mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2023-1-17-25IKUSFBmateltech-505Research ArticleМатериаловедение и технология. ПолупроводникиMATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. SEMICONDUCTORSТеллурид кадмия для высокоэффективных солнечных элементовCadmium telluride for high-efficiency solar cellshttps://orcid.org/0000-0003-2541-961XМарончукИ. И.MaronchukI. I.

1-й Люсиновский пер., д. 3Б, Москва, 119049

Марончук Игорь Игоревич — канд. техн. наук, начальник производства

3B 1st Lyusinovsky Lane, Moscow 119049

Igor I. Maronchuk — Cand. Sci. (Eng.), Director of Operations

igimar@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8576-1199СаниковичД. Д.SanikovichD. D.

1-й Люсиновский пер., д. 3Б, Москва, 119049

Саникович Дарья Дмитриевна — главный технолог

3B 1st Lyusinovsky Lane, Moscow 119049

Daria D. Sanikovich — Chief Technologist

sanikovichd@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0834-9007ДавыдоваЕ. В.DavydovaE. V.

1-й Люсиновский пер., д. 3Б, Москва, 119049

Давыдова Елена Васильевна — коммерческий директор

3B 1st Lyusinovsky Lane, Moscow 119049

Elena V. Davydova — Commercial Director

davydova@adv-engineering.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0169-5014ТабачковаН. Ю.TabachkovaN. Yu.

ул. Вавилова, д. 38, Москва, 119991

Табачкова Наталия Юрьевна — кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков

38 Vavilov Str., Moscow 119991

Nataliya Yu. Tabachkova — Cand. Sci. (Phys.-Math.)

ntabachkova@gmail.comООО «АДВ-Инжиниринг»РоссияADV-Engineering, LLCRussian FederationИнститут общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наукРоссияProkhorov General Physics Institute of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2023140420232611725Copyright © Марончук И.И., Саникович Д.Д., Давыдова Е.В., Табачкова Н.Ю., 20232023Марончук И.И., Саникович Д.Д., Давыдова Е.В., Табачкова Н.Ю.Maronchuk I.I., Sanikovich D.D., Davydova E.V., Tabachkova N.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/505

Рассмотрены проблемы производства порошков теллурида кадмия заданных чистоты и гранулометрического состава, предназначенных для изготовления высокоэффективных солнечных элементов. Получена опытная партия порошков, на основе которых изготовлены и исследованы образцы пленочных солнечных элементов с параметрами на уровне ведущих мировых стандартов. Методом рентгеновской дифрактометрии определен фазовый состав образцов порошков и пленок, методом растровой электронной микроскопии — структурный анализ и измерение элементного состава. Описано влияние наличия фазы свободного теллура в порошках на ресурсные характеристики полученных приборов. Показано, что в пленках избыток теллура, который расположен преимущественно по границам зерен, может приводить со временем к ухудшению электрофизических характеристик солнечных элементов из-за изменения параметров кристаллической структуры фазы теллурида кадмия, вызванного изменением стехиометрического состава. Структурные исследования пленок не выявили в них отличий до и после ресурсных испытаний. Разработана, обоснована и опробована новая технологическая схема получения порошков теллурида кадмия с учетом преимуществ и недостатков используемой ранее технологии, проведены эксперименты, подтверждающие правильность выбранных решений. 

Problems of the synthesis of cadmium telluride powders having required purity and grain size distribution for high-efficiency solar cells have been analyzed. A test batch of powders has been synthesized and used for the manufacture and study of thin-film solar cell specimens exhibiting parameters compliant with the best worldwide standards. The phase composition of the powders has been studied using X-ray diffraction. Structural analysis and elemental composition measurements have been carried out using electron microscopy. The effect of free tellurium phase in the powders on the endurance of devices manufactured from the powder has been described. We show that excess tellurium in the film specimens whose atoms are predominantly localized along grain boundaries may cause temporal degradation of the electrical properties of the manufactured solar cells due to changes in the parameters of the crystalline structure of the cadmium telluride phase which are caused in turn by changes in the stoichiometric composition of the material. Structural studies of the film specimens have not revealed differences in the film structure before and after endurance tests. A new cadmium telluride powder process route has been developed, proven and tested taking into account the advantages and drawbacks of the previously used process and experiments confirming the correctness of the technical solutions chosen have been conducted.

