Cadmiumtellurid

Hintergrund

CdTe-Solarzellen sind nach kristallinem Silizium die zweithäufigste Photovoltaik (PV)-Technologie auf dem Weltmarkt und machen derzeit 5 % des Weltmarktes aus. CdTe-Dünnschicht-Solarzellen können schnell und kostengünstig hergestellt werden und stellen eine kostengünstigere Alternative zu herkömmlichen Technologien auf Siliziumbasis dar. Der Rekordwirkungsgrad für eine CdTe-Laborsolarzelle liegt bei 22,1 % von First Solar, während First Solar vor kurzem seinen durchschnittlichen kommerziellen Modulwirkungsgrad für Ende 2015 mit 16,1 % angab.

Forschungsrichtungen

In aktuellen Projekten werden höhere Zellwirkungsgrade angestrebt, indem die Kristallqualität erhöht, die Dotierung verbessert und die Lebensdauer der Minoritätsträger erhöht wird. Die Hersteller untersuchen auch die Möglichkeit der Wiederverwendung und des Recyclings von Materialien, um Bedenken hinsichtlich der Toxizität und der Materialknappheit zu zerstreuen.

Im Folgenden erfahren Sie mehr über die Preisträger des DOE Solar Energy Technologies Office und die Projekte, die CdTe betreffen.

• Arizona State University (Photovoltaikforschung und -entwicklung)
• Washington State University (Photovoltaikforschung und -entwicklung)
• Texas State University (Photovoltaikforschung und -entwicklung)
• Colorado State University (Forschung und Entwicklung im Bereich der Photovoltaik)
• University of Illinois at Chicago (Forschung und Entwicklung im Bereich der Photovoltaik)
• Colorado State University (Forschung und Entwicklung im Bereich der Photovoltaik: Small Innovative Projects in Solar)
• Colorado State University (Foundational Program to Advance Cell Efficiency)
• National Renewable Energy Laboratory (Foundational Program to Advance Cell Efficiency)
• Oak Ridge National Laboratory (Foundational Program to Advance Cell Efficiency)
• University of Chicago (Next Generation Photovoltaics II Projects)
• University of Illinois at Urbana-Champaign (Foundational Program to Advance Cell Efficiency)
• University of Illinois (Bridging Research Interactions through collaborative Development Grants in Energy)
• University of South Florida (Foundational Program to Advance Cell Efficiency)

Vorteile

Zu den Vorteilen von CdTe-Dünnschichtsolarzellen gehören:

• Hohe Absorption: Cadmiumtellurid ist ein Material mit direkter Bandlücke und einer Bandlückenenergie von etwa 1,45 definiert (eV), was gut an das Sonnenspektrum angepasst ist und nahezu optimal für die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität mit einem einzigen Übergang ist.
• Günstige Herstellung: Cadmiumtellurid-Solarzellen werden mit einer kostengünstigen Fertigungstechnologie hergestellt.

Herstellung

Die gängigsten CdTe-Solarzellen bestehen aus einer einfachen p-n-Heteroübergangsstruktur mit einer p-dotierten CdTe-Schicht und einer n-dotierten Cadmiumsulfid (CdS)-Schicht, die als Fensterschicht dient. Diese Struktur ähnelt dem Heteroübergang in CIGS-Zellen. Wie bei den meisten Dünnschicht-Solartechnologien erfolgt die Ladungsträgersammlung durch Drift oder feldunterstützte Sammlung.

Zu den typischen CdTe-Dünnschicht-Abscheidungstechniken gehören: Sublimation in engen Abständen, Abscheidung aus der Gasphase, physikalische Abscheidung aus der Gasphase, Sputter-Abscheidung, Elektroabscheidung, metallorganische chemische Abscheidung aus der Gasphase, Sprühabscheidung und Siebdruck-Abscheidung.

CdTe-Solarzellen werden durch Hinzufügen eines hochwertigen transparenten leitfähigen Oxids (TCO) – in der Regel fluordotiertes Zinnoxid (SnO2:F) – und eines elektrischen Rückkontakts – in der Regel eine Metall- oder Kohlenstoffpaste mit Kupfer (Cu) – vervollständigt. Ein Nachteil der Verwendung von Cu im Rückkontakt ist die allmähliche Diffusion von Cu-Atomen in die CdTe- und CdS-Schichten, wodurch Defekte entstehen und die Cu-Akkumulation am CdTe/CdS-Übergang gefördert wird.

Die Gesamtleistung von CdTe-Solarzellen wurde nach der Entdeckung einer Cadmiumchlorid (CdCl2)-Dampfbehandlung erheblich verbessert. Dieser Glühprozess wird in Gegenwart von Sauerstoff bei Temperaturen nahe 390 °C durchgeführt, nachdem die CdTe-Schicht auf der CdS-Schicht aufgewachsen ist und vor der Abscheidung des Rückkontakts. Die CdCl2-Behandlung hat positive Auswirkungen auf die CdTe-Solarzelle, wie z. B. das Wachstum größerer CdTe-Körner und die Passivierung von Defekten.

Weitere Informationen über Cadmiumtellurid-Solarzellen finden Sie auf der Website Energy Basics.