La sostenibilità energetica rappresenta una delle grandi sfide che la società moderna deve affrontare, e il solare fotovoltaico a film sottile forniscono una delle migliori opportunità per espandere rapidamente l'uso di energia rinnovabile. Il fotovoltaico (PV) che utilizza il tellururo di cadmio (CdTe) a semiconduttore a film sottile è stato commercializzato su scala di gigawatt (GW) all'anno, con 17,5 GW installati a livello globale.

In molte applicazioni su scala di utilità, è meno costoso generare elettricità utilizzando CdTe PV rispetto ai combustibili fossili. Il costo livellato dell'energia (LCOE) da CdTe PV è ~$0,04/kWh, mentre l'LCOE medio nazionale da tutte le fonti è 0,11/kWh. Per di più, le emissioni del ciclo di vita del metallo pesante Cd da CdTe PV sono inferiori a quelle della generazione elettrica tradizionale a parità di energia generata. CdTe utilizza circa un centesimo della quantità di materiali semiconduttori utilizzati per il fotovoltaico in silicio-c (il fotovoltaico più comune in uso oggi) e può essere processato 24 volte più velocemente del silicio-c.

Per ridurre ulteriormente il costo dell'elettricità da CdTe PV, Colorado State University (CSU) ricercatori e partner del Center for Next Generation Photovoltaics, un Centro di Ricerca Cooperativa Industria-Università finanziato dalla National Science Foundation, sviluppato una tabella di marcia delle prestazioni (Figura 1). I progressi dal 2014 sono stati contrassegnati da tre progressi nella struttura cellulare di base del CdTe PV. Il progresso è stato possibile grazie alle capacità avanzate di elaborazione dei dispositivi sviluppate presso la CSU combinate con la caratterizzazione dei materiali all'avanguardia da parte dei suoi partner.

Il primo passo avanti è stata la sostituzione del tradizionale strato emettitore di CdS con ossido di zinco drogato con magnesio (MZO). MZO ha un bandgap più elevato che consente a più fotoni di raggiungere l'assorbitore CdTe. Inoltre, MZO ha un offset della banda di conduzione che aiuta a ridurre la ricombinazione interfacciale, preservando così la tensione.

Un secondo miglioramento nel 2016 è stato l'incorporazione di uno strato di Te nella parte posteriore (sotto) del CdTe, che ha prodotto un contatto migliore e una maggiore efficienza. Questi miglioramenti hanno permesso all'efficienza del CSU PV di raggiungere il 18,3% (certificato in modo indipendente) nel 2016.

La più grande svolta, però, è stata l'introduzione di uno strato di lega di CdTe e CdSe (CdSeTe) davanti al CdTe. Un vantaggio dello strato CdSeTe è il suo bandgap più piccolo, che gli consente di produrre più corrente. Ma ancora più importante, però, ha una durata di ricombinazione molto più lunga del CdTe, e sembra formare un campo elettrico nella direzione favorevole alla transizione a CdTe. Queste caratteristiche insieme hanno spostato la tensione della cella di circa 80 mV più vicino al bandgap, e l'efficienza nei laboratori CSU (senza rivestimento antiriflesso [AR]) ha raggiunto il 19,2% nel 2017.

Oltre alle elevate efficienze cellulari, il team CSU ha costruito strutture CdTe per gettare le basi per la prossima svolta prestazionale. Per esempio, le strutture hanno raggiunto vite di elettroni fotogenerati superiori a 1, 000 nanosecondi, rispetto a meno di 10 nanosecondi nella maggior parte delle cellule CdTe. Inoltre, Le strutture della CSU dimostrano velocità di ricombinazione interfacciale inferiori a 80 cm/sec, rispetto a valori tipici superiori a 104 cm/sec. Simultaneamente, partner della Washington State Univ. e il National Renewable Energy Laboratory hanno raggiunto livelli di doping per buchi in CdTe superiori a 10 ¹⁶ cm ^–3 , che è molto maggiore del tipico mid-10 ¹⁴ cm ^–3 gamma.

Questi risultati aprono un chiaro percorso verso efficienze cellulari ancora più elevate, e rendere il 25% un obiettivo realistico a breve termine (3 anni) e il 30% un obiettivo raggiungibile a lungo termine. I guadagni di efficienza porteranno a un LCOE inferiore da CdTe PV. Inoltre, la ricerca al CSU è svolta su sistemi pilota, che può essere facilmente tradotto in produzione industriale.

"I ricercatori della CSU mantengono uno stretto accoppiamento tra la ricerca di laboratorio e ciò che ha un impatto commerciale, "dice Markus Gloeckler, Capo scienziato presso First Solar. First Solar è il più grande produttore di moduli fotovoltaici CdTe.