порошкителлурид кадмиятонкие пленкинапылениесолнечный элементфазовый составэлементный составpowderscadmium telluridethin filmssputter depositionsolar cellphase compositionelemental compositionReferencesМарончук И.И., Широков И.Б. Методы определения водосодержания в нефти и нефтепродуктах, остаточного содержания нефтепродуктов в воде. Энергетические установки и технологии. 2017; 3(4): 130-145.Shirokov I.B., Maronchuk I.I. Methods for determining water content in oil and petroleum products, residual content of oil products in water. Energeticheskie ustanovki i tekhnologii. 2017; 3(4): 130—145. (In Russ.)Марончук И.И., Саникович Д.Д., Мирончук В.И. Солнечные элементы: современное состояние и перспективы развития. Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2019; 62(2): 105-123. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-2-105-123Maronchuk I.I., Sanikovich D.D., Mironchuk V.I. Solar cells: current state and development prospects. ENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations. 2019; 62(2): 105—123. (In Russ.). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-2-105-23Широков И.Б., Марончук И.И. Современное состояние развития основных типов неатомных анаэробных двигательных и энергетических установок (обзор). Энергетические установки и технологии. 2019; 5(2): 37-50.Shirokov I.B., Maronchuk I.I. The current state of development of the main types of non-nuclear anaerobic motor and energy systems (review). Energeticheskie ustanovki i tekhnologii. 2019; 5(2): 37—50. (In Russ.)Jäger-Waldau А. PV status report 2018. Luxembourg: Publications office of the European Union; 2018. 88 p. https://doi.org/10.2760/924363Jäger-Waldau А. PV status report 2018. Luxembourg: Publications office of the European Union; 2018. 88 p. https://doi.org/10.2760/924363Luceno-Sanchez J.A., Diez-Pascual A.M., Capilla R.P. Materials for photovoltaics: state of art and recent developments. International Journal of Molecular Sciences. 2019; 20(4): 976. https://doi.org/10.3390/ijms20040976Luceno-Sanchez J.A., Diez-Pascual A.M., Capilla R.P. Materials for photovoltaics: state of art and recent developments. International Journal of Molecular Sciences. 2019; 20(4): 976. https://doi.org/10.3390/ijms20040976Jäger-Waldau А. PV status report 2019. Luxembourg: Publications office of the European Union; 2019. 85 p. https://joint-research-centre.ec.europa.eu/system/files/2019-11/kjna29938enn_1.pdfJäger-Waldau А. PV status report 2019. Luxembourg: Publications office of the European Union; 2019. 85 p. https://joint-research-centre.ec.europa.eu/system/files/2019-11/kjna29938enn_1.pdfJäger-Waldau А. PV status report 2017. Luxembourg: Publications office of the European Union; 2017. 90 p. https://doi.org/10.2760/452611Jäger-Waldau А. PV status report 2017. Luxembourg: Publications office of the European Union; 2017. 90 p. https://doi.org/10.2760/452611Meyer P.V. Technical and economic optimization for CdTe PV at the turn of the millennium. Progress in Photovoltaics Research and Applications. 2000; 8(1): 161-169. https://doi.org/10.1002/(SICI)1099-159X(200001/02)8:13.0.CO;2-AMeyer P.V. Technical and economic optimization for CdTe PV at the turn of the millennium. Progress in Photovoltaics Research and Applications. 2000; 8(1): 161—169. https://doi.org/10.1002/(SICI)1099-159X(200001/02)8:13.0.CO;2-ACadmium Telluride Solar Cells (данные, представленные Национальной лабораторией по возобновляемой энергетике (NREL, США) о разработках в области получения солнечных батарей на основе теллурида кадмия) URL: https://www.nrel.gov/pv/cadmium-telluride-solar-cells.html (дата обращения: 08.03.2023).Bonnet D., Meyers P. Cadmium-telluride — material for thin film solar cells. Journal of Materials Research. 1998; 13(10): 2740—2753. https://doi.org/10.1557/JMR.1998.0376Современные проблемы полупроводниковой фотоэнергетики; под ред. Т. Коутса, Дж. Микина / пер. с англ. М.: Мир; 1988. 