Стивен КвокСолнечная технология на основе теллурида кадмия (CdTe) была впервые представлена в 1972 году, когда Боннет и Рабенхорст разработали гетеропереход CdS/CdTe, который позволил производить солнечные элементы из CdTe. Сначала панели CdTe достигли эффективности 6%, но по сей день эффективность утроилась.
Такие компании, как Kodak, Monosolar, AMETEK и многие другие, исследовали технологию CdTe. В настоящее время технология CdTe самая популярная технология тонкопленочных солнечных панелей и это предпочтительный вариант для 10 ведущих производителей тонкопленочных солнечных панелей в мире.
В этой статье мы подробно рассмотрим солнечные панели CdTe и все, что связано с этой технологией. Мы объясним материалы и процесс производства этих тонкопленочных солнечных панелей, возможные области применения и сравним их с другими технологиями.
Содержание
Что такое солнечная панель на основе теллурида кадмия (CdTe)?
Солнечные панели из теллурида кадмия являются самыми популярными тонкопленочными солнечными панелями, доступными на рынке. Они составляют около 5% солнечных панелей на мировом рынке и поставляются только второй после панели из кристаллического кремния.
Тонкопленочные солнечные панели CdTe настолько популярны, потому что они просты и недороги в производстве, что делает их идеальными для инвесторов. Панели CdTe имеют средний КПД 19%, но лабораторные испытания, проведенные First Solar, показали рекордный КПД для солнечных элементов CdTe 22.1%.
Понимание тонкопленочных солнечных панелей CdTe жизненно важно, чтобы знать истинные преимущества и возможные области применения этих тонкопленочных солнечных панелей. В этом разделе мы расскажем о материалах, производственном процессе и других интересных деталях солнечных панелей CdTe.
Материалы, используемые в тонкопленочных солнечных элементах и панелях CdTe
Элементы CdTe изготавливаются с использованием полупроводников, которые оптимизируют эффективность преобразования солнечного излучения в электричество. Солнечные элементы CdTe изготавливаются с использованием гетеропереходов p – n, содержащих слой теллурида кадмия, легированный p, и слой сульфида кадмия (CdS), легированный n, который также может быть изготовлен из оксида цинка магния (MZO).
Хотя эти материалы дешевы, они также могут быть токсичными и загрязнять окружающую среду при неправильной утилизации. Гринпис предупредил о токсичности и уровне загрязнения этих материалов, заявив, что панели CdTe содержат 6 г/м2 токсичных металлов, и они производят выбросы кадмия, эквивалентные 0.5 г/ГВтч. Есть также несколько проблем со здоровьем, связанных с этими материалами.
Помимо материалов, используемых для элементов CdTe, существуют и другие материалы, необходимые для изготовления тонкопленочных солнечных панелей CdTe. Эти материалы:
- Оксид олова, легированный фтором (SnO2:Ф)
- Теллурид цинка (ZnTe)
- Медь (Cu)
Процесс производства тонкопленочных солнечных панелей CdTe
Тонкопленочные солнечные панели CdTe состоят из трех основных частей: слоя для полупроводника, слоя для защиты и слоя проводимости. Эти части:
- Фотогальванический материал
- Токопроводящий лист
- Защитный слой
Каждая из этих секций жизненно важна для тонкопленочных солнечных панелей CdTe. Производственный процесс осуществляется с помощью другого набора методов, называемых методы осаждения. Используются различные типы методов: распыление, пиролиз с химическим распылением, электроосаждение или закрытый перенос паров (CVT). Материалы, используемые в каждой из этих частей тонкопленочных солнечных панелей CdTe, следующие:
Фотогальванический материал
Фотогальванический материал является частью тонкопленочной солнечной панели CdTe, которая преобразует солнечное излучение в энергию постоянного тока. Это изготавливается путем создания гетероперехода ap-n. Этот полупроводник требует осаждения слоя CdTe для секции с p-легированием и одного из CdS или MZO для секции с n-легированием.
Токопроводящий лист
Проводящий лист позволяет энергии постоянного тока течь между солнечными элементами, повышая напряжение и позволяя подключать панели CdTe к фотоэлектрическим (PV) системам. Эти слои требуют нанесения металлического слоя или углеродной пасты с введением меди (Cu) для создания проводимости в панели.
