Il tellururo di cadmio (CdTe) è un composto cristallino stabile formato da cadmio e tellurio. È utilizzato principalmente come materiale semiconduttore nel fotovoltaico al tellururo di cadmio e in una finestra ottica a infrarossi. Di solito è inserito in sandwich con solfuro di cadmio per formare una cella fotovoltaica solare a giunzione pn. In genere, le celle fotovoltaiche CdTe utilizzano una struttura di nip.
| Proprietà | |
|---|---|
| Formula chimica | Cd Te |
| Massa molare | 240,01 g / mol |
| Densità | 5,85 g · cm -3 |
| Punto di fusione | 1.041 ° C (1.906 ° F, 1.314 K) |
| Punto di ebollizione | 1.050 ° C (1.920 ° F, 1.320 K) |
| solubilità in acqua | insolubile |
| Solubilità in altri solventi | insolubile |
| Band gap | 1,5 eV (@ 300 K, diretto) |
| Conduttività termica | 6,2 W · m / m 2 · K a 293 K |
| Indice di rifrazione ( n D ) | 2,67 (@ 10 μm) |
| Struttura | |
| Struttura di cristallo | Zinco blende |
| Gruppo spaziale | F 4 3m |
| Costante del reticolo | a = 648 pm |
| Termochimica | |
| Capacità di calore ( C ) | 210 J / kg · K a 293 K |
| pericoli | |
| Classificazione UE (DSD) (obsoleto) | Nocivo ( Xn ) Pericoloso per l’ambiente ( N ) |
| Frasi R (obsolete) | R20 / 21/22 , R50 / 53 |
| Frasi S (obsolete) | (S2) , S60 , S61 |
| Limiti di esposizione sanitaria negli Stati Uniti (NIOSH): | |
| PEL (ammessa) | [1910.1027] TWA 0,005 mg / m 3 (come Cd) |
| REL (consigliata) | Circa |
| IDLH (pericolo immediato) | Ca [9 mg / m 3 (come Cd)] |
applicazioni
CdTe viene utilizzato per realizzare celle solari a film sottile, che rappresentano circa l’8% di tutte le celle solari installate nel 2011. Sono tra i tipi di celle solari più economiche, anche se un confronto tra il costo totale installato dipende dalle dimensioni dell’impianto e da molti altri fattori e è cambiato rapidamente di anno in anno. Il mercato delle celle solari CdTe è dominato da First Solar. Nel 2011 sono stati prodotti circa 2 GWp di celle solari CdTe; Per maggiori dettagli e discussioni vedi il fotovoltaico del tellururo di cadmio.
CdTe può essere legato al mercurio per creare un versatile materiale per rivelatori a infrarossi (HgCdTe). CdTe in lega con una piccola quantità di zinco rende un eccellente rivelatore a raggi X e raggi gamma a stato solido (CdZnTe).
CdTe viene utilizzato come materiale ottico a infrarossi per finestre e obiettivi ottici e ha dimostrato di fornire buone prestazioni in un’ampia gamma di temperature. Una prima forma di CdTe per uso IR era commercializzata con il nome commerciale di Irtran-6, ma questo è obsoleto.
CdTe è anche applicato per modulatori elettro-ottici. Ha il più alto coefficiente elettro-ottico dell’effetto elettro-ottico lineare tra i cristalli composti II-VI (r41 = r52 = r63 = 6,8 × 10-12 m / V).
CdTe drogato con cloro viene utilizzato come rivelatore di radiazioni per raggi X, raggi gamma, particelle beta e particelle alfa. CdTe può funzionare a temperatura ambiente permettendo la costruzione di rivelatori compatti per un’ampia varietà di applicazioni nella spettroscopia nucleare. Le proprietà che rendono CdTe superiore per la realizzazione di rivelatori di raggi gamma e di raggi X ad alte prestazioni sono il numero atomico elevato, la grande mobilità di banda proibita e gli alti elettroni ~ 1100 cm2 / V • s, che si traducono in un prodotto intrinseco μτ (mobilità-vita) e quindi un alto grado di raccolta di carica e un’eccellente risoluzione spettrale. A causa delle carenti proprietà di trasporto cariche dei fori, ~ 100 cm2 / V • s, vengono utilizzate geometrie di rivelazione a sensore singolo portante per produrre spettroscopia ad alta risoluzione; questi includono griglie complanari, rivelatori di colletti e piccoli rilevatori di pixel.
