Energihållbarhet representerar en av de stora utmaningarna för det moderna samhället, och tunnfilmssolceller ger en av de bästa möjligheterna för en snabbt växande användning av förnybar energi. Solceller (PV) som använder tunnfilmshalvledaren kadmiumtellurid (CdTe) har kommersialiserats i gigawatt (GW) per år skala, med 17,5 GW installerade globalt.

I många applikationer i nyttoskala, det är billigare att generera el med CdTe PV än fossila bränslen. Den nivåiserade energikostnaden (LCOE) från CdTe PV är ~ $ 0,04/kWh, medan den nationella genomsnittliga LCOE från alla källor är $0,11/kWh. Vidare, livscykelutsläppen av tungmetallen Cd från CdTe PV är lägre än de från traditionell elproduktion för samma mängd energi som genereras. CdTe använder ungefär en hundradel av mängden halvledarmaterial som används för c-kisel PV (den vanligaste PV som används idag) och kan bearbetas 24 gånger snabbare än c-kisel.

För att ytterligare minska kostnaden för el från CdTe PV, Colorado State Univ. (CSU) forskare och partners vid Center for Next Generation Photovoltaics, ett industri-universitets kooperativt forskningscenter finansierat av National Science Foundation, utvecklat en prestationsfärdplan (Figur 1). Framstegen sedan 2014 har präglats av tre framsteg till den grundläggande cellstrukturen för CdTe PV. Framstegen var möjliga tack vare avancerade bearbetningsfunktioner för enheter som utvecklats vid CSU kombinerat med toppmodern materialkarakterisering av dess partners.

Det första framstegen var ersättningen av det traditionella CdS-emitterskiktet med magnesiumdopad zinkoxid (MZO). MZO har en högre bandgap som gör att fler fotoner kan nå CdTe -absorbatorn. Dessutom, MZO har ledningsbandsoffset som hjälper till att minska gränssnittsrekombination, och därmed bevara spänningen.

En andra förbättring 2016 var införlivandet av ett Te -lager på baksidan av (nedan) CdTe, vilket gav en förbättrad kontakt och högre effektivitet. Dessa förbättringar gjorde att CSU PV:s effektivitet nådde 18,3 procent (oberoende certifierad) 2016.

Det största genombrottet, dock, var införandet av ett legeringsskikt av CdTe och CdSe (CdSeTe) framför CdTe. En fördel med CdSeTe-lagret är dess mindre bandgap, vilket gör det möjligt att producera mer ström. Mer viktigt, dock, den har en mycket längre rekombinationslivslängd än CdTe, och det verkar bilda ett elektriskt fält i gynnsam riktning vid övergången till CdTe. Dessa egenskaper tillsammans har flyttat cellspänningen cirka 80 mV närmare bandgapet, och effektiviteten vid CSU-labb (utan antireflekterande [AR]-beläggning) nådde 19,2 procent 2017.

Förutom den höga celleffektiviteten, CSU -teamet har byggt CdTe -strukturer för att lägga grunden för nästa prestationsgenombrott. Till exempel, strukturerna har uppnått livstider för fotogenererade elektroner över 1, 000 nanosekunder, jämfört med mindre än 10 nanosekunder i de flesta CdTe -celler. Dessutom, CSU:s strukturer visar gränssnittsrekombinationshastigheter mindre än 80 cm/sek. jämfört med typiska värden över 104 cm/sek. Samtidigt, partners vid Washington State Univ. och National Renewable Energy Laboratory har uppnått dopingnivåer för hål i CdTe över 10 ¹⁶ centimeter ^–3 , vilket är mycket större än den typiska mid-10 ¹⁴ centimeter ^–3 räckvidd.

Dessa prestationer banar en tydlig väg mot ännu högre celleffektivitet, och gör 25 procent till ett realistiskt kortsiktigt (3-årigt) mål och 30 procent till ett nåbart långsiktigt mål. Effektivitetsvinsterna kommer att leda till lägre LCOE från CdTe PV. Dessutom, forskningen vid CSU utförs på pilotskalasystem, som lätt kan översättas till industriell tillverkning.

"Forskarna vid CSU upprätthåller en nära koppling mellan laboratorieforskning och vad som är kommersiellt påverkande, "säger Markus Gloeckler, Chefsforskare på First Solar. First Solar är den största tillverkaren av CdTe PV-moduler.