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Cadmiumtellurid

Über diesen Artikel

Lesezeit

3 Minuten

Veröffentlichung

04.01.2021

Letztes Update

20.05.2022

Eigenschaften von Cadmiumtellurid | CdTe-Solarmolude: Aufbau und Stand der Forschung

Inhalt des Wiki-Artikels


CdTe – Eigenschaften und Verwendung von Cadmiumtellurid

Cadmiumtellurid ist ein schwarzes kristallines Pulver und hat die Summenformel CdTe. Es besteht aus einer Verbindung von Cadmium und Tellur. CdTe ist geruchlos, sein Aggregatzustand ist fest, in Wasser ist es nicht löslich. Der Schmelzpunkt von Cadmiumtellurid liegt bei 1041 °C. Bei der Verarbeitung von CdTe sind Vorsichtsmaßnahmen zu beachten, da es als gesundheitsschädlich und umweltgefährlich gekennzeichnet ist. Unter anderem müssen bei direkten Berührungen Handschuhe getragen werden. CdTe-Staub sollte nicht eingeatmet werden, da die Verbindung toxisch ist. Cadmiumtellurid ist gesundheitsschädlich bei Verschlucken, Hautkontakt oder Einatmen. Darüber hinaus ist CdTe gewässergefährdend, es ist sehr giftig für Wasserorganismen mit einer langfristigen Wirkung. Deshalb ist eine Freisetzung in die Umwelt unbedingt zu vermeiden. Verwendet wird Cadmiumtellurid zum Beispiel als Material für Solarzellen.1

Solarzellen aus Cadmiumtellurid

Aus Cadmiumtellurid gefertigte Solarzellen bringen einige Vorteile mit sich, zum Beispiel lassen sich mit dem Material sehr gut Dünnschichtmodule herstellen. Kritisch gesehen wird allerdings, dass in der Verbindung das Schwermetall Cadmium enthalten ist. Vor allem der Staub, der bei der Verarbeitung der Module entsteht, birgt Risiken, da sich die schädliche Wirkung von Schwermetallen häufig in der Lunge entfaltet. Ob CdTe ebenso gesundheitsschädlich ist wie Cadmium, ist bislang allerdings noch nicht abschließend erforscht. Denn in Cadmiumtellurid liegt Cadmium nicht in elementarer Form vor, sondern in einer sehr stabilen chemischen Verbindung. In der Verwendung sind Cadmiumtellurid-Solarzellen weniger risikobehaftet, da sie hermetisch zwischen Glasscheiben verschlossen sind. Wichtig sind Recyclingprozesse mit geschlossenen Stoffkreisläufen, um zu verhindern, dass CdTe in die Umwelt gelangt.

Die Eigenschaften von Cadmiumtellurid sind für die Fertigung von Solarzellen vorteilhaft. CdTe ist ein p-dotierter Halbleiter mit einem hohen Absorptionsvermögen und deshalb als Material für Dünnschichtmodule bestens geeignet. Für die Produktion sind nur wenige Säuren und Gifte notwendig, darüber hinaus ist sie sehr kostengünstig. Im Vergleich zu Solarzellen aus Silizium sind Cadmiumtellurid-Solarzellen nicht nur in der Herstellung günstiger, sie erreichen außerdem einen höheren Wirkungsgrad.

Herstellung von CdTe-Solarmodulen

CdTe-Dünnschicht-Solarzellen bestehen aus einer Cadmiumtellurid-Schicht und weiteren Schichten, die nacheinander auf eine Glasscheibe abgeschieden werden. Als erstes wird ein transparentes leitendes Oxid (TCO) als Frontkontakt, danach eine sehr dünne Schicht mit dem n-dotierten Halbleiter Cadmiumsulfid (CdS) und schließlich die aktive CdTe-Schicht aufgebracht, dann erfolgt die Abscheidung des Rückkontakts. Die Solarzellen werden anschließend zu Modulen verschaltet.