306 с.Coutts T.J. Meakin J.D., eds. Current Topic in Photovoltaics. Academic Press; 1985. 279 p. (Russ. Transl:. Sovremennye problemy poluprovodnikovoi fotoenergetiki; Kouts T., Mikin Dzh., eds. Moscow: Mir; 1988. 306 p.)Triboulet R., Siffert P. CdTe and related compounds; physics, defects, hetero- and nano-structures, crystal growth, surfaces and applicationsю Elsevier; 2010. 296 p. https://doi.org/10.1016/C2009-0-17817-0Triboulet R., Siffert P. CdTe and related compounds; physics, defects, hetero- and nano-structures, crystal growth, surfaces and applicationsю Elsevier; 2010. 296 p. https://doi.org/10.1016/C2009-0-17817-0Ivanov Y.M. Configuration of the cadmium telluride homogeneity boundaries. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2014;59(14):1705-1714. https://doi.org/10.1134/S0036023614140034Ivanov Y.M. Configuration of the cadmium telluride homogeneity boundaries. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2014; 59(14): 1705—1714. https://doi.org/10.1134/S0036023614140034Медведев С.А., Мартынов В.Н., Кобелева С.П. О возможности существования антиструктурных дефектов в нелегированном CdTe. Известия АН СССР. Кристаллография. 1983; 28(2): 394.Medvedev S.A., Martynov V.N., Kobeleva S.P. On the possibility of the existence of antistructural defects in undoped CdTe. Izvestiya AN SSSR. Kristallografiya. 1983; 28(2): 394. (In Russ.)Кобелева С.П. Определение отклонения от стехиометрии в широкозонных полупроводниковых соединениях АIIВVI по составу равновесной паровой фазы. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2022; 25(2): 107-114. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2022-2-107-114Kobeleva S.P. Determination of stoichiometry deviation in wide-band II-VI semiconductors on the basis of equilibrium vapor phase composition. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2022; 25(2): 107—114. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/1609-3577-2022-2-107-114National Renewable Energy Laboratory. Best research-cell efficiency chart (данные, представленные Национальной лабораторией по возобновляемой энергетике (NREL, США) о разработках солнечных элементов с максимальной эффективностью за 2022 год). URL: https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html (дата обращения: 08.03.2023).National Renewable Energy Laboratory. Best research-cell efficiency chart (data provided by the National Renewable Energy Laboratory (NREL, USA) on the development of solar cells with maximum efficiency for 2022). https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html (accessed on 08.03.2023).Коломоец А.Г., Хрипко С.Л. Влияние технологии получения тонких пленок теллурида кадмия на эффективность работы солнечных элементов на их основе. Металургія. 2019; (1(41)): 60-63.Kolomoets¢ H., Khripko S. Influence of technology of receipt of thin-films of cadmium telluride on efficiency of work of sun elements on their basis. Metallurgiya. 2019; (1(41)): 60—63. (In Russ.).McCandless B.E., Sites J.R. Cadmium telluride solar cells. In: Handbook of photovoltaic science and engineering; A. Luque, S. Hegedus, eds. John Wiley & Sons, Ltd; 2011. Р. 600–641. https://doi.org/10.1002/9780470974704.ch14McCandless B.E., Sites J.R. Cadmium telluride solar cells. In: Luque A., Hegedus S., eds. Handbook of photovoltaic science and engineering; John Wiley & Sons, Ltd; 2011. Р. 600—641. https://doi.org/10.1002/9780470974704.ch14Khrypunov G.S., Vambol S., Deyneko N., Suchikova Y. Increasing the efficiency of film solar cells based on cadmium telluride. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2016; 84(6/5): 12-18. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.85617Khrypunov G.S., Vambol S., Deyneko N., Suchikova Y. Increasing the efficiency of film solar cells based on cadmium telluride. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2016; 84(6/5): 12—18. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.85617Колтун М.