в секторе фотоэлектрических систем CdTe может снизить глобальные выбросы кадмия за счет вытеснения выработки электроэнергии из угля и нефти.
Теллур (Te) оценка производства и запасов зависит от неопределенности и значительно различаются. Теллур - редкий, умеренно токсичный металлоид, который в основном используется в качестве механической добавки к стали. Те почти исключительно получают как побочный продукт при рафинировании меди, в меньших количествах - при производстве свинца и золота. Доступно лишь небольшое количество, оцениваемое примерно в 800 метрических тонн в год. По данным USGS, мировое производство в 2007 году составило 135 метрических тонн. Для одного гигаватта (ГВт) фотоэлектрических модулей CdTe потребуется около 93 метрических тонн (при текущих значениях эффективности и толщины). За счет повышения эффективности использования материалов и увеличения объемов вторичного использования фотоэлектрических элементов, фотоэлектрическая промышленность CdTe может полностью полагаться на теллур из переработанных модулей с истекшим сроком службы к 2038 году. В последнее десятилетие новые источники были расположены, например, в Синьцзю, Китай, а также а также в Мексике и Швеции. В 1984 году астрофизики определили теллур как самый распространенный элемент во Вселенной, имеющий атомный номер более 40. Некоторые подводные хребты богаты теллуром.
Производство элемента CdTe включает тонкое покрытие из хлорида кадмия (CdCl. 2) для повышения общей эффективности элемента. Хлорид кадмия токсичен, относительно дорог и хорошо растворяется в воде, что создает потенциальную угрозу окружающей среде при производстве. В 2014 году исследования показали, что обильный и безвредный хлорид магния (MgCl. 2) работает так же хорошо, как и хлорид кадмия. Это исследование может привести к созданию более дешевых и безопасных клеток CdTe.
Сами по себе кадмий и теллур токсичны и канцерогены, но CdTe образует очень стабильную кристаллическую решетку, размер которой составляет несколько порядков. менее токсичен, чем кадмий. Стеклянные пластины, окружающие материал CdTe, зажатый между ними (как и во всех коммерческих модулях), герметизируют во время пожара и не допускают выделения кадмия, если стекло не разбито. Все другие виды использования и воздействия, связанные с кадмием, незначительны и аналогичны по своему характеру и величине воздействию других материалов в более широкой цепочке создания стоимости фотоэлектрических систем, например, токсичных газов, свинца припоя или растворителей (большинство из которых являются не используется в производстве CdTe).
Граница зерен - это граница раздела между двумя зернами кристаллического материала и возникает, когда два зерна встречаются. Они представляют собой разновидность кристаллического дефекта. Часто предполагается, что промежуток в разомкнутой цепи, наблюдаемый в CdTe, по сравнению как с монокристаллическим GaAs, так и с теоретическим пределом, может быть каким-то образом связан с границами зерен внутри материала. Однако был проведен ряд исследований, которые показали, что не только гигабайты 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, направленные на решение этого вопроса, продолжаются.
Фотоэлектрические модули могут длиться от 25 до 30 лет. Неправильная утилизация фотоэлектрических модулей может привести к выбросу токсичных материалов в окружающую среду. По состоянию на 2013 год для тонкопленочных фотоэлектрических модулей промышленно доступны только три метода переработки дорогостоящих материалов. SENSE (Оценка устойчивости систем солнечной энергии) и RESOLVED (Восстановление ценных материалов SOLar, обогащение и обеззараживание) являются процедурами, финансируемыми Европой. SENSE полагается на механическую, химическую и термическую обработку. RESOLVED полагается в основном на механическую обработку. Последний метод, First Solar, основан на механических и химических процессах. Механические методы переработки более безопасны для окружающей среды, поскольку они не зависят от использования химикатов.
Материалы, которые могут быть восстановлены в процессе переработки, включают металлы, оправы, стекло и, в особо ценных случаях, все Фотоэлектрический модуль.
По состоянию на 2013 год затраты на переработку модулей CdTe выше, чем перепродажа переработанных материалов. Однако возможные будущие методы рециркуляции могут снизить стоимость за счет сокращения дорогостоящих и экологически вредных процессов. Перспективные методы рециркуляции будущего включают вулканизацию - вакуумную перегонку и процесс Double Green. Вулканизация-вакуумная перегонка была предложена в качестве возможного процесса рециркуляции для получения Te и может извлекать Te с чистотой до 99,92%. Двойной экологичный процесс состоит почти полностью из механических процессов.
