Майбутнє фотоелектричних технологій на основі телуриду кадмію

У своєму інтерв’ю з професором Арвінд Шахом з Федеральної політехнічної школи Лозанни і доцентом Алессандро Ромео з Університету Верони про проблеми та можливості фотоелектричних технологій на основі телуриду кадмію (CdTe). Вони заявили, що ще є потенціал для підвищення ефективності і зниження витрат, і стверджують, що токсичність кадмію не повинна розглядатися як серйозна проблема.

журнал pv: Професор Арвінд, в книзі “Сонячні елементи і модулі” ви присвятили більшу главу тонкоплівкових фотоелектричним технологіям, таким як сонячні батареї на основі телуриду кадмію (CdTe). Сонячні батареї, створені з використанням таких елементів, є єдиними тонкоплівковими продуктами, які змогли охопити всі сегменти ринку в сонячному секторі. Чому це так?

Арвінд Шах: Причини наступні: відносно висока ефективність, низькі ринкові ціни і присутність американського виробника First Solar в якості основного постачальника фотомодулів CdTe. (Вона) обґрунтовано заявляє про свою прихильність сталого виробництва фотоелектричних батарей, відповідальної практиці будівництва і мінімізації впливу своєї продукції на навколишнє середовище протягом усього життєвого циклу, починаючи з пошуку сировини і закінчуючи утилізацією в кінці терміну служби. Дійсно, утилізація в кінці життєвого циклу не передбачена ні на жодній іншій сонячній батареї.

Алессандро Ромео: CdTe – дуже міцний матеріал, який може бути успішно обложений за допомогою великої різноманітності методів осадження без проблем з вторинними фазами. Це унікальна особливість в панорамі тонкоплівкових сонячних панелей. Також, як і інші тонкоплівкові технології, модулі CdTe можуть бути виготовлені на чистому склі за допомогою процесу “все в лінію” при набагато нижчих температурах, ніж кристалічний кремній.

У порівнянні з модулями з кристалічного кремнію, продукція з телуриду кадмію може бути проведена за нижчою ціною і з більш простими виробничими процесами. Скільки можливостей для покращення ви очікуєте в цьому відношенні?

Шах: Наскільки я особисто можу судити, в виробничому процесі не так багато можливостей для подальшого вдосконалення.

Ромео: CdTe проводиться, в порівнянні з кристалічним кремнієм, у відносно невеликих масштабах. Кристалічний кремній виграв від великої кількості різних компаній, що беруть участь у великомасштабному виробництві, що значно знизило вартість виробництва одного вата. Тонкоплівкова сонячна технологія ще не отримала таких переваг. Однак в даний час витрати вже дуже конкурентноздатні в порівнянні з кристалічним кремнієм. Більш широке масштабування виробничих процесів зі збільшенням площі модуля і подальшим зниженням температури процесу ще більше знизить кінцеву вартість виробництва.

Яких поліпшень можна очікувати від цієї технології з точки зору продуктивності, ефективності та стійкості?

Шах: Я б очікував подальшого підвищення ефективності комерційних модулів, яка в найближче десятиліття може досягти 25%.

Ромео: Продуктивність CdTe була обмежена відносно низьким напругою розімкнутого ланцюга через високу компенсації дефектів, що знижує концентрацію носіїв. З цієї причини однією з основних тем досліджень є легування CdTe. При відповідному контрольованому легировании матеріалу ефективність генерації може бути поліпшена ще більше, аж до межі Шоклі-Квайссер, який становить більше 30%.

У минулому панелі CdTe страждали від нестабільності. Чи вважаєте ви, що ця проблема повністю подолана?

Шах: Існує достатньо доказів того, що проблема стабільності була подолана.

Ромео: Стабільність була проблемою до тих пір, поки в пристрої не контролювалася мідь, оскільки мідь має тенденцію дифундувати в матеріал з часом і руйнувати сонячний елемент. Але ця проблема була виразно вирішена шляхом застосування нового типу контактів, де мідь залишається вбудованої в зворотний контакт телуриду цинку (ZnTe). З тих пір осередку демонструють дивовижну стабільність. В даний час сертифікована деградація модулів CdTe становить 0,2% на рік.

