Будущее фотоэлектрических технологий на основе теллурида кадмия
В своем интервью с профессором Арвиндом Шахом из Федеральной политехнической школы Лозанны и доцентом Алессандро Ромео из Университета Вероны о проблемах и возможностях фотоэлектрических технологий на основе теллурида кадмия (CdTe). Они заявили, что еще есть потенциал для повышения эффективности и снижения затрат, и утверждают, что токсичность кадмия не должна рассматриваться как серьезная проблема.
журнал pv: Профессор Арвинд, в книге «Солнечные элементы и модули» вы посвятили большую главу тонкопленочным фотоэлектрическим технологиям, таким как солнечные батареи на основе теллурида кадмия (CdTe). Солнечные батареи , созданные с использованием таких элементов, являются единственными тонкопленочными продуктами, которые смогли охватить все сегменты рынка в солнечном секторе. Почему это так?
Арвинд Шах: Причины следующие: относительно высокая эффективность, низкие рыночные цены и присутствие американского производителя First Solar в качестве основного поставщика фотомодулей CdTe. (Она) обоснованно заявляет о своей приверженности устойчивому производству фотоэлектрических батарей, ответственной практике строительства и минимизации воздействия своей продукции на окружающую среду на протяжении всего жизненного цикла, начиная с поиска сырья и заканчивая утилизацией в конце срока службы. Действительно, утилизация в конце жизненного цикла не предусмотрена ни для одной другой солнечной батареи.
Алессандро Ромео: CdTe — очень прочный материал, который может быть успешно осажден с помощью большого разнообразия методов осаждения без проблем с вторичными фазами. Это уникальная особенность в панораме тонкопленочных солнечных панелей. Также, как и другие тонкопленочные технологии, модули CdTe могут быть изготовлены на чистом стекле с помощью процесса «все в линию» при гораздо более низких температурах, чем кристаллический кремний.
По сравнению с модулями из кристаллического кремния, продукция из теллурида кадмия может быть произведена по более низкой цене и с более простыми производственными процессами. Сколько возможностей для улучшения вы ожидаете в этом отношении?
Шах: Насколько я лично могу судить, в производственном процессе не так много возможностей для дальнейшего совершенствования.
Ромео: CdTe производится, по сравнению с кристаллическим кремнием, в относительно небольших масштабах. Кристаллический кремний выиграл от большого количества различных компаний, участвующих в крупномасштабном производстве, что значительно снизило стоимость производства одного ватта. Тонкопленочная солнечная технология еще не получила таких преимуществ. Однако в настоящее время затраты уже очень конкурентоспособны по сравнению с кристаллическим кремнием. Более широкое масштабирование производственных процессов с увеличением площади модуля и дальнейшим снижением температуры процесса еще больше снизит конечную стоимость производства.
Каких улучшений можно ожидать от этой технологии с точки зрения производительности, эффективности и устойчивости?
Шах: Я бы ожидал дальнейшего повышения эффективности коммерческих модулей, которая в ближайшее десятилетие может достигнуть 25%.
Ромео: Производительность CdTe была ограничена относительно низким напряжением разомкнутой цепи из-за высокой компенсации дефектов, что снижает концентрацию носителей. По этой причине одной из основных тем исследований является легирование CdTe. При соответствующем контролируемом легировании материала эффективность генерации может быть улучшена еще больше, вплоть до предела Шокли-Квайссера, который составляет более 30%.
В прошлом панели CdTe страдали от нестабильности. Считаете ли вы, что эта проблема полностью преодолена?
Шах: Существует достаточно доказательств того, что проблема стабильности была преодолена.
Ромео: Стабильность была проблемой до тех пор, пока в устройстве не контролировалась медь, поскольку медь имеет тенденцию диффундировать в материал со временем и разрушать солнечный элемент. Но эта проблема была определенно решена путем применения нового типа контактов, где медь остается встроенной в обратный контакт теллурида цинка (ZnTe). С тех пор ячейки демонстрируют удивительную стабильность. В настоящее время сертифицированная деградация модулей CdTe составляет 0,2% в год.