М. Солнечные элементы. М.: Наука; 1987. 191 с.Koltun M.M. Solar cells. Moscow: Nauka; 1987. 191 p. (In Russ.)Geisthardt R.M., Topic M., Sites J.R. Status and potential of CdTe solar-cell efficiency. IEEE Journal of Photovoltaic. 2015; 5(4): 1217-1221. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2015.2434594Geisthardt R.M., Topic M., Sites J.R. Status and potential of CdTe solar-cell efficiency. IEEE Journal of Photovoltaic. 2015; 5(4): 1217—1221. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2015.2434594Патент (РФ) № 2776574, Кл. C01B 19/02 C22B 9/04. Давыдова Е.В., Егоров М.А., Марончук И.И., Саникович Д.Д. Способ глубокой очистки металлов. Заявл.: 17.06.2021, опубл.: 22.07.2022. URL: https://patents.google.com/patent/RU2776574C1/ruPatent (RU) No 2776574, Кл. C01B 19/02 C22B 9/04. Method for deep cleaning of metals. Davydova E.V., Egorov M.A., Maronchuk I.I., Sanikovich D.D. Appl.: 17.06.2021, publ.: 22.07.2022. (In Russ.). https://patents.google.com/patent/RU2776574C1/ruПатент (РФ) № 2777064, Кл. C01B 19/02 C22B 9/04. Давыдова Е.В., Егоров М.А., Марончук И.И., Саникович Д.Д. Устройство для глубокой очистки металлов. Заявл.: 17.06.2021; опубл.: 01.08.2022. URL: https://patenton.ru/patent/RU2776574C1Patent (RU) No 2777064, Кл. C01B 19/02 C22B 9/04. Davydova E.V., Egorov M.A., Maronchuk I.I., Sanikovich D.D. Device for deep cleaning of metals. Appl.: 17.06.2021; publ.: 01.08.2022. (In Russ.). https://patenton.ru/patent/RU2776574C1Абрютин В.Н., Давыдова Е.В., Егоров М.А., Марончук И.И., Саникович Д.Д. Глубокая очистка теллура, цинка и кадмия для применения в электронике. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2022; 25(2): 164-174. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2022-2-164-174Abryutin V.N., Davydova E.V., Egorov M.A., Maronchuk I.I., Sanikovich D.D. Deep purification of tellurium, zinc and cadmium for use in electronic devices. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2022; 25(2): 164—174. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/1609-3577-2022-2-164-174Абрютин В.Н., Марончук И.И., Потолоков Н.А., Саникович Д.Д., Черкашина Н.И. Глубокая очистка теллура: усовершенствование оборудования и технологии с применением моделирования технологического процесса. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2022; 25(3): 214-226. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2022-3-214-226Abryutin V.N., Maronchuk I.I., Potolokov N.A., Sanikovich D.D., Cherkashina N.I. Deep refinement of tellurium: equipment and process improvement through process simulation. Modern Electronic Materials. 2022; 8(3): 97—105. https://doi.org/10.3897/j.moem.8.3.97596АДВ-Инжиниринг. Теллурид кадмия. (данные о свойствах порошков теллурида кадмия предоставленные ООО АДВ-Инжиниринг и производимых в организации согласно действующих в компании технических условий). URL: https://www.adv-engineering.ru/metal/?type=a2-b4&title=%D0%A2%D0%B5%D0%BB%D0%BB%D1%83%D1%80%D0%B8%D0%B4%20%D0%BA%D0%B0%D0%B4%D0%BC%D0%B8%D1%8F (дата обращения: 08.03.2023).ADV-engineering. Cadmium telluride (data on the properties of cadmium telluride powders provided by ADV-Engineering LLC and produced in the organization in accordance with the technical specifications in force in the company). (In Russ.). https://www.adv-engineering.ru/metal/?type=a2-b4&title=%D0%A2%D0%B5%D0%BB%D0%BB%D1%83%D1%80%D0%B8%D0%B4%20%D0%BA%D0%B0%D0%B4%D0%BC%D0%B8%D1%8F (accessed on 08.03.2023).Calyxo GmbH - CdTe Thin Film Solar Module. (данные предоставленные немецкой компанией Calyxo GmbH в рекламном фильме о получении тонкопленочных солнечных модулей на основе теллурида кадмия). URL: https://www.youtube.com/watch?v=Hj6S1pdnlo8&t=21s (дата обращения: 08.03.2023).Calyxo GmbH — CdTe Thin Film Solar Module. https://www.youtube.com/watch?v=Hj6S1pdnlo8&t=21s (accessed on 08.03.2023)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.