Un team della Washington State University ha sviluppato un sistema più efficiente, più sicuro, e conveniente per produrre materiale in tellururo di cadmio (CdTe) per celle solari o altre applicazioni, una scoperta che potrebbe far progredire l'industria solare e renderla più competitiva.

I ricercatori hanno dimostrato di poter far crescere rapidamente una grande quantità di materiale CdTe di elevata purezza, un cristallo delle dimensioni di più di un chilogrammo in un giorno, che sarebbe considerato fulmineo nel settore. La tecnica, che utilizza un forno ad alta pressione per produrre grandi quantità del materiale di base di cristallo necessario, è del 45% più conveniente rispetto allo standard del settore ed è scalabile, che potrebbe rendere la tecnologia solare CdTe meno costosa del gas naturale. Il materiale cristallino prodotto ha anche proprietà elettriche migliori di quelle attualmente disponibili.

Lavorando in collaborazione con il National Renewable Energy Laboratory (NREL) e il partner industriale Nious Technologies, Inc., i ricercatori riferiscono sul loro lavoro nel Diario della Crescita dei Cristalli .

I fotovoltaici CdTe sono una tecnologia più recente rispetto alle comuni celle solari al silicio e sono competitivi in ​​termini di efficienza. Hanno anche prestazioni migliori con tempo caldo e umido. Mentre le celle solari CdTe potrebbero fornire vantaggi significativi in ​​termini di costi ed efficienza rispetto al silicio, rappresentano attualmente meno del 10% del mercato solare, principalmente alla scala di utilità. In particolare, gli attuali metodi di produzione sono lenti, costoso, ingombrante e non ha la flessibilità di personalizzare.

"In questo momento c'è un enorme nodo nella produzione di materie prime, " ha detto Santosh Swain, professore assistente di ricerca presso l'Istituto di ricerca sui materiali e coautore del documento. "L'industria solare ha costantemente aumentato l'efficienza dei dispositivi e la fabbricazione di dispositivi, ma ulteriori guadagni di efficienza e riduzione dei costi richiedono un miglioramento delle proprietà del materiale CdTe."

L'attuale processo di produzione prevede la cottura del materiale CdTe in un tubo di vetro sigillato per contenere la reazione. Ci vuole molto tempo, i tubi non sono riutilizzabili, e il vetro di silice è limitato in quanto calore, messa, e la pressione che può richiedere. A causa delle preoccupazioni per l'esplosione del materiale, l'industria è limitata nella dimensione dei cristalli che possono crescere. Per realizzare celle solari, i cristalli vengono poi evaporati su substrato di vetro per formare film molto sottili.

La nuova tecnica utilizza un forte crogiolo di grafite, e il materiale viene cotto in un forno Bridgman ad alta pressione. L'ambiente ad alta pressione elimina completamente la possibilità di esplosioni e consente inoltre ai ricercatori di aggiungere facilmente un'alta concentrazione di materiali aggiuntivi, chiamati droganti, durante il processo di fabbricazione che migliorano le prestazioni del materiale. Nel 2016, il team di ricerca della WSU in collaborazione con NREL e l'Università del Tennessee ha notevolmente migliorato la tecnologia CdTe aggiungendo fosforo come drogante, superando un limite di 1 Volt che era stato perseguito per sei decenni. Per questo progetto, i ricercatori hanno aggiunto l'arsenico come drogante.

L'aggiunta di droganti altamente volatili durante il processo di produzione delle materie prime elimina anche la necessità di drogare dopo la deposizione del film che può causare problemi di non uniformità, disse Tawfeeq Al-Hamdi, un dottorato di ricerca studente e autore principale della carta.

"Il doping è una strategia chiave, " ha detto il co-autore Seth McPherson. "A 80 atmosfere di pressione, puoi davvero spingere i droganti nel materiale, e non devi preoccuparti che evaporino dal cristallo o sfuggano in altro modo al sistema."