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Matriz fotovoltaica hecha de paneles solares de telururo de cadmio (CdTe)

La tecnología fotovoltaica de telururo de cadmio ( CdTe ) describe una tecnología fotovoltaica (PV) que se basa en el uso de telururo de cadmio en una fina capa semiconductora diseñada para absorber y convertir la luz solar en electricidad. [1] El telururo de cadmio fotovoltaico es la única tecnología de película delgada con costos más bajos que las células solares convencionales hechas de silicio cristalino en sistemas de varios kilovatios. [1] [2] [3]

Sobre la base del ciclo de vida, CdTe PV tiene la menor huella de carbono, el menor uso de agua y el menor tiempo de recuperación de energía de cualquier tecnología fotovoltaica actual. [4] [5] [6] El tiempo de recuperación de energía de CdTe de menos de un año permite reducciones de carbono más rápidas sin déficits de energía a corto plazo.

La toxicidad del cadmio es una preocupación ambiental mitigada por el reciclaje de los módulos de CdTe al final de su vida útil, [7] aunque todavía existen incertidumbres con respecto al reciclaje de los módulos de CdTe [8] [9] y la opinión pública es escéptica hacia esta tecnología. [10] [11] El uso de materiales raros también puede convertirse en un factor limitante para la escalabilidad industrial de la tecnología CdTe en el futuro a mediano plazo. La abundancia de telurio, del cual el telururo es la forma aniónica , es comparable a la del platino en la corteza terrestre y contribuye significativamente al costo del módulo. [12]

Los fotovoltaicos CdTe se utilizan en algunas de las centrales fotovoltaicas más grandes del mundo , como Topaz Solar Farm . Con una participación del 5,1% de la producción fotovoltaica mundial, la tecnología CdTe representó más de la mitad del mercado de película delgada en 2013. [13] Un fabricante destacado de tecnología de película delgada CdTe es la empresa First Solar , con sede en Tempe, Arizona .

Antecedentes [ editar ]

Sección transversal de una célula solar de película fina de CdTe.

La tecnología fotovoltaica dominante siempre se ha basado en obleas de silicio cristalino . Las películas delgadas y los concentradores fueron los primeros intentos de reducir los costos. Las películas delgadas se basan en el uso de capas semiconductoras más delgadas para absorber y convertir la luz solar. Los concentradores reducen el número de paneles mediante el uso de lentes o espejos para poner más luz solar en cada panel.

La primera tecnología de película delgada que se desarrolló ampliamente fue el silicio amorfo . Sin embargo, esta tecnología adolece de bajas eficiencias y tasas de deposición lentas (lo que genera altos costos de capital). En cambio, el mercado fotovoltaico alcanzó unos 4 gigavatios en 2007 y el silicio cristalino representó casi el 90% de las ventas. [14] La misma fuente estimó que se instalaron alrededor de 3 gigavatios en 2007.

Durante este período, el telururo de cadmio y el diselenuro de cobre e indio o aleaciones CIS permanecieron en desarrollo. Este último está comenzando a producirse en volúmenes de 1 a 30 megavatios por año debido a las eficiencias muy altas de las células en áreas pequeñas que se acercan al 20% en el laboratorio. [15] La eficiencia de las células de CdTe se acerca al 20% en el laboratorio con un récord del 22,1% en 2016. [16]

Historia [ editar ]

La investigación en CdTe se remonta a la década de 1950, [17] [18] [19] [20] [21] [22] porque su banda prohibida (~ 1,5 eV) es casi una combinación perfecta con la distribución de fotones en el espectro solar en términos de conversión a electricidad. Se desarrolló un diseño de heterounión simple en el que el CdTe de tipo p se emparejó con el sulfuro de cadmio de tipo n (CdS). La celda se completó agregando contactos superiores e inferiores. Los primeros líderes en la eficiencia de las células CdS / CdTe fueron GE en la década de 1960, y luego Kodak , Monosolar, Matsushita y AMETEK. [ cita requerida ]

