La energía fotovoltaica de telururo de cadmio ( CdTe ) es una tecnología fotovoltaica (PV) basada en el uso de telururo de cadmio en una fina capa semiconductora diseñada para absorber y convertir la luz solar en electricidad. [1] La energía fotovoltaica con telururo de cadmio 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]
En términos de ciclo de vida, CdTe PV tiene la huella de carbono más pequeña , el menor uso de agua y el menor tiempo de recuperación de energía de cualquier tecnología fotovoltaica actual. [4] [5] [6] [7] El tiempo de recuperación de la energía del CdTe de menos de un año permite reducciones de carbono más rápidas sin déficits energéticos a corto plazo.
La toxicidad del cadmio es una preocupación ambiental durante la producción y cuando se eliminan los paneles. Parte de esto podría mitigarse mediante el reciclaje de módulos de CdTe al final de su vida útil, [8] ya que existen incertidumbres con respecto al reciclaje de módulos de CdTe [9] [10] y la opinión pública es escéptica hacia esta tecnología. [11] [12] 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 , cuya forma aniónica es el teluro , es comparable a la del platino en la corteza terrestre y contribuye significativamente al coste del módulo. [13]
La energía fotovoltaica de CdTe se utiliza en algunas de las centrales fotovoltaicas más grandes del mundo , como la Topaz Solar Farm . Con una cuota del 5,1% de la producción fotovoltaica mundial, la tecnología CdTe representó más de la mitad del mercado de película delgada en 2013. [14] Un destacado fabricante de tecnología de película delgada CdTe es la empresa First Solar , con sede en Tempe, Arizona .
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 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 bajas tasas de deposición (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. [15] La misma fuente estima que en 2007 se instalaron unos 3 gigavatios.
Durante este período se siguieron desarrollando el telururo de cadmio y el diseleniuro de indio y cobre o aleaciones de la CEI. Este último está empezando a producirse en volúmenes de 1 a 30 megavatios por año debido a la muy alta eficiencia de las células de área pequeña, que se acerca al 20% en el laboratorio. [16] La eficiencia de las células de CdTe se acerca al 20% en el laboratorio con un récord del 22,1% en 2016. [17]
La investigación en CdTe se remonta a la década de 1950, [18] [19] [20] [21] [22] [23] porque su banda prohibida (~1,5 eV) coincide casi perfectamente 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 combinaba con el sulfuro de cadmio (CdS) de tipo n. La celda se completó agregando contactos superiores e inferiores. Los primeros líderes en eficiencia de células CdS/CdTe fueron GE en la década de 1960, y luego Kodak , Monosolar, Matsushita y AMETEK. [ cita necesaria ]
En 1981, Kodak utilizó la sublimación en espacios reducidos (CSS) y fabricó las primeras celdas con un 10 % de eficiencia y los primeros dispositivos multiceldas (12 celdas, 8 % de eficiencia, 30 cm 2 ). [24] Monosolar [25] y AMETEK [26] utilizaron electrodeposición , uno de los primeros métodos populares. Matsushita comenzó con la serigrafía , pero en la década de 1990 pasó a CSS. A principios de la década de 1980 se produjeron células con aproximadamente un 10% de eficiencia de conversión de luz solar a electricidad en Kodak, Matsushita, Monosolar y AMETEK. [27]
Se produjo un importante paso adelante cuando se amplió el tamaño de las células para fabricar productos con áreas más grandes llamados módulos. Estos productos requerían corrientes más altas que las celdas pequeñas y se descubrió 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). El óxido de estaño, que se hizo más conductor para la energía fotovoltaica, se convirtió y sigue siendo la norma en los módulos fotovoltaicos de CdTe.
