Теллурид кадмия

Доступность

В настоящее время цена на сырье кадмий и теллур составляют ничтожную долю стоимости солнечных элементов на основе CdTe и других устройств на основе CdTe. Однако теллур — относительно редкий элемент (1–5 частей на миллиард в земной коре; см. Изобилие элементов (страница данных) ). За счет повышения эффективности использования материалов и увеличения количества систем рециркуляции фотоэлектрических систем к 2038 году фотоэлектрическая промышленность на основе CdTe может полностью полагаться на теллур из переработанных модулей с истекшим сроком службы. Видеть Фотовольтаика из теллурида кадмия для дополнительной информации. Другое исследование показывает, что рециркуляция CdTe PV добавит значительный вторичный ресурс Te, который в сочетании с улучшенным использованием материала обеспечит совокупную мощность около 2 ТВт к 2050 году и 10 ТВт к концу века.

Методы выращивания HgCdTe

Объемный рост кристаллов

Первым методом крупномасштабного выращивания была перекристаллизация жидкого расплава в объеме. Это был основной метод выращивания с конца 1950-х до начала 1970-х годов.

Эпитаксиальный рост

Высокочистый и кристаллический HgCdTe производится эпитаксия на CdTe или CdZnTe субстраты. CdZnTe — это составной полупроводник, параметр решетки которого может быть точно согласован с параметром HgCdTe. Это устраняет большинство дефектов эпитаксиального слоя HgCdTe. CdTe был разработан в качестве альтернативной подложки в 90-х годах. Он не согласован по решетке с HgCdTe, но намного дешевле, так как его можно выращивать методом эпитаксии на кремнии (Si) или германий (Ge) подложки.

Жидкофазная эпитаксия (LPE), в котором подложка CdZnTe опускается и вращается поверх поверхности медленно охлаждающегося жидкого расплава HgCdTe. Это дает наилучшие результаты с точки зрения качества кристаллов, и по-прежнему является распространенным методом выбора для промышленного производства.

В былые времена, молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) получил широкое распространение из-за его способности накладывать слои из сплава различного состава. Это позволяет одновременное обнаружение на нескольких длинах волн. Кроме того, MBE, а также MOVPE, позволяют выращивать на подложках большой площади, таких как CdTe на Si или Ge, тогда как LPE не позволяет использовать такие подложки.

Где используется

Токсичность ограничивает, но не обнуляет достоинства металла. Его используют во всех сегментах, кроме пищепрома.

Промышленность

Здесь нашлось применение металлу как самостоятельной единице и компонента сплавов:

• Антикоррозийные покрытия. Кадмирование обеспечивает самое прочное, цепкое соединение с основой. Применяется в экстремальных условиях: морская вода, тропики, щелочная среда.
• Производство батарей, аккумуляторов для ракет.
• Легирующая добавка к сплавам. Сплавы с кадмием пластичны, стойки к износу. Из них делают провода для линий электропередач, припои, подшипники для начинки морских и воздушных лайнеров. Сплавы используются при пайке стекла, металла, в огнетушителях.
• Компонент полупроводников, пленок солнечных батарей.

Соли металла становятся пигментами (желтый цвет). Но это приветствуется не всегда.

Важнейшая сфера применения – атомный комплекс:

1. Кадмиевые стержни регулируют работу реактора.
2. Из него состоят экраны, отсекающие нейтронное излучение.

В лабораториях металл используется как реактив.

Другие сферы применения

Сульфид кадмия применяется для производства плёночных солнечных батарей с КПД около 10—16 %, а также как очень хороший термоэлектрический материал.

Кадмий используется как компонент полупроводниковых материалов и люминофоров.

Кадмий очень хорошо захватывает тепловые нейтроны и служит для изготовления регулирующих стержней для атомных реакторов и в качестве защиты от нейтронов. Иногда эти свойства используются в экспериментальных моделях противоопухолевой терапии Neutron Capture Therapy

Фтороборат кадмия — важный флюс, применяемый для пайки алюминия и других металлов.

Теплопроводность кадмия вблизи абсолютного нуля наивысшая среди всех металлов, поэтому кадмий иногда применяется для криогенной техники.

Ограничения

Согласно Техническому регламенту Евразийского экономического союза и директиве Евросоюза, в изделиях сегмента электротехники и радиоэлектроники должно быть не более 0,01 % массовой доли кадмия.

