Un échantillon de cristal de tellurure de cadmium qui peut être utilisé pour fabriquer des cellules solaires. Crédit :WSU
Une équipe de l'Université de l'État de Washington a développé une méthode plus efficace, plus sûr, et un moyen rentable de produire du matériel de tellurure de cadmium (CdTe) pour les cellules solaires ou d'autres applications, une découverte qui pourrait faire avancer l'industrie solaire et la rendre plus compétitive.
Les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient rapidement faire croître une grande quantité de matériau CdTe de haute pureté - un cristal de plus d'un kilogramme en une journée - ce qui serait considéré comme l'éclair dans l'industrie. La technique, qui utilise un four à haute pression pour produire de grandes quantités de matière première cristalline nécessaire, est 45 % plus rentable que la norme de l'industrie et est évolutif, ce qui pourrait rendre la technologie solaire CdTe moins chère que le gaz naturel. Le matériau cristallin produit a également de meilleures propriétés électriques que ce qui est actuellement disponible.
En collaboration avec le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) et le partenaire industriel Nious Technologies, Inc., les chercheurs rendent compte de leurs travaux dans le Journal de croissance cristalline .
Le photovoltaïque CdTe est une technologie plus récente que les cellules solaires au silicium populaires et est compétitif en termes d'efficacité. Ils fonctionnent également mieux par temps chaud et humide. Alors que les cellules solaires CdTe pourraient offrir des avantages significatifs en termes de coût et d'efficacité par rapport au silicium, ils représentent actuellement moins de 10 % du marché solaire, principalement à l'échelle de l'utilité. En particulier, les méthodes de production actuelles sont lentes, cher, encombrant et manque de flexibilité pour personnaliser.
(de gauche à droite) Seth McPherson, Tawfeeq Kadheem Al-Hamdi, et Santosh Swain devant un four Bridgeman utilisé pour créer des cristaux de tellurure de cadmium. Crédit :WSU
« En ce moment, il y a un énorme problème dans la production de matières premières, " a déclaré Santosh Swain, professeur adjoint de recherche à l'Institute of Materials Research et co-auteur de l'article. "L'industrie solaire a régulièrement augmenté l'efficacité des appareils et la fabrication d'appareils, mais des gains d'efficacité supplémentaires et une réduction des coûts nécessitent une amélioration des propriétés des matériaux CdTe. »
Le processus de fabrication actuel implique la cuisson du matériau CdTe dans un tube de verre scellé pour contenir la réaction. Cela prend beaucoup de temps, les tubes ne sont pas réutilisables, et le verre de silice est limité dans la quantité de chaleur, Masse, et la pression que cela peut prendre. En raison des inquiétudes concernant l'explosion du matériau, l'industrie est limitée dans la taille des cristaux qu'ils peuvent faire pousser. Pour fabriquer des cellules solaires, les cristaux sont ensuite évaporés sur un substrat de verre pour former des films très minces.
La nouvelle technique utilise un creuset en graphite solide, et le matériau est cuit dans un four Bridgman à haute pression. L'environnement à haute pression élimine complètement la possibilité d'explosions et permet également aux chercheurs d'ajouter facilement une forte concentration de matériaux supplémentaires, appelés dopants, pendant le processus de fabrication qui améliorent les performances du matériau. En 2016, l'équipe de recherche WSU en collaboration avec NREL et l'Université du Tennessee a considérablement amélioré la technologie CdTe en ajoutant du phosphore comme dopant, dépasser une limite de 1 volt qui avait été poursuivie pendant six décennies. Pour ce projet, les chercheurs ont ajouté de l'arsenic comme dopant.
L'ajout de dopants hautement volatils au cours du processus de fabrication de la matière première élimine également le besoin de doper après le dépôt du film, ce qui peut entraîner des problèmes de non-uniformité, dit Tawfeeq Al-Hamdi, un doctorat étudiant et auteur principal de l'article.
"Le dopage est une stratégie clé, " a déclaré le co-auteur Seth McPherson. " À 80 atmosphères de pression, vous pouvez vraiment enfoncer les dopants dans le matériau, et vous n'avez pas à vous soucier qu'ils s'évaporent du cristal ou qu'ils s'échappent du système."
