Forskere fremmer produktionen af ​​solmateriale

Et team fra Washington State University har udviklet en mere effektiv, sikrere, og omkostningseffektiv måde at fremstille cadmiumtellurid (CdTe) materiale til solceller eller andre applikationer, en opdagelse, der kunne fremme solcelleindustrien og gøre den mere konkurrencedygtig.

Forskerne viste, at de hurtigt kunne dyrke en stor mængde CdTe-materiale med høj renhed - en krystal på mere end et kilogram på én dag - hvilket ville blive betragtet som lynhurtigt i industrien. Teknikken, som bruger en højtryksovn til at producere store mængder af det nødvendige krystalråmateriale, er 45 % mere omkostningseffektiv end industristandarden og er skalerbar, hvilket kunne gøre CdTe solteknologi billigere end naturgas. Det fremstillede krystalmateriale har også bedre elektriske egenskaber, end hvad der er tilgængeligt i øjeblikket.

Arbejder i samarbejde med National Renewable Energy Laboratory (NREL) og industripartneren Nious Technologies, Inc., forskerne rapporterer om deres arbejde i Journal of Crystal Growth .

CdTe solceller er en nyere teknologi end populære siliciumsolceller og er konkurrencedygtige med hensyn til effektivitet. De klarer sig også bedre i varmt og fugtigt vejr. Mens CdTe solceller kunne give betydelige fordele i omkostninger og effektivitet i forhold til silicium, de udgør i øjeblikket mindre end 10 % af solenergimarkedet, mest i brugsskalaen. I særdeleshed, nuværende produktionsmetoder er langsomme, kostbar, besværlig og mangler fleksibilitet til at tilpasse.

"Lige nu er der et kæmpe knæk i råvareproduktionen, " sagde Santosh Swain, forskningsadjunkt med Institut for Materialeforskning og en medforfatter på papiret. "Solindustrien har støt øget enhedseffektivitet og fabrikation af enheder, men yderligere effektivitetsgevinster og omkostningsreduktion kræver forbedring af CdTe materialeegenskaber."

Den nuværende fremstillingsproces involverer kogning af CdTe-materialet i et forseglet glasrør for at indeholde reaktionen. Det tager lang tid, rørene kan ikke genbruges, og silicaglasset er begrænset i hvor meget varme, masse, og pres det kan tage. På grund af bekymringer om, at materialet eksploderer, industrien er begrænset i størrelsen af ​​krystaller, de kan dyrke. At lave solceller, krystallerne inddampes derefter på glassubstrat for at lave meget tynde film.

Den nye teknik bruger en stærk grafitdigel, og materialet koges i en højtryks Bridgman ovn. Højtryksmiljøet eliminerer fuldstændigt muligheden for eksplosioner og giver også forskerne mulighed for nemt at tilføje en høj koncentration af yderligere materialer, kaldet dopingmidler, under fremstillingsprocessen, der forbedrer materialets ydeevne. I 2016 WSU-forskerholdet i samarbejde med NREL og University of Tennessee forbedrede dramatisk CdTe-teknologien ved at tilføje fosfor som dopingmiddel, overvinde en 1 Volt-grænse, der var blevet fulgt i seks årtier. Til dette projekt, forskerne tilføjede arsen som dopingmiddel.

Tilsætning af de meget flygtige dopingmidler under råmaterialefremstillingsprocessen eliminerer også behovet for at dope efter filmaflejring, hvilket kan forårsage problemer med uensartethed, sagde Tawfeeq Al-Hamdi, en ph.d. elev og hovedforfatter på papiret.

"Doping er en nøglestrategi, " sagde medforfatter Seth McPherson. "Ved 80 atmosfæres tryk, du kan virkelig skubbe dopingstofferne ind i materialet, og du behøver ikke bekymre dig om, at de fordamper ud af krystallen eller på anden måde slipper ud af systemet."