Las células de CdTe lograron una eficiencia superior al 15% en 1992 añadiendo una capa amortiguadora a la pila de TCO/CdS/CdTe y luego adelgazaron el CdS para admitir más luz. Chu utilizó óxido de estaño resistivo como capa amortiguadora y luego diluyó el CdS desde varios micrómetros hasta 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 de CdTe. La capa adicional no comprometió las demás propiedades del dispositivo. [27]
A principios de la década de 1990, otros actores experimentaron resultados mixtos. [27] 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 pulverización. Matsushita afirmó una eficiencia del módulo del 11% usando CSS y luego abandonó la tecnología. Una eficiencia y un destino similares finalmente ocurrieron en BP Solar. BP utilizó la electrodeposición (heredada de Monosolar por un camino tortuoso cuando compró SOHIO , el adquirente de Monosolar). BP Solar abandonó el CdTe en noviembre de 2002. [28] Antec pudo fabricar módulos con una eficiencia de alrededor del 7%, pero quebró cuando comenzó a producir comercialmente durante una breve y pronunciada crisis del mercado en 2002. Sin embargo, en 2014 Antec todavía fabricaba CdTe. Módulos fotovoltaicos. [29]
Las nuevas empresas de CdTe incluyen Toledo Solar Inc (100 megavatios por año), Calyxo [30] (anteriormente propiedad de Q-Cells), PrimeStar Solar , en Arvada, Colorado (adquirida por First Solar a GE), [31] Arendi (Italia ). [ cita necesaria ] Incluyendo Antec, su producción total representa menos de 70 megavatios por año. [32] Empa , los Laboratorios Federales Suizos para Pruebas e Investigación de Materiales, se centra en el desarrollo de células solares de CdTe sobre sustratos flexibles y demostró eficiencias celulares del 13,5% y 15,6% para láminas de plástico flexible y sustratos de vidrio, respectivamente. [33]
El mayor éxito comercial lo obtuvo Solar Cells Incorporated (SCI). Su fundador, Harold McMaster , imaginó películas delgadas de bajo costo realizadas a gran escala. Después de probar el silicio amorfo, pasó al CdTe a instancias de Jim Nolan y fundó Solar Cells Inc., que más tarde se convirtió en First Solar . [34] McMaster defendió el CdTe por su procesamiento de alta velocidad y alto rendimiento. En febrero de 1999, McMaster vendió la empresa a True North Partners, quienes la denominaron First Solar . [35]
En sus primeros años, First Solar sufrió reveses y la eficiencia inicial de los módulos fue modesta, 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] Hoy en día, First Solar fabrica más de 3 gigavatios con una eficiencia de módulo promedio del 16,4% en 2016. [39]
First Solar utiliza en particular un proceso de deposición por transporte de vapor de alta velocidad en lugar de CSS (sublimación en espacio cerrado) para la deposición de CdTe. Este es un tipo de deposición física de vapor en la que el CdTe se sublima primero en una región aguas arriba. Luego, los gases Cd y Te 2 fluyen a través de una región más fría aguas abajo donde se condensan sobre un sustrato para formar CdTe sólido. [40] Este proceso se prefiere al CSS porque produce películas de mayor uniformidad y permite la deposición en cualquier configuración del sustrato. [41]
En agosto de 2014, First Solar anunció un dispositivo con una eficiencia de conversión del 21,1% . [42] En febrero de 2016, First Solar anunció que había alcanzado una eficiencia de conversión récord del 22,1% en sus células de CdTe. En 2014, First Solar también aumentó la eficiencia récord del módulo del 16,1% al 17,0%. [43] En ese momento, la compañía proyectó que la eficiencia promedio de los módulos 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%. [44] [45]
Para alcanzar estas eficiencias récord del 22%, se utiliza aleación para la clasificación de banda prohibida. En la célula solar se utiliza un compuesto que incorpora selenio al CdTe para mejorar la respuesta de eficiencia cuántica para determinadas longitudes de onda de luz, además del CdTe sin alear. [46] El otro contribuyente importante a este gran aumento en la eficiencia es el uso de MgZnO (MZO) dentro de la celda. En una celda que usa una estructura CdSe x Te 1−x /CdTe, se puede usar MZO en lugar de CdS. CdS es una fuente de absorción ineficiente, mientras que MZO tiene una banda prohibida sintonizable que se puede optimizar para una alta transparencia y una buena alineación con CdSe x Te 1−x . [47]
La optimización de procesos mejoró el rendimiento y redujo los costos. Las mejoras incluyeron sustratos más amplios (ya que los costos de capital aumentan 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). En 2014, los costos de los módulos de CdTe eran de aproximadamente 72 dólares por metro cuadrado (11 pies cuadrados), [48] o alrededor de 90 dólares por módulo. [ cita necesaria ]
La eficiencia de los módulos se mide en laboratorios a temperaturas de prueba estándar de 25 °C; sin embargo, en el campo los módulos suelen estar expuestos a temperaturas mucho más altas. El coeficiente de temperatura relativamente bajo del CdTe protege el rendimiento a temperaturas más altas. [49] [50] [51] Los módulos fotovoltaicos de CdTe experimentan la mitad de reducción que los módulos de silicio cristalino, lo que da como resultado un aumento de la producción de energía anual del 5-9%. [52]
Casi todos los sistemas de módulos fotovoltaicos de película delgada hasta la fecha no han sido de seguimiento solar , porque la producción 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 producción por vatio instalado. [53] Además, dependiendo del Tracker Energy Gain, la ecoeficiencia general del sistema fotovoltaico se puede mejorar reduciendo tanto los costos del sistema como los impactos ambientales. [54] Esto depende del clima. El seguimiento también produce una meseta de producción más suave alrededor del mediodía, que coincide mejor con los picos de la tarde.
