Le tellurure de cadmium (CdTe) est un composé cristallin stable formé à partir de cadmium et de tellure. Il est principalement utilisé comme matériau semi-conducteur dans le photovoltaïque au tellurure de cadmium et dans une fenêtre optique infrarouge. Il est généralement pris en sandwich avec du sulfure de cadmium pour former une cellule photovoltaïque solaire à jonction pn.Généralement, les cellules PV CdTe utilisent une structure de pincement.
| Propriétés | |
|---|---|
| Formule chimique | Cd Te |
| Masse molaire | 240.01 g / mol |
| Densité | 5,85 g.cm -3 |
| Point de fusion | 1 041 ° C (1 906 ° F; 1 314 K) |
| Point d’ébullition | 1,050 ° C (1,920 ° F; 1,320 K) |
| solubilité dans l’eau | insoluble |
| Solubilité dans d’autres solvants | insoluble |
| Bande interdite | 1,5 eV (à 300 K, direct) |
| Conductivité thermique | 6,2 W · m / m 2 · K à 293 K |
| Indice de réfraction ( n D ) | 2,67 (@ 10 µm) |
| Structure | |
| Structure en cristal | Blende au zinc |
| Groupe de l’espace | F 4 3m |
| Treillis constant | a = 648 pm |
| Thermochimie | |
| Capacité calorifique ( C ) | 210 J / kg · K à 293 K |
| Dangers | |
| Classification UE (DSD) (obsolète) | Nocif ( Xn ) Dangereux pour l’environnement ( N ) |
| Phrases R (obsolètes) | R20 / 21/22 , R50 / 53 |
| Phrases S (obsolètes) | (S2) , S60 , S61 |
| Limites d’exposition aux États-Unis (NIOSH): | |
| PEL (Permis) | [1910.1027] TWA 0.005 mg / m 3 (en Cd) |
| REL (recommandé) | Californie |
| IDLH (danger immédiat) | Ca [9 mg / m 3 (en Cd)] |
Applications
CdTe est utilisé pour fabriquer des cellules solaires à couche mince, représentant environ 8% de toutes les cellules solaires installées en 2011. Elles font partie des types de cellules solaires les moins chers, même si la comparaison du coût total installé dépend de la taille de l’installation et de nombreux autres facteurs. , et a changé rapidement d’année en année. Le marché des cellules solaires CdTe est dominé par First Solar. En 2011, environ 2 GWp de cellules solaires CdTe ont été produites; Pour plus de détails et de discussion, voir le photovoltaïque au tellurure de cadmium.
Le CdTe peut être allié au mercure pour produire un matériau de détection infrarouge polyvalent (HgCdTe). Le CdTe allié à une petite quantité de zinc constitue un excellent détecteur de rayons X et de rayons gamma à l’état solide (CdZnTe).
CdTe est utilisé comme matériau optique infrarouge pour les fenêtres et les lentilles optiques. Il est prouvé qu’il offre de bonnes performances sur une large plage de températures. Une première forme de CdTe pour une utilisation IR a été commercialisée sous le nom de marque Irtran-6, mais elle est obsolète.
CdTe est également appliqué aux modulateurs électro-optiques. Il a le plus grand coefficient électro-optique de l’effet électro-optique linéaire parmi les cristaux composés II-VI (r41 = r52 = r63 = 6,8 × 10 -12 m / V).
Le CdTe dopé au chlore est utilisé comme détecteur de rayonnement pour les rayons X, les rayons gamma, les particules bêta et les particules alpha. CdTe peut fonctionner à température ambiante permettant la construction de détecteurs compacts pour une grande variété d’applications en spectroscopie nucléaire. Les propriétés qui rendent le CdTe supérieur pour la réalisation de détecteurs de rayons gamma et de rayons X haute performance sont un nombre atomique élevé, une grande largeur de bande interdite et une mobilité électronique élevée ~ 1100 cm2 / V •, ce qui permet d’obtenir un produit et donc un haut degré de collecte de charge et une excellente résolution spectrale. En raison des mauvaises propriétés de transport de charge des trous, des géométries de détecteur à détection de porteuse unique sont utilisées pour produire une spectroscopie à haute résolution d’environ 100 cm2 / V • s; Celles-ci comprennent des grilles coplanaires, des détecteurs à collier et des petits détecteurs de pixels.
