A sustentabilidade energética representa um dos grandes desafios da sociedade moderna, e os fotovoltaicos solares de película fina fornecem uma das melhores oportunidades para expandir rapidamente o uso de energia renovável. Fotovoltaicos (PV) usando o telureto de cádmio semicondutor de película fina (CdTe) foram comercializados na escala de gigawatts (GW) por ano, com 17,5 GWs instalados globalmente.

Em muitos aplicativos de escala de utilidade, é mais barato gerar eletricidade usando CdTe PV do que combustíveis fósseis. O custo nivelado de energia (LCOE) do CdTe PV é de ~ $ 0,04 / kWh, enquanto o LCOE médio nacional de todas as fontes é de $ 0,11 / kWh. Além disso, as emissões do ciclo de vida do metal pesado Cd do CdTe PV são menores do que as da geração tradicional de eletricidade para a mesma quantidade de energia gerada. O CdTe usa aproximadamente um centésimo da quantidade de materiais semicondutores usados ​​para c-silício PV (o PV mais comum em uso hoje) e pode ser processado 24 vezes mais rápido do que c-silício.

Para reduzir ainda mais o custo da eletricidade do CdTe PV, Colorado State Univ. (CSU) pesquisadores e parceiros do Center for Next Generation Photovoltaics, um Centro de Pesquisa Cooperativa da Universidade da Indústria financiado pela National Science Foundation, desenvolveu um roteiro de desempenho (Figura 1). O progresso desde 2014 foi marcado por três avanços na estrutura celular básica do CdTe PV. O progresso foi possível graças aos recursos avançados de processamento de dispositivos desenvolvidos na CSU, combinados com a caracterização de materiais de última geração por seus parceiros.

O primeiro avanço foi a substituição da camada emissora tradicional de CdS por óxido de zinco dopado com magnésio (MZO). O MZO tem um bandgap maior que permite que mais fótons atinjam o absorvedor de CdTe. Além disso, MZO tem deslocamento de banda de condução que ajuda a reduzir a recombinação interfacial, preservando assim a tensão.

Uma segunda melhoria em 2016 foi a incorporação de uma camada de Te na parte de trás (abaixo) do CdTe, o que resultou em um contato melhorado e maior eficiência. Essas melhorias permitiram que a eficiência do CSU PV atingisse 18,3% (certificado de forma independente) em 2016.

O maior avanço, Contudo, foi a introdução de uma camada de liga de CdTe e CdSe (CdSeTe) na frente do CdTe. Uma vantagem da camada CdSeTe é seu menor espaçamento, o que permite produzir mais corrente. Mais importante, Contudo, tem um tempo de vida de recombinação muito mais longo do que o CdTe, e parece formar um campo elétrico na direção favorável na transição para CdTe. Essas características juntas moveram a tensão da célula cerca de 80 mV mais perto do bandgap, e a eficiência nos laboratórios da CSU (sem revestimento anti-reflexo [AR]) atingiu 19,2 por cento em 2017.

Além das altas eficiências celulares, a equipe da CSU construiu estruturas CdTe para estabelecer a base para a próxima descoberta de desempenho. Por exemplo, as estruturas alcançaram tempos de vida de elétrons fotogerados acima de 1, 000 nanossegundos, em comparação com menos de 10 nanossegundos na maioria das células CdTe. Além disso, As estruturas da CSU demonstram velocidades de recombinação interfacial inferiores a 80 cm / s, em comparação com valores típicos acima de 104 cm / seg. Simultaneamente, sócios da Washington State Univ. e o Laboratório Nacional de Energia Renovável alcançaram níveis de dopagem para buracos no CdTe acima de 10 ¹⁶ cm ^-3 , que é muito maior do que o típico mid-10 ¹⁴ cm ^-3 faixa.

Essas conquistas abrem um caminho claro para eficiências celulares ainda mais altas, e tornar 25% uma meta realista de curto prazo (3 anos) e 30% uma meta alcançável de longo prazo. Os ganhos de eficiência levarão à redução do LCOE do CdTe PV. Além disso, a pesquisa na CSU é realizada em sistemas em escala piloto, que pode ser prontamente traduzido para fabricação industrial.

"Os pesquisadores da CSU mantêm uma estreita relação entre a pesquisa de laboratório e o que é comercialmente impactante, "diz Markus Gloeckler, Cientista-chefe da First Solar. First Solar é o maior fabricante de módulos fotovoltaicos CdTe.