Из-за экспоненциального роста фотоэлектрических систем количество установленных во всем мире фотоэлектрических систем значительно увеличилось. First Solar создала первую глобальную и комплексную программу утилизации в фотоэлектрической отрасли в 2005 году. Ее перерабатывающие предприятия работают на каждом из заводов First Solar и восстанавливают до 95% полупроводникового материала для повторного использования в новых модулях и 90% стекла для повторного использования в новые изделия из стекла. Оценка жизненного цикла утилизации модуля CdTe, проведенная Штутгартским университетом, показала снижение потребности в первичной энергии в конце срока службы с 81 МДж / м до -12 МДж / м, сокращение примерно на 93 МДж / м, и в терминах потенциала глобального потепления с 6 кг CO2-эквивалента / м до -2,5 CO2-экв / м, что означает снижение примерно на -8,5 CO2-экв / м. Эти сокращения показывают очень благоприятное изменение общего экологического профиля фотоэлектрического модуля CdTe. LCA также показала, что основной вклад в рассматриваемые категории воздействия на окружающую среду обусловлен необходимыми химическими веществами и энергией в процессе обработки модулей CdTe.
небольшая фотоэлектрическая матрица, используемая в рамках исследования интеграции энергетических систем продолжается в Национальном центре ветроэнергетики (NWTC) Фотоэлектрические системы могут помочь в сокращении токсичных выбросов и загрязнения, вызываемого ископаемым топливом. Выбросы от ископаемого топлива, влияющие на глобальный климат, такие как оксид азота (NO x), диоксид углерода (CO 2) и Диоксид серы (SO 2) не выделяется из PV. 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.
Клетки CdTe считаются как токсичными, так и канцерогенными при вдыхании или проглатывании, поскольку Cd является токсичным соединением в соответствии с правилами охраны труда США. Администрация. Рабочие на перерабатывающих предприятиях могут подвергаться воздействию мелких частиц или паров Cd и вдыхать их.
Производственные мощности CdTe могут вызывать экологические проблемы при авариях на высокоэффективном производстве или из-за выхлопных газов менее эффективных методы производства.
В течение срока службы модуля он не выделяет никаких частиц или паров, если используется по назначению. Единственный способ выпустить пыль или пар для готового модуля - это зажечь его или растереть до мелкой пыли. При воздействии температур примерно 1100 ° C в лабораторных испытаниях выделялось от 0,4% до 0,6% содержания Cd.
Общие оценки выбросов Cd в атмосферу могут варьироваться от 0,02 до 0,5 граммов на гигаватт-час.
Ранние модули CdTe не работали, однако более свежие модели могут пройти некоторые тесты на элюцию. Несмотря на небольшое количество Cd, которое может вымываться, модули CdTe имеют низкую общую выщелачиваемость, поскольку опасные материалы внутри них заключены в два слоя стекла. Несмотря на свою низкую выщелачиваемость, модули CdTe обладают очень плохой способностью к биоразложению.
Солнечная ферма Topaz использует 9 миллионов модулей CdTe. В 2014 году это была крупнейшая в мире фотоэлектрическая электростанция. Успех фотоэлектрических панелей с теллуридом кадмия был достигнут благодаря низкой стоимости, достижимой с помощью технологии CdTe, которая стала возможной благодаря сочетанию адекватной эффективности с более низкой стоимостью модуля. Прямые производственные затраты на фотоэлектрические модули CdTe достигли 0,57 доллара США за ватт в 2013 году, а капитальные затраты на новый ватт мощности составляют около 0,9 доллара США за ватт (включая землю и здания).
Коммунальные услуги- Масштабные фотоэлектрические решения CdTe были заявлены как способные конкурировать с пиковыми источниками выработки ископаемого топлива в зависимости от уровней освещенности, процентных ставок и других факторов, таких как затраты на разработку. Недавние установки крупных фотоэлектрических систем First Solar CdTe были заявлены как конкурентоспособные с другими формами солнечной энергии:
Портал возобновляемых источников энергии 
Энергетический портал 
Экологический портал | journal =()