En 1981, Kodak utilizó la sublimación de espacio cerrado (CSS) y fabricó las primeras celdas al 10% [ aclaración necesaria ] y los primeros dispositivos multicelulares (12 celdas, 8% de eficiencia, 30 cm 2 ). [23] Monosolar [24] y AMETEK [25] utilizaron electrodeposición , un método temprano popular. Matsushita comenzó con la serigrafía, pero cambió a CSS en la década de 1990. A principios de la década de 1980 se produjeron células con una eficiencia de aproximadamente el 10% de luz solar a electricidad en Kodak, Matsushita, Monosolar y AMETEK. [26]

Se produjo un importante paso adelante cuando las celdas se ampliaron en tamaño para hacer productos de área más grande llamados módulos. Estos productos requerían corrientes más altas que las celdas pequeñas y se encontró que una capa adicional, llamada óxido conductor transparente (TCO), podría facilitar el movimiento de la corriente a través de la parte superior de la celda (en lugar de una rejilla metálica). Uno de esos TCO, el óxido de estaño , estaba disponible para otros usos (ventanas térmicamente reflectantes). Hecho más conductor para PV, el óxido de estaño se convirtió y sigue siendo la norma en los módulos PV CdTe.

El parque solar Waldpolenz a escala de servicios públicos en Alemania utiliza módulos fotovoltaicos CdTe

Las células CdTe lograron más del 15% [ aclaración necesaria ] en 1992 al agregar una capa de amortiguación a la pila de TCO / CdS / CdTe y luego adelgazar el CdS para admitir más luz. Chu utilizó óxido de estaño resistivo como capa amortiguadora y luego diluyó el CdS de varios micrómetros a menos de medio micrómetro de espesor. El CdS grueso, como se usaba en dispositivos anteriores, bloqueaba aproximadamente 5 mA / cm 2 de luz, o aproximadamente el 20% de la luz utilizable por un dispositivo CdTe. La capa adicional no comprometió las otras propiedades del dispositivo. [26]

A principios de la década de 1990, otros jugadores experimentaron resultados mixtos. [26] Golden Photon mantuvo el récord durante un corto período del mejor módulo de CdTe medido en NREL al 7.7% utilizando una técnica de deposición por aspersión. Matsushita reclamó una eficiencia del módulo [ aclaración necesaria ] del 11% utilizando CSS y luego abandonó la tecnología. Una eficiencia y un destino similares eventualmente ocurrieron en BP Solar. BP utilizó la electrodeposición (heredada de Monosolar por una ruta tortuosa cuando compró SOHIO , la adquirente de Monosolar). BP Solar eliminó el CdTe en noviembre de 2002. [27]Antec pudo fabricar módulos con una eficiencia de aproximadamente un 7%, pero quebró cuando comenzó a producir comercialmente durante una breve y brusca caída del mercado en 2002. Sin embargo, en 2014 Antec todavía fabricaba módulos fotovoltaicos de CdTe. [28]

Entre las empresas emergentes de CdTe se incluyen Calyxo [29] (anteriormente propiedad de Q-Cells), PrimeStar Solar , en Arvada, Colorado (adquirida por First Solar de GE), [30] Arendi (Italia). [ cita requerida ] Incluyendo Antec, su producción total representa menos de 70 megavatios por año. [31] Empa , Laboratorios Federales Suizos para Pruebas e Investigación de Materiales, se enfoca en el desarrollo de células solares CdTe en sustratos flexibles y demostró eficiencias celulares del 13.5% y 15.6% para sustratos de vidrio y láminas de plástico flexible , respectivamente. [32]

SCI y First Solar [ editar ]

El mayor éxito comercial fue de Solar Cells Incorporated (SCI). Su fundador, Harold McMaster , imaginó películas delgadas de bajo costo hechas a gran escala. Después de probar el silicio amorfo, se cambió a CdTe a instancias de Jim Nolan y fundó Solar Cells Inc., que más tarde se convirtió en First Solar . [33] McMaster defendió a CdTe por su procesamiento de alta velocidad y alto rendimiento. SCI cambió de una adaptación del método CSS y luego cambió al transporte de vapor. [34] En febrero de 1999, McMaster vendió la empresa a True North Partners, quien la llamó First Solar . [35]