Защитный слой
Фотоэлектрические слои, как правило, очень хрупкие, поэтому тонкопленочные солнечные панели требуют защитного слоя. Вместо использования алюминиевой рамы и закаленного стекла этот слой, известный как слой прозрачного проводящего оксида (TCO), создается путем осаждения SnO.2:F или аналогичный материал. Слой TCO - это место, где осаждается поглотитель CdTe, что позволяет полностью защитить солнечный элемент.
Солнечные панели CdTe по сравнению с другими типами тонкопленочных панелей
Солнечные панели CdTe — не единственные тонкопленочные панели на рынке. Кроме них, есть еще три основных варианта:
- Солнечные панели из аморфного кремния (a-Si)
- Солнечные панели из селенида меди-индия-галлия (CIGS)
- Солнечные панели на основе арсенида галлия (GaAs)
Эти тонкопленочные солнечные панели и CdTe имеют много отличий. Чтобы лучше понять это, мы сравним каждую тонкопленочную солнечную панель с панелями CdTe, учитывая материалы, эффективность, применение и другие аспекты.
Аморфный кремний (a-Si) против солнечных панелей CdTe
Тонкопленочные солнечные панели A-Si менее эффективны, чем панели CdTe, достигая эффективности 6-7%. Поскольку солнечные панели a-Si дешевле и менее токсичны, чем другие варианты, они стали вторым по популярности вариантом тонкопленочных солнечных панелей.
Солнечные панели a-Si регулярно используются в небольшие приложения. Недавние разработки показывают многообещающие результаты для этих панелей в будущем, поскольку они могут быть интегрированы в одежду.
Производство солнечных панелей a-Si дешевле и проще, чем панелей CdTe, потому что для них требуется лишь часть кремния, чем для других панелей. Они изготавливаются методом испарения, позволяющим наносить тонкий полупроводниковый слой на стекло или нержавеющую сталь.
Селенид меди, индия, галлия (CIGS) и солнечные панели CdTe
Солнечные панели CIGS менее токсичны, чем CdTe, но все же представляют умеренную токсичность для дыхательных путей у человека. Эти тонкопленочные солнечные панели менее эффективны, чем CdTe, достигая эффективности 12-14%, но лабораторные исследования зафиксировали отличные результаты эффективности 20.4%.
Хотя производственные затраты на тонкопленочные солнечные панели CIGS не такие дешевые, как у CdTe, разрабатываются новые производственные процессы с более низкими затратами. Эти панели обычно изготавливаются путем напыления, испарения, электрохимического осаждения и ряда других процессов.
Тонкопленочные солнечные панели CIGS обычно используются в фасадах и окнах, поскольку они очень просты в установке и имеют довольно приличный КПД. Эти тонкопленочные солнечные панели предназначены для использования в космосе.
Арсенид галлия (GaAs) против солнечных панелей CdTe
Тонкопленочные солнечные панели GaAs могут достигать КПД 28.8%, что делает их самыми эффективными и долговечными тонкопленочными солнечными панелями, но они также и самые дорогие. GaAs немного менее токсичен, чем CdTe, но по-прежнему является вторым наиболее токсичным полупроводником в списке.
Процесс производства GaAs дороже и сложнее, чем CdTe. Эти панели требуют процесса выращивания на легированной подложке, после чего они покрываются просветляющими и металлизирующими материалами. В будущем тонкопленочные GaAs солнечные панели могут стоить намного меньше.
GaAs солнечные панели редко продаются на рынке. Эти тонкопленочные панели чаще используются для космических кораблей, военных транспортных средств, космических миссий и других специализированных приложений.
Солнечные панели CdTe против солнечных панелей из кристаллического кремния (за и против)
CdTe солнечные панели и кристаллические кремниевые солнечные панели это очень разные технологии. Чтобы узнать, какая из технологий является лучшей, мы сравним их, выделив и рассмотрев плюсы и минусы каждой из них для анализа.