Propriétés physiques
Coefficient de dilatation thermique: 5,9 × 10−6 / K à 293 K
Module de Young: 52 GPa
Coefficient de Poisson: 0.41
Propriétés optiques et électroniques
Bulk CdTe est transparent dans l’infrarouge, proche de son énergie de bande interdite (1,5 eV à 300 K, ce qui correspond à une longueur d’onde infrarouge d’environ 830 nm) pour des longueurs d’onde supérieures à 20 µm; de manière correspondante, le CdTe est fluorescent à 790 nm. Comme la taille des cristaux de CdTe est réduite à quelques nanomètres ou moins, ce qui en fait des points quantiques de CdTe, le pic de fluorescence se déplace dans l’ultraviolet à travers le visible.
Propriétés chimiques
CdTe est insoluble dans l’eau. CdTe a un point de fusion élevé de 1041 ° C avec évaporation commençant à 1050 ° C. CdTe a une pression de vapeur de zéro aux températures ambiantes. Le CdTe est plus stable que ses composés d’origine, le cadmium et le tellure et la plupart des autres composés de Cd, en raison de son point de fusion élevé et de son insolubilité.
Le tellurure de cadmium est disponible dans le commerce sous forme de poudre ou de cristaux. Il peut être transformé en nanocristaux.
Évaluation toxicologique
Le composé CdTe a des qualités différentes des deux éléments, le cadmium et le tellure, pris séparément. Des études de toxicité montrent que le CdTe est moins toxique que le cadmium élémentaire. Le CdTe présente une faible toxicité aiguë par inhalation, par voie orale et aquatique et est négatif dans le test de mutagénicité d’Ames. Suite à la notification de ces résultats à l’Agence européenne des produits chimiques (ECHA), le CdTe n’est plus classé comme nocif s’il est ingéré ni nocif au contact de la peau et la classification de la toxicité pour la vie aquatique a été réduite. Une fois correctement capturés et encapsulés, le CdTe utilisé dans les processus de fabrication peut être rendu inoffensif. Les modules CdTe actuels satisfont au test de TCLP (procédure de lixiviation des caractéristiques de toxicité) de l’EPA, conçu pour évaluer le potentiel de lixiviation à long terme des produits éliminés dans les décharges.
Un document hébergé par les instituts nationaux de la santé des États-Unis en 2003 révèle que:
Brookhaven National Laboratory (BNL) et le Department of Energy (DOE) des États-Unis nomment le tellurure de cadmium (CdTe) pour inclusion dans le programme national de toxicologie (NTP).Cette nomination est fortement soutenue par le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) et par First Solar Inc. Le matériau a le potentiel pour des applications étendues dans la génération d’énergie photovoltaïque qui impliqueront des interfaces humaines étendues. Par conséquent, nous considérons qu’une étude toxicologique définitive des effets d’une exposition à long terme au CdTe est une nécessité.
Des chercheurs du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’Énergie ont constaté que l’utilisation à grande échelle de modules photovoltaïques CdTe ne présentait aucun risque pour la santé et l’environnement et que le recyclage des filtres à la fin de leur vie utile préoccupations environnementales. Pendant leur fonctionnement, ces modules ne produisent aucun polluant et, en outre, en remplaçant les combustibles fossiles, ils offrent de grands avantages environnementaux. Les modules photovoltaïques CdTe qui utilisent le cadmium comme matière première semblent être plus écologiques que toutes les autres utilisations actuelles du Cd. CdTe PV fournit une solution durable à une offre excédentaire potentielle de cadmium dans un avenir proche.Le cadmium est généré en tant que sous-produit des déchets de raffinage du zinc et est généré en quantités substantielles, indépendamment de son utilisation dans le photovoltaïque, en raison de la demande de produits en acier.
Disponibilité
A l’heure actuelle, le prix des matières premières que sont le cadmium et le tellure représente une part négligeable du coût des cellules solaires CdTe et des autres dispositifs CdTe. Cependant, le tellure est un élément relativement rare (1 à 5 parties par milliard dans la croûte terrestre; voir Abondances des éléments (page de données)). Grâce à une efficacité des matériaux améliorée et à des systèmes de recyclage PV accrus, l’industrie photovoltaïque CdTe a le potentiel de compter entièrement sur le tellure des modules recyclés en fin de vie d’ici 2038. Voir le photovoltaïque de tellurure de cadmium pour plus d’informations. Une autre étude montre que le recyclage de PV de CdT va ajouter une ressource secondaire importante de Te qui, associée à une meilleure utilisation des matériaux, permettra une capacité cumulée d’environ 2 TW d’ici 2050 et de 10 TW d’ici la fin du siècle.