En sus primeros años, First Solar sufrió reveses y las eficiencias iniciales de los módulos fueron modestas, alrededor del 7%. El producto comercial estuvo disponible en 2002. La producción alcanzó los 25 megavatios en 2005. [36] La empresa fabricaba en Perrysburg, Ohio y Alemania. [37] En 2013, First Solar adquirió la tecnología de paneles solares de película delgada de GE a cambio de una participación del 1,8% en la empresa. [38] En la actualidad, First Solar fabrica más de 3 gigavatios con una eficiencia de módulo promedio del 16,4% en 2016. [39]

Tecnología [ editar ]

Eficiencia celular [ editar ]

Eficiencias de las células solares

En agosto de 2014, First Solar anunció un dispositivo con una eficiencia de conversión del 21,1% . [40] En febrero de 2016, First Solar anunció que había alcanzado una eficiencia de conversión récord del 22,1% en sus células CdTe. En 2014, First Solar también aumentó la eficiencia récord del módulo del 16,1% al 17,0%. [41] En este momento, la compañía proyectó que la eficiencia promedio del módulo de la línea de producción para su CdTe PV sería del 17% para 2017, pero para 2016, predijeron una eficiencia del módulo más cercana a ~ 19,5%. [42] [43]

Dado que CdTe tiene la banda prohibida óptima para dispositivos de unión simple, se pueden lograr eficiencias cercanas al 20% (como ya se muestra en las aleaciones CIS) en las células prácticas de CdTe. [44]

Optimización de procesos [ editar ]

La optimización del proceso mejoró el rendimiento y redujo los costos. Las mejoras incluyeron sustratos más amplios (ya que los costos de capital escalan de manera sublineal y los costos de instalación se pueden reducir), capas más delgadas (para ahorrar material, electricidad y tiempo de procesamiento) y una mejor utilización del material (para ahorrar materiales y costos de limpieza). Los costos de los módulos de CdTe en 2014 fueron de aproximadamente $ 72 por metro cuadrado (11 pies cuadrados), [45] o aproximadamente $ 90 por módulo. [ cita requerida ]

Temperatura ambiente [ editar ]

Las eficiencias de los módulos se miden en laboratorios a temperaturas de prueba estándar de 25 ° C; sin embargo, en el campo, los módulos a menudo están expuestos a temperaturas mucho más altas. El coeficiente de temperatura relativamente bajo de CdTe protege el rendimiento a temperaturas más altas. [46] [47] [48] Los módulos fotovoltaicos de CdTe experimentan la mitad de la reducción de los módulos de silicio cristalino, lo que resulta en un aumento de la producción de energía anual del 5 al 9%. [49]

Seguimiento solar [ editar ]

Casi todos los sistemas de módulos fotovoltaicos de película delgada hasta la fecha han sido de seguimiento no solar , porque la salida del módulo era demasiado baja para compensar los costos operativos y de capital del seguidor. Pero los sistemas de seguimiento de un solo eje relativamente económicos pueden agregar un 25% de salida por vatio instalado. [50] Además, dependiendo del Tracker Energy Gain, la ecoeficiencia global del sistema fotovoltaico puede mejorarse reduciendo tanto los costes del sistema como el impacto medioambiental. [51] Esto depende del clima. El seguimiento también produce una meseta de salida más suave alrededor del mediodía, mejor igualando los picos de la tarde.

Materiales [ editar ]

Cadmio [ editar ]

El cadmio (Cd) , un metal pesado tóxico considerado una sustancia peligrosa, es un subproducto de desecho de la extracción, fundición y refinación de minerales sulfídicos de zinc durante el refinado de zinc y, por lo tanto, su producción no depende de la demanda del mercado fotovoltaico. Los módulos fotovoltaicos de CdTe brindan un uso beneficioso y seguro para el cadmio que, de otro modo, se almacenaría para uso futuro o se eliminaría en vertederos como desechos peligrosos. Los subproductos de la minería se pueden convertir en un compuesto de CdTe estable y encapsularse de manera segura dentro de los módulos solares fotovoltaicos de CdTe durante años. Un gran crecimiento en el sector fotovoltaico de CdTe tiene el potencial de reducir las emisiones globales de cadmio al desplazar la generación de energía de carbón y petróleo. [52]

Telurio [ editar ]