Als TCO wird oft Indiumzinnoxid oder fluordotiertes Zinnoxid verwendet, das etwa 100 bis 500 Nanometer (nm) dick aufgetragen wird. Die CdS-Schicht hat in der Regel eine Dicke von 80 bis 200 nm. Die CdTe-Schicht ist bei Dünnschicht-Solarzellen nur fünf bis acht Mikrometer (μm) dick. Der Rückkontakt kann zum Beispiel aus einer Tellurschicht als primärem Kontakt und einem metallischen Leiter als sekundärem Kontakt bestehen. Letzterer ist in Laboren gewöhnlich aus Gold, während bei großflächigen kommerziellen Anwendungen Metalle wie Molybdän oder Nickel/Vanadium eingesetzt werden. Die sogenannte Aktivierung, eine Temperaturbehandlung in chlorhaltiger Umgebung, vor der Präparation des Rückkontakts sorgt dafür, dass Cadmiumtellurid-Solarzellen verbesserte Leistungsmerkmale aufweisen.

Kommerzielle Cadmiumtellurid-Dünnschichtmodule haben einen Wirkungsgrad von rund zehn Prozent, unter Laborbedingungen wurden 16,5 Prozent erreicht. Der theoretische Wirkungsgrad von CdTe-Solarmodulen liegt bei 29,7 Prozent. Gefahrenstellen für die Umwelt im Fertigungsprozess sind die Abscheidekammern, in denen Cadmiumtellurid und Cadmiumsulfit verdampfen, sowie das Abwasser aus dem Chloridprozess.2

Forschung zu Cadmiumtellurid-Dünnschichtmodulen

Bislang sind rund 90 Prozent aller Photovoltaik (PV)-Anlagen weltweit mit auf kristallinem Silizium basierenden Solarzellen ausgestattet. Doch Cadmiumtellurid-Dünnschichtmodule könnten ihnen Konkurrenz machen, wie Forschungen zeigen. Ein gemeinsames Projekt des Fraunhofer-Centers für Silizium-Photovoltaik (CSP) und der Calyxo GmbH zielt darauf ab, CdTe-Solarmodule zu optimieren und sie für die Fertigung im Industriemaßstab nutzbar zu machen. Im Labormaßstab wurde bereits ein Wirkungsgrad von 18,7 Prozent erreicht.3

CdTe-Solarzellen in Form von Nanosäulen hat ein Team von der University of California in Berkeley entwickelt. Durch die dreidimensionale Struktur können diese rund dreimal so viel Sonnenlicht wie Solarzellen mit flach angeordneten Halbleiterschichten für die Stromerzeugung nutzen. Die Nanosäulen sind circa 200 nm dick und 500 nm hoch, sie können senkrecht und eng gepackt auf einem Areal angeordnet werden. Ein Vorteil ist, dass neben Glas auch Kunststoffe als Trägermaterial dienen können, so dass die Möglichkeit besteht, flexible Cadmiumtellurid-Solarzellen zu produzieren.4

Forschern von der Universität Paris-Saclay ist es gelungen, die Größe von Dünnschicht-Solarzellen aus Galliumarsenid (GaAs) um etwa neun Zehntel zu reduzieren. Mit Hilfe einer Spiegelschicht auf der Rückseite der GaAs-Schicht wird ein Wirkungsgrad von fast 20 Prozent erreicht. Die Spiegelschicht besteht aus Silber und Titandioxid, sie lenkt auftreffendes Sonnenlicht mehrmals durch die Galliumarsenid-Schicht und erhöht so den Wirkungsgrad. Das Prinzip lässt sich theoretisch auch auf andere Halbleitermaterialien wie Cadmiumtellurid und Kupfer-Indium-Gallium-Selenid übertragen.5

Das Halbleitermaterial aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen wird kurz CIGS genannt. Es bietet gegenüber anderen Dünnschicht-PV-Technologien mehrere Vorteile. Dünnschicht-Solarzellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Selenid erreichen einen Wirkungsgrad von 23,35 Prozent und CIGS-Module einen von 17,5 Prozent. Die Dünnschichtmodule lassen sich nicht nur in der Standardfarbe Schwarz herstellen, sondern auch farbig und mit Mustern. Zudem sind CIGS-Module aufgrund ihres leichten Gewichts nicht nur für Fassaden, Fenster und Gebäudedächer, sondern auch für Dächer von Fahrzeugen wie beispielsweise Elektroautos, Bahnen und Schiffen geeignet.6

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