| Солнечные панели из кристаллического кремния | CdTe солнечные панели | |
|---|---|---|
| Тип технологии |
| Теллурид кадмия (CdTe) |
| Температурный коэффициент | от -0.446 %/°C до -0.387 %/°C | -0.172% / ºC |
| Оперативность | 20% -25% | 19% |
| Совместимость с инверторами | Большинство инверторов на рынке рассчитаны на низкотемпературный коэффициент этих панелей. | Монтажники должны учитывать температуру в месте установки относительно температурного коэффициента. |
| Требуемое пространство | Стандартные требования | Требуется до 31% больше места на каждый установленный кВт |
| Ценовой диапазон | 0.70–1.50 долл. США/Ватт | 0.46 доллара за ватт |
| Приложения | Жилой/коммерческий/промышленный | Коммерческая / Промышленные |
Одним из основных преимуществ технологии CdTe является низкая стоимость производства. Панели CdTe можно найти по низкой цене 0.46 доллара за ватт, что на 70% дешевле, чем стоимость кристаллических панелей. Еще одним сильным преимуществом технологии CdTe является то, что она меньше пострадавших сильными перепадами температур, обеспечивая постоянно более высокое напряжение в фотоэлектрических системах.
Хотя кристаллические солнечные панели более эффективны, чем CdTe (что делает их более подходящими для жилых помещений), это не означает, что они больше подходят для всех типов установок. В некоторых промышленных приложениях в жаркую погоду солнечные фермы с панелями CdTe могут иметь потенциал для обеспечения более высокой выходной мощности, чем солнечные панели из кристаллического кремния.
Применение панели CdTe: когда использовать солнечные панели CdTe?
Несмотря на то, что панели CdTe не всегда являются лучшим вариантом для жилых помещений, эти панели довольно универсален для коммерческого и промышленного применения.
Солнечные панели CdTe на 1-6% менее эффективны, чем кристаллические модули, но и стоят на 70% ниже. Эти низкие цены делают CdTe отличной технологией для установок солнечных ферм, где пространство не является проблемой. Эти солнечные фермы могут производить более дешевую электроэнергию, чем электроэнергия на ископаемом топливе и даже солнечные фермы на основе кристаллического кремния.
Поскольку тонкопленочные солнечные панели CdTe более адаптируется к различным структурам, их можно устанавливать на разные самолеты и использовать для космических целей. Беспилотные летательные аппараты с этой технологией в космосе могут получить большие преимущества от панелей CdTe, поскольку они дешевы, адаптируются к форме и очень легкие.
Тонкопленочная технология CdTe очень перспективна. Эти панели отлично подходят для промышленного и коммерческого применения, и их даже можно будет установить в будущем. на крыше электромобилей (EV) поскольку их можно легко установить на нестандартные конструкции, такие как капот или крыша автомобиля.
Заключительные слова
Не должно быть никаких сомнений относительно популярности технологии CdTe как лучшей тонкопленочной солнечной панели. Эти модули дешевы, легки, прочны, обладают высокой эффективностью и просты в изготовлении, что делает их превосходными для широкого спектра применений.
Хотя солнечные панели CdTe до сих пор широко не используются в жилых помещениях, они все еще используются в коммерческом и промышленном секторах.
Будущее тонкопленочных солнечных панелей CdTe очень перспективно. Эти панели являются предпочтительным вариантом для космических самолетов, некоторых солнечных ферм, и мы могли бы даже увидеть их на крышах электромобилей в будущем.
Есть ли существенная разница в ожидаемом «сроке службы» (пригодное использование) между CdTe и панелями из кристаллов кремния?
Поскольку CdTe является материалом с прямой запрещенной зоной, он вырабатывает энергию от заката до рассвета. Кроме того, он способен использовать видимый и рассеянный свет. Вы используете материалы, которые используют большую часть светового спектра для производства энергии. Кремний требует, чтобы вы облучали массу кремния, пока у вас не будет достаточно энергии, чтобы освободить несколько электронов. Это материал с непрямой запрещенной зоной, и если бы мы сравнивали панели CDTE, они были бы в 150 раз тоньше, чем ячейка Si. Когда вы измеряете солнечную панель в STC, модель STC предназначена для обеспечения достаточного количества световой энергии, чтобы активировать силиконовую панель, чтобы заставить ее работать. Тестирование STC — это костыль, чтобы заставить кремниевые панели работать. Таким образом, CdTe будет производить больше энергии при меньшем количестве света в течение всего дня.
Дешевле в коммунальном масштабе, но монокристаллические кремниевые панели тоже. Предполагаемые затраты на крышу жилых домов будут немного отличаться, особенно если CdTe потребует еще несколько панелей.
Продавцы солнечных батарей, как правило, увеличивают свою наценку на основе той, которую установили кремниевые панели. Прочие расходы (инвертор, установка, разрешение) остаются прежними.