La producción y las estimaciones de reservas de telurio (Te) están sujetas a incertidumbre y varían considerablemente. El telurio es un metaloide poco común y levemente tóxico que se utiliza principalmente como aditivo de mecanizado para el acero . El té se obtiene casi exclusivamente como un subproducto del refinado de cobre, con cantidades más pequeñas de la producción de plomo y oro. Sólo se dispone de una pequeña cantidad, estimada en unas 800 toneladas métricas [53] por año. Según USGS , la producción mundial en 2007 fue de 135 toneladas métricas. [54] Un gigavatio (GW) de módulos fotovoltaicos de CdTe requeriría alrededor de 93 toneladas métricas (con las eficiencias y espesores actuales). [55]A través de una mayor eficiencia del material y un mayor reciclaje de PV, la industria PV de CdTe tiene el potencial de depender completamente del telurio de los módulos reciclados al final de su vida útil para 2038. [56] En la última década [ ¿cuándo? ] , se han localizado nuevos suministros, por ejemplo, en Xinju, China [57] , así como en México y Suecia. [58] En 1984, los astrofísicos identificaron al telurio como el elemento más abundante del universo con un número atómico superior a 40. [59] [60] Ciertas crestas submarinas son ricas en telurio. [60] [61]

Cloruro de cadmio / cloruro de magnesio [ editar ]

La fabricación de una celda de CdTe incluye una fina capa con cloruro de cadmio ( CdCl
2) para aumentar la eficiencia general de la celda. El cloruro de cadmio es tóxico, relativamente caro y muy soluble en agua, lo que representa una amenaza medioambiental potencial durante la fabricación. En 2014, una investigación descubrió que el cloruro de magnesio abundante e inofensivo ( MgCl
2) funciona tan bien como el cloruro de cadmio. Esta investigación puede conducir a células CdTe más baratas y seguras. [62] [63]

Seguridad [ editar ]

Por sí mismos, el cadmio y el telurio son tóxicos y cancerígenos, pero el CdTe forma una red cristalina que es muy estable y es varios órdenes de magnitud menos tóxica que el cadmio. [64] Las placas de vidrio que rodean el material de CdTe intercaladas entre ellas (como en todos los módulos comerciales) se sellan durante un incendio y no permiten la liberación de cadmio a menos que el vidrio se rompa. [65] [66] Todos los demás usos y exposiciones relacionados con el cadmio son menores y similares en tipo y magnitud a las exposiciones de otros materiales en la cadena de valor fotovoltaica más amplia, por ejemplo, a gases tóxicos, soldaduras de plomo o disolventes (la mayoría de los cuales son no se utiliza en la fabricación de CdTe). [67] [68]

Límites de grano [ editar ]

El límite de grano es la interfaz entre dos granos de un material cristalino y ocurre cuando dos granos se encuentran. Son un tipo de defecto cristalino. A menudo se asume que la brecha de voltaje de circuito abierto que se observa en CdTe, en comparación con los GaAs monocristalinos y el límite teórico, puede ser de alguna manera atribuible a los límites de grano dentro del material. Sin embargo, ha habido una serie de estudios que han sugerido no solo que los GB no son perjudiciales para el rendimiento, sino que de hecho pueden ser beneficiosos como fuentes de recogida de portadores mejorada. [69] Por lo tanto, el papel exacto de los límites de los granos en la limitación del rendimiento de las células solares basadas en CdTe sigue sin estar claro y la investigación está en curso para abordar esta cuestión.

Reciclaje [ editar ]

Los módulos fotovoltaicos pueden durar entre 25 y 30 años. La eliminación inadecuada de los módulos fotovoltaicos puede liberar materiales tóxicos al medio ambiente. [70] A partir de 2013, solo hay tres métodos de reciclaje de alto valor disponibles industrialmente para los módulos fotovoltaicos de película delgada. SENSE (Evaluación de la sostenibilidad de los sistemas de energía solar) y RESOLVED (Recuperación de materiales valiosos solares, enriquecimiento y descontaminación) son europeos. procedimientos financiados. SENSE apuesta por tratamientos mecánicos, químicos y térmicos. RESOLVED se basa principalmente en tratamientos mecánicos. El método final, First Solar, se basa en procesos mecánicos y químicos. Los métodos mecánicos de reciclaje son más respetuosos con el medio ambiente ya que no se basan en el uso de productos químicos. [70]