El cadmio (Cd) , un metal pesado tóxico considerado una sustancia peligrosa, es un subproducto residual de la extracción, fundición y refinación de minerales sulfídicos de zinc durante el refinado del zinc y, por lo tanto, su producción no depende de la demanda del mercado fotovoltaico. Los módulos fotovoltaicos de CdTe proporcionan un uso beneficioso y seguro para el cadmio que, de otro modo, se almacenaría para uso futuro o se eliminaría en vertederos como residuo peligroso. Los subproductos de la minería pueden convertirse en un compuesto estable de CdTe y encapsularse de forma segura dentro de 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 con carbón y petróleo. [55]
Las estimaciones de producción y reservas de telurio (Te) están sujetas a incertidumbre y varían considerablemente. El telurio es un metaloide raro y levemente tóxico que se utiliza principalmente como aditivo para el mecanizado del acero . El te se obtiene casi exclusivamente como subproducto de la refinación del cobre, y en menores cantidades de la producción de plomo y oro. Sólo se dispone de una pequeña cantidad, estimada en unas 800 toneladas métricas [56] por año. Según el USGS , la producción mundial en 2007 fue de 135 toneladas métricas. [57] Un gigavatio (GW) de módulos fotovoltaicos de CdTe requeriría alrededor de 93 toneladas métricas (con las eficiencias y espesores actuales). [58] A través de una mayor eficiencia de los materiales y un mayor reciclaje de energía fotovoltaica, la industria fotovoltaica de CdTe tiene el potencial de depender completamente del telurio procedente de módulos reciclados al final de su vida útil para 2038. [59] En la última década [ ¿cuándo? ] , se han localizado nuevos suministros, por ejemplo, en Xinju, China [60] , así como en México y Suecia. [61] En 1984, los astrofísicos identificaron el telurio como el elemento más abundante del universo con un número atómico superior a 40. [62] [63] Ciertas crestas submarinas son ricas en telurio. [63] [64]
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 supone una posible amenaza medioambiental durante su fabricación. En 2014, una investigación descubrió que el abundante e inofensivo cloruro de magnesio ( MgCl
2) funciona tan bien como el cloruro de cadmio. Esta investigación puede conducir a células CdTe más baratas y seguras. [65] [66]
Por sí solos, 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 tóxico que el cadmio. [67] Las placas de vidrio que rodean el material CdTe intercalado entre ellas (como en todos los módulos comerciales) sellan durante un incendio y no permiten ninguna liberación de cadmio a menos que el vidrio se rompa. [68] [69] 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 solventes (la mayoría de los cuales son no se utiliza en la fabricación de CdTe). [70] [71]
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 supone que la brecha de voltaje de circuito abierto observada en el CdTe, en comparación tanto con el GaAs monocristalino como con el límite teórico, puede ser atribuible de alguna manera a los límites de grano dentro del material. Sin embargo, ha habido una serie de estudios que han sugerido no sólo que los GB no son perjudiciales para el rendimiento sino que, de hecho, pueden ser beneficiosos como fuentes de recolección mejorada de portadores. Por lo tanto, el papel exacto de los límites de grano en la limitación del rendimiento de las células solares basadas en CdTe sigue sin estar claro y se están llevando a cabo investigaciones para abordar esta cuestión. Sin embargo, en el CdTe recién desarrollado, los límites de los granos son perjudiciales para el rendimiento. El procesamiento posterior puede cambiar esto, pero esos efectos deben estudiarse caso por caso. [72]
El tamaño de los granos y, por tanto, el número de límites de grano en una película de CdTe dependen de la temperatura del sustrato durante la deposición de la película. Cuanto mayor sea la temperatura del sustrato, mayor será el tamaño del grano y menor será el número de límites de grano en la película. Si se utiliza una temperatura de sustrato baja durante la deposición, el tamaño del grano comúnmente aumenta depositando CdCl 2 sobre la película y posteriormente recociendo. Este es un paso de procesamiento crucial, ya que las células depositadas a bajas temperaturas que carecen de este paso no pueden alcanzar eficiencias de conversión superiores al 10%. [47]
Los módulos fotovoltaicos pueden durar entre 25 y 30 años. La eliminación inadecuada de los módulos fotovoltaicos puede liberar materiales tóxicos al medio ambiente. [73] En 2013, solo hay tres métodos de reciclaje de alto valor disponibles industrialmente para módulos fotovoltaicos de película delgada. SENSE (Evaluación de la sostenibilidad de los sistemas de energía solar) y RESOLVED (Recuperación de materiales solares valiosos, enriquecimiento y descontaminación) son sistemas europeos. procedimientos financiados. SENSE se basa en tratamientos mecánicos, químicos y térmicos. RESUELTO 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 dependen del uso de productos químicos. [73]