Вважається, що в порівнянні з кристалічними кремнієвими модулями, сонячні панелі CdTe ефективніше зберігають ефективність при більш високих температурах. Як ви думаєте, чи існує ще цей розрив між двома технологіями?

Шах: фотомодулі CdTe мають чудову поведінку при високих температурах, з відносним температурним коефіцієнтом ефективності від -0,25% до -0,32% на градус Цельсія. Однак новітні фотоелектричні модулі з кристалічного кремнію, такі як TOPCon і модулі з гетеропереходів, мають аналогічні показники. З іншого боку, більш старі типи модулів з кристалічного кремнію мали відносні температурні коефіцієнти до -0,4% на градус Цельсія і були явно менш сприятливими, ніж модулі CdTe. Як показано в нашій книзі, температурний коефіцієнт модуля може бути поліпшений, якщо зменшити рекомбінацію і збільшити ефективність. У модулях CdTe більше можливостей для такого поліпшення, ніж в модулях з кристалічного кремнію. Тому ми можемо очікувати, що в майбутньому стануть доступні CdTe з набагато кращим високотемпературним поведінкою і відносним температурним коефіцієнтом до -0,2% на градус Цельсія.

Ромео: В даний час температурний коефіцієнт сонячних батарей CdTe становить -0,28% на градус Цельсія, що є одним з кращих показників на ринку. Ця перевага, властиве фізичними властивостями CdTe, збережеться.

Для такої технології правильний вибір содоізвесткового скла в якості підкладки є вирішальним фактором для досягнення низьких цін на модулі. Як це може вплинути на виробничі витрати? Які основні проблеми з цим видом підкладки?

Шах: Це не проблема, оскільки виробники скла по всьому світу в даний час здатні виробляти за дуже розумною ціною содово-вапняне скло, якість якого повністю підходить для модулів CdTe.

Ромео: Сонячні панелі CdTe в принципі можуть бути нанесені на будь-який тип недорогого содово-вапняного скла, якщо передні шари розроблені відповідним чином, так що це не є реальною проблемою.

В даний час використовується кілька видів технологій осадження CdTe. Які з них можуть переважати в майбутньому?

Шах: Ми очікуємо, що технологія осадження з парової фази (VTD), вже використовується сьогодні компанією First Solar, переважатиме і в майбутньому.

Ромео: Високотемпературні процеси, такі як VTD або сублімація в тісному просторі (CSS), можуть забезпечити більш високу ефективність. З цієї причини ці технології є кращими кандидатами на домінування в майбутньому виробництві модулів CdTe. Однак виробничі процеси з більш низькими температурами цікаві через більш низького споживання енергії і тому, що вони мають великий потенціал для використання в гнучких модулях.

Кадмій є токсичною сполукою і завжди викликав побоювання з приводу потенційного впливу модулів CdTe на навколишнє середовище. Чи вважаєте ви ці побоювання надмірними?

Шах: Сам по собі кадмій токсичний, але в поєднанні з телуриду він зовсім не токсичний. У нашій книзі ми наводимо докази того, що вкрай малоймовірно, навіть в разі катастроф, таких як пожежі, повені або інші непередбачені події, що модулі телуриду кадмію разложатся на кадмій і телур.

Ромео: Як пояснюється в нашій книзі, CdTe – це нерозчинний матеріал; він не розчиняється ні у воді, ні в інших розчинниках. З цієї причини ймовірність того, що розбиті шматочки цього матеріалу, залишені у воді або в грунті, можуть вивільнити кадмій, вкрай мала, що підтверджується різними науковими звітами. Крім того, слід нагадати, що це тонкоплівкова технологія, при якій у великому сонячному модулі площею 1 квадратний метр вміст кадмію нижче, ніж в нікель-кадмиевой батареї розміру ААА. Крім того, кадмій в сонячної осередку пов’язаний з телуром, на відміну від кадмію, що міститься в нікель-кадмиевой (Ni-Cd) батареї. Тому кадмій, що міститься в сонячному модулі, не становить загрози для навколишнього середовища.