Los materiales que se pueden recuperar en el proceso de reciclaje incluyen metales, soportes, vidrio y, en casos de alto valor, todo el módulo fotovoltaico. [71]

A partir de 2013, los costos de reciclaje de los módulos de CdTe son más altos que la reventa de materiales reciclados. Sin embargo, los posibles métodos de reciclaje futuros pueden reducir el costo mediante la reducción de procesos costosos y nocivos para el medio ambiente. [70] Los métodos de reciclaje futuros prometedores incluyen la vulcanización- destilación al vacío y el proceso Double Green. Se ha sugerido la vulcanización-destilación al vacío como un posible proceso de reciclaje para obtener Te y puede recuperar Te con purezas de hasta 99,92%. [72] El proceso de doble verde consiste casi en su totalidad en procesos mecánicos. [73]

Debido al crecimiento exponencial de la energía fotovoltaica, el número de sistemas fotovoltaicos instalados en todo el mundo ha aumentado significativamente. First Solar estableció el primer programa de reciclaje global e integral en la industria fotovoltaica en 2005. Sus instalaciones de reciclaje operan en cada una de las plantas de fabricación de First Solar y recuperan hasta el 95% del material semiconductor para su reutilización en nuevos módulos y el 90% del vidrio para su reutilización en nuevos productos de vidrio. [74] [75] Una evaluación del ciclo de vida del reciclaje de módulos de CdTe realizada por la Universidad de Stuttgart mostró una reducción en la demanda de energía primaria al final de su vida útil de 81 MJ / m 2 a -12 MJ / m 2 , una reducción de alrededor de 93 MJ / m 2 , y en términos depotencial de calentamiento global de 6 kg CO2-equiv./m 2 a -2,5 CO2-equiv./m 2 , una reducción de alrededor de -8,5 CO2-equiv./m 2 . Estas reducciones muestran un cambio altamente beneficioso en el perfil ambiental general del módulo fotovoltaico CdTe. El LCA también mostró que los principales contribuyentes a las categorías de impacto ambiental consideradas se deben a los productos químicos y la energía necesarios en el procesamiento de los módulos de CdTe. [76]

Impacto ambiental [ editar ]

una pequeña matriz fotovoltaica utilizada como parte de la investigación de integración de sistemas de energía en curso en el Centro Nacional de Tecnología Eólica (NWTC)

La energía fotovoltaica puede ayudar a reducir las emisiones tóxicas y la contaminación causada por los combustibles fósiles . [70]  Las emisiones de combustibles fósiles que afectan los climas globales, como el óxido de nitrógeno (NO x ), el dióxido de carbono (CO 2 ) y el dióxido de azufre (SO 2 ) no se emiten desde la energía fotovoltaica. Un solo gigavatio-hora de electricidad producido a partir de energía fotovoltaica reduciría las emisiones de SO 2 en 10 toneladas, NO x en 4 toneladas y CO 2 en 1000 toneladas en comparación con el carbón. [77]

Las células de CdTe se consideran tóxicas y cancerígenas cuando se inhalan o ingieren, ya que el Cd es un compuesto tóxico por la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional de EE. UU. Los trabajadores de las instalaciones de procesamiento pueden estar expuestos e inhalar partículas finas o vapores de Cd. [77]

Las instalaciones de producción de CdTe pueden causar problemas ambientales cuando hay accidentes en la producción de alta eficiencia o por el escape de subproductos en métodos de producción menos eficientes. [77]

Durante la vida útil de un módulo, no liberará partículas ni vapores si se usa según lo previsto. La única forma de que un módulo completo libere polvo o vapor es prendiéndolo en llamas o moliéndolo hasta convertirlo en un polvo fino. Cuando se expuso a temperaturas de aproximadamente 1100 ° C en pruebas de laboratorio, se liberó entre 0,4% y 0,6% del contenido de Cd. [71]

Las estimaciones generales de emisión de Cd al aire pueden oscilar entre 0,02 y 0,5 gramos por gigavatio-hora. [71]

Los primeros módulos de CdTe fallaron las pruebas de elución , sin embargo, los modelos más recientes pueden pasar algunas pruebas de elución. A pesar de las pequeñas cantidades de Cd que pueden filtrarse, los módulos de CdTe tienen una lixiviabilidad general baja ya que los materiales peligrosos que contienen están encerrados dentro de dos capas de vidrio. A pesar de su baja lixiviabilidad, los módulos de CdTe tienen una biodegradabilidad muy baja. [71]

Viabilidad del mercado [ editar ]

La granja solar Topaz emplea 9 millones de CdTe-módulos. Fue la central fotovoltaica más grande del mundo en 2014.