Меры профилактики интоксикации кадмием

Чтобы снизить вероятность отравления кадмием:

• Если вы курите, поговорите со своим врачом о том, как бросить курить. Курение является самым распространенным источником поступления кадмия в организм для большинства людей.
• Определите потенциальные источники кадмия в доме и вокруг него, на работе и в местах, где играют ваши дети.
• Если у вас есть огород, подумайте о проверке удобрений на содержание кадмия. Некоторые удобрения содержат большое количество кадмия, который затем может концентрироваться в ваших овощах. Избегайте использования фунгицидов, содержащих кадмий, возле ваших огородов.
• Придерживайтесь сбалансированной диеты, которая обеспечивает достаточное количество кальция, железа, белка и цинка.
• Проведите инвентаризацию и надлежащим образом храните кадмийсодержащие продукты на работе и у себя дома. Храните их в недоступном для детей месте. В случае сомнений проверьте этикетку на содержание кадмия или позвоните производителю, чтобы узнать, содержит ли продукт кадмий.
• Храните никель-кадмиевые батареи в недоступном для детей месте. Узнайте, как правильно утилизировать эти батареи.
• Если у вас есть колодец, проверьте воду на содержание кадмия.
• Если кадмий присутствует в колодезной воде, подумайте об использовании бутилированной воды для питья или установите фильтр для воды, удаляющий кадмий и другие металлы из питьевой воды.
• Если вы работаете с кадмием, поговорите со своим специалистом по охране труда и технике безопасности, чтобы узнать, можете ли вы принести кадмий домой на своей одежде, коже, волосах, инструментах или других предметах.
• Не позволяйте маленьким детям играть на свалках с опасными отходами или рядом с ними.

Эффективного лечения отравления кадмием не существует. В случае интоксикации лечение будет направлено на то, чтобы помочь справиться с симптомами и облегчить их.

Использует

CdTe используется во многих приложениях, в том числе:

тонкопленочные фотоэлементы (построены по принципу ПИН );

Разработанный с 1960-х годов, этот тип элементов имеет преимущества (более низкая цена) и недостатки (использование редких материалов и потенциально высокая токсичность) по сравнению с элементами на основе кремния;

• оптический ( в частности, благодаря своим свойствам в инфракрасном диапазоне );
• системы инфракрасного обнаружения ( HgCdTe );
• обнаружение ионизирующего излучения (CdTe: Cl, CdZnTe ) (спектрометрия и визуализация рентгеновских и гамма- лучей );
• электрооптические модуляторы  ;
• «Молекулярные метки» в медицинской биологии: флуоресцентные наночастицы из полупроводников на основе кадмия светятся при попадании определенного света. Они становятся стандартным лабораторным инструментом для изучения молекулярного поведения живых клеток или для маркировки определенных клеток. Яркость их флуоресценции, их стабильность и легкость, с которой они могут быть химически модифицированы, также побудили исследователей изучить их использование в качестве агентов медицинской визуализации и обозначить опухоли. Например, нанополимер теллурида кадмия, покрытый сульфидом цинка (CdTe / ZnS), на который прививаются копии небольшого белка, который связывается с белками, характерными для новых кровеносных сосудов, снабжающих опухоль (сосуды, которые образуются в ответ на сигналы от опухолевых клеток) может быть использован для обнаружения определенных опухолей и рака раньше. Они также могут позволить хирургам намного лучше различать (по флуоресценции) края опухоли во время операции (эффективное разграничение примерно через 20  минут после инъекции мышам в лаборатории). Остается проверить , что эти нанополимеры не имеют никакого эффекта в других частях тела, потому что она содержит кадмий априори мощные токсиканты в масштабе нанометрового; исследователи модифицировали их, покрывая их другими биосовместимыми молекулами, но что происходит с этими молекулами в организме? Недавняя работа предполагает, что химики должны лучше следить за тем, чтобы эти «покрытия» не разлагали и не выделяли кадмий в организм, особенно после того, как они были выведены из организма. Несколько исследований показали, например, что наночастицы сохраняются у мышей в течение как минимум четырех месяцев после введения … Продукты этого типа в будущем могут быть добавлены к многочисленным остаткам лекарств и продуктов для использования. Медицинские продукты, выделяемые пациентами, прошедшими лечение или протестированы в больницах (гормоны, радиоактивные индикаторы, антибиотики, противораковые молекулы и  т. д. ).

Электронная схема кадмия

Одинаковую электронную конфигурацию имеют атом кадмия и +1In, +2Sn, +3Sb, +4Te, +5I, +6Xe

Порядок заполнения оболочек атома кадмия (Cd) электронами: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p.

