11.5 Фотоэлементы из теллурида кадмия

11.5.1 Введение

В теории, максимальный КПД фотоэлементов из теллурида кадмия имеет значение близкое к 25 %. Теллурид кадмия представляет собой материал с прямыми переходами и высоким коэффициентом поглощения, что позволяет изготавливать из него фотоэлементы толщиной всего нескольком. В 2001 году, фотоэлементы из этого материала в лабораторных условиях демонстрировали КПД чуть менее 17 %, а модули из фотоэлементов на основе теллурида кадмия показывали КПД на уровне 11 % при максимальной площади модуля 8390 см² [25]. И хотя теллур встречается реже, чем другие химические элементы, используемые для производства фотоэлементов, запасов теллура и кадмия достаточно для производства фотоэлектрических батарей, способных вырабатывать гигаватты электроэнергии. Количество используемого в фотоэлементах кадмия сопряжено с возможностью возгорания и возникновением ряда сложностей при выводе модулей из эксплуатации. Однако, анализ потенциальных проблем, связанных с использованием кадмия, показал, что кадмий, входящий в состав фотоэлементов, на этапе их утилизации может быть извлечен и использован повторно, а вероятность ожогов в результате разного рода пожаров значительно превышает вероятность вредного воздействия кадмия, выделяющегося в результате нагревания модулей. Модули из теллурида кадмия могут использоваться в качестве вторсырья для получения стекла, карбоната кадмия (CdCO3), очищенного электролитическим методом теллура, чистого этиленвинилацетата (EVA) для производства солнечных модулей по себестоимости менее 1,2 руб/Вт [39].

Хотя довольно долго проводились широкомасштабные испытания модулей на основе теллурида кадмия, однако в серийное производство они пока запущены не были. Всё равно серийный выпуск таких модулей не за горами, скорее всего, их можно будет найти в свободной продаже в недалёком будущем. Процесс получения чистых компонентов для производства фотоэлементов из теллурида кадмия уже рассматривался, исключение составляет лишь вопрос получения самого теллура. После краткого описания процесса получения и очистки теллура, будут рассмотрены вопросы изготовления фотоэлементов на его основе и эффективность таких фотоэлементов.

11.5.2 Производство чистого теллура [33]

Теллур является химическим элементом VI группы периодической системы Д.И. Менделеева, обладает свойствами металла и был впервые обнаружен в 1782 г. ученым по фамилии Мюллер в золотоносной руде из Трансильвании. Как химический элемент теллур был выделен и описан в 1798 г.М. Г. Клапротом. Теллур в природе встречается в виде таких соединений, как теллурид меди, свинца, серебра, золота, железа и висмута, и имеет широкую географию распространения, однако доля данного вещества в земной коре очень мала. Основным источником теллура являются отходы процессов добычи и производства чистой меди и свинца, которые, помимо теллура, содержат еще и селен, но тоже в малых количествах.

При производстве меди путем электролиза, теллур вместе с другими содержащимися в меди примесями оседает на аноде в виде шлама. Для выделения теллура из шлама существует несколько альтернативных химических реакций. Для начала, необходимо получить диоксид теллура, который выпадает из раствора в осадок, в то время как остальные примеси остаются растворенными. Или же можно сначала провести реакцию по осаждению других примесей, в результате чего будет получена теллуровая кислота с высокой концентрацией теллура. Если проводится реакция с получением оксида теллура, оксид затем восстанавливается и в итоге образуется элементарный теллур.

Элементарный теллур, тем не менее, содержит примеси железа, меди, олова, серебра, свинца, сурьмы и висмута и может быть подвергнут дальнейшей очистке путем перегонки при низком давлении, в результате чего металлы с большей массой останутся в осадке. Однако, так как селен легко испаряется, теллур, прошедший перегонку все равно содержит примесь селена. Более высокого качества очистки можно добиться, растворив теллур в концентрированной азотной кислоте. В результате разбавления и кипячения происходит реакция гидролиза, и теллур выпадает в осадок. Осадок затем отделяют, промывают, растворяют в соляной кислоте и восстанавливают диоксидом серы.

Этот относительно чистый теллур можно довести то максимальной степени чистоты методом зонной очистки в атмосфере инертного газа, а одиночные кристаллы можно вырастить методом Чохральского или Бриджмена. Теллур считается потенциально токсичным веществом, поэтому при работе с ним следует соблюдать достаточные меры предосторожности.