El éxito de la fotovoltaica con telururo de cadmio se debe al bajo costo que se puede lograr con la tecnología CdTe, que es posible al combinar una eficiencia adecuada con costos de área de módulo más bajos. El costo directo de fabricación de los módulos fotovoltaicos de CdTe alcanzó los $ 0,57 por vatio en 2013, [78] y el costo de capital por nuevo vatio de capacidad es de cerca de $ 0,9 por vatio (incluidos terrenos y edificios). [79]

Sistemas notables [ editar ]

Se afirmó que las soluciones fotovoltaicas de CdTe a escala de servicios públicos podían competir con las fuentes de generación de combustibles fósiles en picos según los niveles de irradiancia, las tasas de interés y otros factores, como los costos de desarrollo. [80] Se afirmó que las instalaciones recientes de grandes sistemas fotovoltaicos First Solar CdTe eran competitivas con otras formas de energía solar:

  • El proyecto Agua Caliente de 290 megavatios (MW) de First Solar en Arizona es una de las centrales fotovoltaicas más grandes jamás construidas. Agua Caliente cuenta con las capacidades de control de planta, pronóstico y programación de energía de First Solar que contribuyen a la confiabilidad y estabilidad de la red. [81] [82]
  • La granja solar Topaz de 550 MW en California, terminó de construirse en noviembre de 2014 y era la granja solar más grande del mundo en ese momento. [83]
  • El proyecto de 13 MW de First Solar en Dubái , gestionado por la Autoridad de Agua y Electricidad de Dubái , es la primera parte del parque solar Mohammed bin Rashid Al Maktoum y era la planta de energía fotovoltaica más grande de la región en el momento de su finalización en 2013. [83]
  • Un sistema de 40 MW instalado por el grupo Juwi en Waldpolenz Solar Park , Alemania, era, en el momento de su anuncio en 2007, el sistema fotovoltaico planificado más grande y de menor costo del mundo. El precio fue de 130 millones de euros. [84]
  • Un sistema de 128 MWp instalado por Belectric en Templin, Brandenburg, Alemania, es la instalación fotovoltaica de película delgada más grande en la actualidad en Europa (a enero de 2015). [85]
  • Para la planta de energía fotovoltaica Blythe de 21 MW en California, un acuerdo de compra de energía fijó el precio de la electricidad generada en $ 0.12 por kWh (después de la aplicación de todos los incentivos). [86] Definido en California como el "Precio de referencia del mercado", fijaba el precio que pagaría la PUC por cualquier fuente de energía de pico diurno, por ejemplo, gas natural. Aunque los sistemas fotovoltaicos son intermitentes y no se pueden distribuir como lo es el gas natural, los generadores de gas natural tienen un riesgo constante en el precio del combustible que la fotovoltaica no tiene.
  • Un contrato para dos megavatios de instalaciones en azoteas con Southern California Edison . El programa SCE está diseñado para instalar 250 MW a un costo total de $ 875M (con un promedio de $ 3.5 / vatio), después de los incentivos. [87]

Ver también [ editar ]

  • Abundante Solar
  • Telururo de cadmio
  • Seleniuro de cobre, indio, galio ( CIGS ).
  • Recolección de energía
  • Primer Solar
  • Células solares de alta eficiencia
  • Celda solar de bajo costo
  • Energía renovable
  • Célula solar
  • Energía solar
  • Panel solar
  • Célula solar de película fina

Referencias y notas [ editar ]

  1. ^ a b "Base de datos de publicaciones, presentaciones y noticias: telururo de cadmio" . Laboratorio Nacional de Energías Renovables.
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Lectura adicional [ editar ]

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