На подуровне ‘s’ может находиться до 2 электронов, на ‘s’ — до 6, на ‘d’ — до 10 и на ‘f’ до 14

Кадмий имеет 48 электронов, заполним электронные оболочки в описанном выше порядке:

2 электрона на 1s-подуровне

2 электрона на 2s-подуровне

6 электронов на 2p-подуровне

2 электрона на 3s-подуровне

6 электронов на 3p-подуровне

2 электрона на 4s-подуровне

10 электронов на 3d-подуровне

6 электронов на 4p-подуровне

2 электрона на 5s-подуровне

10 электронов на 4d-подуровне

Ссылки [ править ]

1. ^ Питер Кэппер (1994). Свойства узкозонных соединений на основе кадмия . ИЭПП. С. 39–. ISBN 978-0-85296-880-2. Проверено 1 июня 2012 года .
2. ^ «Номинация теллурида кадмия в Национальную программу токсикологии» . Министерство здравоохранения и социальных служб США . Проверено 11 апреля 2003 года .
3. ^ a b c Карманный справочник NIOSH по химической опасности. «# 0087» . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
4. ^ a b «Отчет по фотоэлектрической энергии» . Архивировано из оригинального на 2012-11-05.
5. ^ «Введение». Халькогенидная фотогальваника . 2011. С. 1–8. DOI10.1002 / 9783527633708.ch1 . ISBN 9783527633708.
6. ^ «Теллурид кадмия» .
7. ^ П. Каппер (1994). Свойства узкозонных соединений на основе кадмия . Лондон, Великобритания: INSPEC, IEE. ISBN 978-0-85296-880-2.
8. ^ Veale, MC; Kalliopuska, J .; Pohjonen, H .; Andersson, H .; Nenonen, S .; Продавец, П .; Уилсон, доктор медицины (2012). «Определение характеристик пиксельных детекторов M-π-n CdTe, подключенных к считывающей микросхеме HEXITEC» . Журнал приборостроения . 7 (1): C01035. Bibcode2012JInst … 7C1035V . DOI10.1088 / 1748-0221 / 7/01 / C01035 .
9. ↑ Палмер, DW (март 2008 г.). «Свойства полупроводниковых соединений II-VI» . Полупроводники-Информация.
10. ^ G. Fonthal et al. (2000). «Температурная зависимость ширины запрещенной зоны кристаллического CdTe». J. Phys. Chem. Твердые тела . 61 (4): 579–583. Bibcode2000JPCS … 61..579F . DOI10.1016 / s0022-3697 (99) 00254-1 .
11. ^ Растворимость ниже 0,1 мг / л, что соответствует классификации как нерастворимые — ссылка, «Регистрация вещества ECHA» . Архивировано 13 декабря 2013 г. на Archive.today.
12. ^ «Теллурид кадмия» . Архивировано из оригинала на 2013-12-13 . Проверено 13 декабря 2013 .
13. ^ С. Качмар (2011). «Оценка сквозного подхода к токсичности CdTe для фотоэлектрических систем CdTe» .[ постоянная мертвая ссылка ]
14. ^ С. Качмар (2011). «Оценка сквозного подхода к токсичности CdTe для фотоэлектрических систем CdTe» .[ постоянная мертвая ссылка ]
15. ^ «Научный комментарий Фраунгофера к оценке жизненного цикла [ sic ] CdTe Photovoltaics» . Центр Фраунгофера кремниевой фотоэлектрической энергии CSP. Архивировано из оригинала на 2013-12-13.
16. ^ В. Фтенакис и К. Цвайбель (2003). «CdTe PV: реальные и предполагаемые риски EHS» . Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии.
17. ^ «Номинация теллурида кадмия в Национальную программу токсикологии» . Министерство здравоохранения и социальных служб США. 2003-04-11.
18. ^ Fthenakis, В. М. (2004). «Анализ воздействия кадмия на жизненный цикл фотоэлектрического производства на основе CdTe» . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 8 (4): 303–334. DOI10.1016 / j.rser.2003.12.001 .<! — https://zenodo.org/record/1259335— >
19. ^ Д-р Ю. Мацуно и д-р Хироки Хондо (2012). «Научный обзор аспектов безопасности окружающей среды и здоровья (EHS) фотоэлектрических (PV) систем на основе CdTe на протяжении всего их жизненного цикла» . Архивировано из оригинального 13 декабря 2013 года.
20. ^ В. Фтенакис и К. Цвайбель (2003). «CdTe PV: реальные и предполагаемые риски EHS» . Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии.
21. ^ «Теллурид кадмия — Краткий профиль — ECHA» . Европейское химическое агентство. 2020.
22. ^ М. Марведе и А. Реллер (2012). «Будущие потоки рециркуляции теллура из фотоэлектрических отходов теллурида кадмия» . Ресурсы, сохранение и переработка . 69 : 35–49. DOI10.1016 / j.resconrec.2012.09.003 .
23. ^ Fthenakis, В. М. (2012). «Показатели устойчивости для расширения тонкопленочных фотоэлектрических систем до уровня тераватт» . Бюллетень МИССИС . 37 (4): 425–430. DOI10.1557 / mrs.2012.50 .