Proprietà fisiche
Coefficiente di dilatazione termica: 5,9 × 10-6 / K a 293 K
Modulo di Young: 52 GPa
Rapporto di Poisson: 0,41
Proprietà ottiche ed elettroniche
Bulk CdTe è trasparente nell’infrarosso, da vicino alla sua energia di banda proibita (1,5 eV a 300 K, che corrisponde alla lunghezza d’onda dell’infrarosso di circa 830 nm) fino a lunghezze d’onda superiori a 20 μm; corrispondentemente, CdTe è fluorescente a 790 nm. Poiché le dimensioni dei cristalli CdTe sono ridotte a pochi nanometri o meno, rendendole così punti quantici CdTe, il picco di fluorescenza si sposta attraverso l’intervallo visibile nell’ultravioletto.
Proprietà chimiche
CdTe è insolubile in acqua. CdTe ha un punto di fusione elevato di 1041 ° C con evaporazione a partire da 1050 ° C. CdTe ha una pressione di vapore pari a zero a temperature ambiente. CdTe è più stabile rispetto ai suoi composti genici cadmio e tellurio e la maggior parte degli altri composti Cd, a causa del suo alto punto di fusione e insolubilità.
Il tellururo di cadmio è disponibile in commercio come polvere o come cristalli. Può essere trasformato in nanocristalli.
Valutazione tossicologica
Il composto CdTe ha diverse qualità rispetto ai due elementi, cadmio e tellurio, presi separatamente.Gli studi di tossicità mostrano che CdTe è meno tossico del cadmio elementare. CdTe ha una bassa tossicità acuta per inalazione, per via orale e acquatica ed è negativo nel test di mutagenicità di Ames. In base alla notifica di tali risultati all’Agenzia europea delle sostanze chimiche (ECHA), CdTe non è più classificato come nocivo se ingerito o nocivo a contatto con la pelle e la classificazione della tossicità per la vita acquatica è stata ridotta. Una volta acquisito e incapsulato correttamente e in modo sicuro, CdTe utilizzato nei processi di produzione può essere reso innocuo. Gli attuali moduli CdTe superano il test TCLP (Toxicity Characteristic Leaching Procedure) della statunitense EPA, progettato per valutare il potenziale di lisciviazione a lungo termine dei prodotti smaltiti in discarica.
Un documento ospitato dal National Institutes of Health degli Stati Uniti del 2003 rivela che:
Brookhaven National Laboratory (BNL) e US Department of Energy (DOE) stanno nominando il tellururo di cadmio (CdTe) per l’inclusione nel National Toxicology Program (NTP). Questa nomina è fortemente supportata dal National Renewable Energy Laboratory (NREL) e First Solar Inc. Il materiale ha il potenziale per applicazioni diffuse nella generazione di energia fotovoltaica che coinvolgerà estese interfacce umane. Pertanto, riteniamo che uno studio tossicologico definitivo sugli effetti dell’esposizione a lungo termine a CdTe sia una necessità.
I ricercatori del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti hanno scoperto che l’uso su larga scala dei moduli fotovoltaici CdTe non presenta alcun rischio per la salute e l’ambiente, e il riciclaggio dei moduli alla fine della loro vita utile risolve completamente qualsiasi problema ambientale. Durante il loro funzionamento, questi moduli non producono alcun inquinante e, inoltre, sostituendo i combustibili fossili, offrono grandi benefici ambientali. I moduli fotovoltaici CdTe che utilizzano il cadmio come materia prima sembrano essere più rispettosi dell’ambiente di tutti gli altri usi correnti di Cd. CdTe PV fornisce una soluzione sostenibile a un potenziale eccesso di offerta di cadmio nel prossimo futuro. Il cadmio è generato come sottoprodotto di scarto della raffinazione dello zinco ed è generato in quantità sostanziali indipendentemente dal suo utilizzo nel fotovoltaico, a causa della domanda di prodotti di acciaio.
Disponibilità
Al momento, il prezzo delle materie prime cadmio e tellurio è una percentuale trascurabile del costo delle celle solari CdTe e di altri dispositivi CdTe. Tuttavia, il tellurio è un elemento relativamente raro (1-5 parti per miliardo nella crosta terrestre; vedi Abbondanza degli elementi (pagina dei dati)).Attraverso il miglioramento dell’efficienza dei materiali e l’aumento dei sistemi di riciclaggio FV, l’industria fotovoltaica CdTe ha il potenziale per poter contare completamente sul tellurio dai moduli riciclati al termine del ciclo di vita entro il 2038. Per ulteriori informazioni, vedere il fotovoltaico al tellururo di cadmio. Un altro studio mostra che il riciclaggio di CdTe PV aggiungerà una significativa risorsa secondaria di Te che, in combinazione con un migliore utilizzo del materiale, consentirà una capacità cumulativa di circa 2 TW entro il 2050 e 10 TW entro la fine del secolo.