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. [74]
A partir de 2013, los costes de reciclaje de los módulos de CdTe son superiores a los de la reventa de materiales reciclados. Sin embargo, los posibles métodos de reciclaje futuros pueden reducir su costo mediante la reducción de procesos costosos y perjudiciales para el medio ambiente. [73] Los métodos de reciclaje futuros prometedores incluyen la vulcanización- destilación al vacío y el proceso doble verde. 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%. [75] El Proceso Doble Verde consiste casi exclusivamente en procesos mecánicos. [76]
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 global e integral de reciclaje 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. [77] [78] 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 de potencial de calentamiento global de 6 kg CO 2 -equiv./m 2 a -2,5 CO 2 -equiv./m 2 , una reducción de alrededor de -8,5 CO 2 -equiv./m 2 2 . Estas reducciones muestran un cambio muy beneficioso en el perfil medioambiental general del módulo fotovoltaico de CdTe. El ACV también mostró que los principales contribuyentes a las categorías de impacto ambiental consideradas se deben a los productos químicos y la energía necesarios para el procesamiento de los módulos de CdTe. [79]
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La energía fotovoltaica puede ayudar a reducir las emisiones tóxicas y la contaminación causada por los combustibles fósiles . [73] Las emisiones de combustibles fósiles que afectan el clima global, como los óxidos de nitrógeno (NO x ), el dióxido de carbono (CO 2 ) y el dióxido de azufre (SO 2 ), no se emiten mediante energía fotovoltaica. Un solo gigavatio-hora de electricidad producida a partir de energía fotovoltaica reduciría las emisiones de SO 2 en 10 toneladas, NOx en 4 toneladas y CO 2 en 1.000 toneladas en comparación con el carbón. [80]
Las células fotovoltaicas de telururo de cadmio tienen impactos negativos tanto en los trabajadores como en el ecosistema. [81] La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional de EE. UU. considera que los materiales de las células CdTe son tóxicos y cancerígenos cuando se inhalan o ingieren. Los trabajadores de las instalaciones de procesamiento pueden estar expuestos e inhalar partículas finas o vapores de cadmio. [80]
Las instalaciones de producción de CdTe pueden causar problemas ambientales cuando hay accidentes en la producción de alta eficiencia o por escape de subproductos en métodos de producción menos eficientes. [80]
Durante la vida útil de un módulo, no liberará partículas ni vapores si se utiliza según lo previsto. La única forma de que un módulo completo libere polvo o vapor es encendiéndolo o moliéndolo hasta convertirlo en polvo fino. Cuando se expuso a temperaturas de aproximadamente 1100 °C en pruebas de laboratorio, se liberó entre el 0,4% y el 0,6% del contenido de Cd. [74]
Las estimaciones generales de emisiones de Cd al aire pueden oscilar entre 0,02 y 0,5 gramos por gigavatio-hora. [74]
Los primeros módulos de CdTe no pasaron 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 baja lixiviabilidad general ya que los materiales peligrosos que contienen están encerrados dentro de dos capas de vidrio. Los módulos de CdTe tienen una biodegradabilidad muy pobre . [74]
El éxito de la energía fotovoltaica con telururo de cadmio se debe al bajo costo que se puede lograr con la tecnología CdTe, posible gracias a la combinación de una eficiencia adecuada con menores costos de área del módulo. El costo directo de fabricación de los módulos fotovoltaicos de CdTe alcanzó los 0,57 dólares por vatio en 2013, [82] y el costo de capital por nuevo vatio de capacidad fue de aproximadamente 0,9 dólares por vatio (incluidos terrenos y edificios) en 2008. [83]
Se afirmó que las soluciones fotovoltaicas de CdTe a escala de servicios públicos podían competir con las fuentes de generación de combustibles fósiles en su punto máximo dependiendo de los niveles de irradiancia, las tasas de interés y otros factores como los costos de desarrollo. [84] Se afirmó que las instalaciones recientes de grandes sistemas fotovoltaicos de CdTe de First Solar eran competitivas con otras formas de energía solar:
2011/02 Solar Fields LLC adquiere las acciones de Q-Cells
Se ha sugerido que el Te es único en el universo porque su abundancia cósmica es tan grande o mayor que la de cualquier otro elemento con un número atómico superior a 40, pero es uno de los elementos menos abundantes en la corteza terrestre y en el océano. agua."
Las crestas se encuentran a 400-4000 m de profundidad, donde las corrientes han mantenido las rocas limpias de sedimentos durante millones de años.
Costras…formando pavimentos de hasta 250 mm de espesor
