Команда Университета штата Вашингтон разработала более эффективный, безопасный и экономичный способ производства материала теллурида кадмия (CdTe) для солнечных элементов и других приложений. Это открытие может продвинуть солнечную промышленность и сделать ее более конкурентоспособный.
Исследователи показали, что они могут быстро вырастить большое количество материала CdTe высокой чистоты - кристалл размером более килограмма за один день - что считается молниеносным в отрасли. Этот метод, в котором используется печь высокого давления для производства большого количества необходимого сырья для кристаллов, на 45 % более рентабельный, чем отраслевой стандарт, и является масштабируемым, что может сделать солнечную технологию CdTe менее дорогой, чем природный газ. Полученный кристаллический материал также имеет лучшие электрические свойства, чем те, которые доступны в настоящее время.
Работая в сотрудничестве с Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL) и отраслевым партнером Nious Technologies, Inc., исследователи сообщают о своей работе в Journal of Crystal Growth.
Фотоэлектрические элементы CdTe - это более новая технология, чем популярные кремниевые солнечные элементы, и они конкурентоспособны с точки зрения эффективности. Они также лучше работают в жаркую и влажную погоду. Хотя солнечные элементы CdTe могут обеспечить значительные преимущества по стоимости и эффективности по сравнению с кремнием, в настоящее время они составляют менее 10 % рынка солнечной энергии, в основном в коммунальном масштабе. В частности, современные методы производства медленные, дорогостоящие, громоздкие и не обеспечивают гибкости для настройки.
«Сейчас наблюдается огромный перекос в производстве сырья», - сказал Сантош Суэйн, доцент-исследователь Института исследования материалов и соавтор статьи.«Солнечная промышленность неуклонно повышает эффективность устройств и их производство, но дальнейшее повышение эффективности и снижение затрат требуют улучшения свойств материала CdTe».
Текущий производственный процесс включает в себя приготовление материала CdTe в герметичной стеклянной трубке для сдерживания реакции. Это занимает много времени, трубки нельзя использовать повторно, а кварцевое стекло ограничено по количеству тепла, массы и давления, которое оно может выдержать. Из-за опасений по поводу взрыва материала промышленность ограничена размером кристаллов, которые они могут выращивать. Чтобы сделать солнечные элементы, кристаллы затем напыляются на стеклянную подложку, чтобы получить очень тонкие пленки.
В новой технологии используется прочный графитовый тигель, а материал выпекается в печи Бриджмена высокого давления. Среда высокого давления полностью исключает возможность взрыва, а также позволяет исследователям легко добавлять в процессе производства дополнительные материалы высокой концентрации, называемые легирующими примесями, которые улучшают характеристики материала. В 2016 году исследовательская группа WSU в сотрудничестве с NREL и Университетом Теннесси значительно улучшила технологию CdTe, добавив фосфор в качестве легирующей примеси, преодолев ограничение в 1 вольт, которое преследовалось в течение шести десятилетий. Для этого проекта исследователи добавили мышьяк в качестве легирующей примеси.
Добавление легколетучих присадок в процессе производства исходного сырья также устраняет необходимость в легировании после нанесения пленки, что может вызвать проблемы с неоднородностью, сказал Тавфик Аль-Хамди, аспирант и ведущий автор статьи.
«Допинг - это ключевая стратегия», - сказал соавтор Сет Макферсон. «При давлении 80 атмосфер вы действительно можете запихнуть легирующие примеси в материал, и вам не нужно беспокоиться о том, что они испарятся из кристалла или иным образом улетучатся из системы».
Исследователи создали кристаллы размером 1,2 кг, но потенциально могут создавать кристаллы весом до 20 кг.
Проект финансировался Министерством энергетики.