Считается, что по сравнению с кристаллическими кремниевыми модулями, солнечные панели CdTe эффективнее сохраняют эффективность при более высоких температурах. Как вы думаете, существует ли еще этот разрыв между двумя технологиями?
Шах: фотомодули CdTe имеют превосходное поведение при высоких температурах, с относительным температурным коэффициентом эффективности от -0,25% до -0,32% на градус Цельсия. Однако новейшие фотоэлектрические модули из кристаллического кремния, такие как TOPCon и модули с гетеропереходом, имеют аналогичные показатели. С другой стороны, более старые типы модулей из кристаллического кремния имели относительные температурные коэффициенты до -0,4 % на градус Цельсия и были явно менее благоприятными, чем модули CdTe. Как показано в нашей книге, температурный коэффициент модуля может быть улучшен, если уменьшить рекомбинацию и увеличить эффективность. В модулях CdTe больше возможностей для такого улучшения, чем в модулях из кристаллического кремния. Поэтому мы можем ожидать, что в будущем станут доступны CdTe с гораздо лучшим высокотемпературным поведением и относительным температурным коэффициентом до -0,2% на градус Цельсия.
Ромео: В настоящее время температурный коэффициент солнечных батарей CdTe составляет -0,28% на градус Цельсия, что является одним из лучших показателей на рынке. Это преимущество, присущее физическим свойствам CdTe, сохранится.
Для такой технологии правильный выбор содоизвесткового стекла в качестве подложки является решающим фактором для достижения низких цен на модули. Как это может повлиять на производственные затраты? Каковы основные проблемы с этим видом подложки?
Шах: Это не проблема, поскольку производители стекла по всему миру в настоящее время способны производить по очень разумной цене содово-известковое стекло, качество которого полностью подходит для модулей CdTe.
Ромео: Солнечные панели CdTe в принципе могут быть нанесены на любой тип недорогого содово-известкового стекла, если передние слои разработаны соответствующим образом, так что это не является реальной проблемой.
В настоящее время используется несколько видов технологий осаждения CdTe. Какие из них могут преобладать в будущем?
Шах: Мы ожидаем, что технология осаждения из паровой фазы (VTD), уже используемая сегодня компанией First Solar, будет преобладать и в будущем.
Ромео: Высокотемпературные процессы, такие как VTD или сублимация в тесном пространстве (CSS), могут обеспечить более высокую эффективность. По этой причине эти технологии являются лучшими кандидатами на доминирование в будущем производстве модулей CdTe. Однако производственные процессы с более низкими температурами интересны из-за более низкого потребления энергии и потому, что они имеют большой потенциал для использования в гибких модулях.
Кадмий является токсичным соединением и всегда вызывал опасения по поводу потенциального воздействия модулей CdTe на окружающую среду. Считаете ли вы эти опасения чрезмерными?
Шах: Сам по себе кадмий токсичен, но в соединении с теллуридом он совсем не токсичен. В нашей книге мы приводим доказательства того, что крайне маловероятно, даже в случае катастроф, таких как пожары, наводнения или другие непредвиденные события, что модули теллурида кадмия разложатся на кадмий и теллур.
Ромео: Как объясняется в нашей книге, CdTe — это нерастворимый материал; он не растворяется ни в воде, ни в других растворителях. По этой причине вероятность того, что разбитые кусочки этого материала, оставленные в воде или в почве, могут высвободить кадмий, крайне мала, что подтверждается различными научными отчетами. Кроме того, следует напомнить, что это тонкопленочная технология, при которой в большом солнечном модуле площадью 1 квадратный метр содержание кадмия ниже, чем в никель-кадмиевой батарее размера ААА. Кроме того, кадмий в солнечной ячейке связан с теллуром, в отличие от кадмия, содержащегося в никель-кадмиевой (Ni-Cd) батарее. Поэтому кадмий, содержащийся в солнечном модуле, не представляет угрозы для окружающей среды.