Energieduurzaamheid is een van de grote uitdagingen waarmee de moderne samenleving wordt geconfronteerd, en dunne-film fotovoltaïsche zonne-energie bieden een van de beste kansen voor een snel groeiend gebruik van hernieuwbare energie. Fotovoltaïsche zonne-energie (PV) die gebruik maakt van de dunne-film halfgeleider cadmiumtelluride (CdTe) is gecommercialiseerd op een gigawatt (GW)-per-jaarschaal, met 17,5 GW wereldwijd geïnstalleerd.

In veel toepassingen op utiliteitsschaal, het is goedkoper om met CdTe PV elektriciteit op te wekken dan fossiele brandstoffen. De levelized cost of energy (LCOE) van CdTe PV is ~$0,04/kWh, terwijl het nationale gemiddelde LCOE uit alle bronnen $ 0,11/kWh is. Verder, de levenscyclusemissies van de zware metalen Cd van CdTe PV zijn lager dan die van traditionele elektriciteitsopwekking voor dezelfde hoeveelheid opgewekte energie. CdTe gebruikt ongeveer een honderdste van de hoeveelheid halfgeleidermaterialen die wordt gebruikt voor c-silicium PV (de meest voorkomende PV die tegenwoordig wordt gebruikt) en kan 24 keer sneller worden verwerkt dan c-silicium.

Om de elektriciteitskosten van CdTe PV verder te verlagen, Colorado State Univ. (CSU) onderzoekers en partners bij het Center for Next Generation Photovoltaics, een Industry-University Cooperative Research Center gefinancierd door de National Science Foundation, een prestatie-roadmap ontwikkeld (Figuur 1). De vooruitgang sinds 2014 werd gekenmerkt door drie vorderingen in de basiscelstructuur van CdTe PV. De vooruitgang was mogelijk dankzij geavanceerde apparaatverwerkingsmogelijkheden die door CSU zijn ontwikkeld in combinatie met de modernste materiaalkarakterisering door haar partners.

De eerste stap was de vervanging van de traditionele CdS-emitterlaag door met magnesium gedoteerd zinkoxide (MZO). MZO heeft een hogere bandgap waardoor meer fotonen de CdTe-absorber kunnen bereiken. In aanvulling, MZO heeft geleidingsband-offset die grensvlakrecombinatie helpt verminderen, waardoor de spanning behouden blijft.

Een tweede verbetering in 2016 was het aanbrengen van een Te-laag aan de achterzijde van (onder) de CdTe, wat een verbeterd contact en een hoger rendement opleverde. Dankzij deze verbeteringen kon de efficiëntie van de CSU PV in 2016 18,3 procent (onafhankelijk gecertificeerd) bereiken.

De grootste doorbraak echter, was de introductie van een legeringslaag van CdTe en CdSe (CdSeTe) voor de CdTe. Een voordeel van de CdSeTe-laag is de kleinere bandgap, waardoor hij meer stroom kan produceren. Belangrijker, echter, het heeft een veel langere recombinatielevensduur dan CdTe, en het blijkt bij de overgang naar CdTe een elektrisch veld in de gunstige richting te vormen. Deze kenmerken samen hebben de celspanning ongeveer 80 mV dichter bij de bandgap gebracht, en efficiëntie bij CSU-labs (zonder antireflecterende [AR]-coating) bereikte 19,2 procent in 2017.

Naast de hoge celefficiëntie, het CSU-team heeft CdTe-structuren gebouwd om de basis te leggen voor de volgende prestatiedoorbraak. Bijvoorbeeld, de structuren hebben een levensduur van fotogegenereerde elektronen van meer dan 1 bereikt 000 nanoseconden, vergeleken met minder dan 10 nanoseconden in de meeste CdTe-cellen. In aanvulling, De structuren van CSU vertonen grensvlakrecombinatiesnelheden van minder dan 80 cm/sec, vergeleken met typische waarden boven 104 cm/sec. gelijktijdig, partners bij de Washington State Univ. en het National Renewable Energy Laboratory hebben dopingniveaus bereikt voor gaten in CdTe boven 10 ¹⁶ cm ^–3 , die veel groter is dan de typische mid-10 ¹⁴ cm ^–3 bereik.

Deze prestaties effenen een duidelijk pad naar een nog hogere celefficiëntie, en maak van 25 procent een realistisch doel voor de korte termijn (3 jaar) en van 30 procent een haalbaar doel voor de lange termijn. De efficiëntiewinsten zullen leiden tot een lagere LCOE van CdTe PV. In aanvulling, het onderzoek bij CSU wordt uitgevoerd op pilotschaalsystemen, die gemakkelijk kan worden vertaald naar industriële productie.

"De onderzoekers van CSU onderhouden een nauwe koppeling tussen laboratoriumonderzoek en wat commercieel impact heeft, " zegt Markus Gloeckler, Chief Scientist bij First Solar. First Solar is de grootste fabrikant van CdTe PV-modules.