Экотоксичность

Его только начинают изучать , но недавно в Канаде было показано, что большая пресноводная мидия Elliptiocompanata, подвергшаяся воздействию наночастиц CdTe, может биоаккумулировать эти молекулы. В этом эксперименте 14% Cd, первоначально введенного в форме CdTe, было обнаружено в растворенной фазе, что показывает, что CdTe менее стабилен в воде, чем считалось ранее. Было показано, что CdTe обладает такой же способностью к биоаккумуляции в этой плесени, как и Cd в ионной форме. Он был обнаружен в основном в жабрах и пищеварительных железах, а также в уровнях металлотионеина (MT, белок, который захватывает металлы в естественных явлениях детоксикации у многих видов). У этого вида токсичность CdTe сравнивали с токсичностью Cd в форме CdSO ₄ .

Физические свойства

CdTe обладает несколькими интересными в промышленном отношении свойствами:

• его постоянная решетки составляет 0,648  нм при 300  К  ; эта константа (часто обозначаемая a) описывает расстояние между атомами в кристаллической решетке. Это показатель структурной совместимости различных материалов;
• его модуль Юнга составляет 52  ГПа , что означает, что он обладает хорошей эластичностью, в частности, по отношению к кремнию;
• его коэффициент Пуассона равен 0,41; это коэффициент, который характеризует сжатие материала перпендикулярно направлению приложенной силы.

Магнитные свойства

Собственный CdTe — немагнитный полупроводник. Однако это можно сделать, допируя его переходными металлами или редкоземельными элементами (элементы с высокой корреляцией), а иногда даже немагнитными элементами, такими как углерод или азот. В этом направлении было проведено несколько исследований с использованием различных методик, включая метод ab-initio или метод Монте-Карло.

Тепловые свойства

• Его теплопроводность , которая представляет собой количество тепла , передаваемого на единицу площади в единицу времени в соответствии с температурным градиентом 1 градус Цельсия на метр, составила 6,2  Вт м -1  К -1 до 293  К .
• Его теплоемкость составляет 210 Дж / (кг К) 293  К .
• Его коэффициент теплового расширения (который описывает возможность поглощения или восстановления энергии за счет теплообмена во время преобразования, во время которого изменяется его температура) составляет от 5,9 × 10 -6  К -1 до 293 К.

Оптоэлектронные свойства

Флуоресценция спектров коллоидных образцов CdTe разного размера (увеличение примерно на 20  нм слева направо). Красное смещение флуоресценции связано с потенциальной ямой .

CdTe прозрачен на определенных длинах волн (в инфракрасном диапазоне ) и флуоресцирует на длине волны 790  нм . Если размер кристаллов CdTe уменьшается до нескольких нанометров (или меньше), его свойства квантовых точек , пики флуоресценции смещаются в диапазоне от видимого до ультрафиолетового.

Приложения [ править ]

CdTe используется для производства тонкопленочных солнечных элементов , на долю которых приходится около 8% всех солнечных элементов, установленных в 2011 году. Они являются одними из самых дешевых типов солнечных элементов , хотя сравнение общей установленной стоимости зависит от размер установки и многие другие факторы, которые быстро меняются из года в год. На рынке солнечных элементов CdTe доминирует First Solar . В 2011 году около 2 ГВт р были получены из солнечных батарей CdTe; Для получения более подробной информации и обсуждения см. Фотоэлектрические элементы с теллуридом кадмия .

CdTe может быть сплавлен с ртутью, чтобы сделать материал универсального инфракрасного детектора ( HgCdTe ). CdTe, легированный небольшим количеством цинка, является отличным твердотельным детектором рентгеновского и гамма-излучения ( CdZnTe ).

CdTe используется в качестве материала для оптики инфракрасного излучения для оптических окон и линз и доказал свою эффективность в широком диапазоне температур. Ранняя форма CdTe для ИК-использования продавалась под торговой маркой Irtran-6, но она устарела.

CdTe также применяется для электрооптических модуляторов . Он имеет наибольший электрооптический коэффициент линейного электрооптического эффекта среди кристаллов соединений II-VI (r ₄₁ = r ₅₂ = r ₆₃ = 6,8 × 10 -12 м / В).

CdTe, легированный хлором , используется в качестве детектора излучения для рентгеновских лучей, гамма-лучей, бета-частиц и альфа-частиц . CdTe может работать при комнатной температуре, что позволяет создавать компактные детекторы для широкого спектра применений в ядерной спектроскопии. Свойства, которые делают CdTe превосходным для реализации высокоэффективных детекторов гамма- и рентгеновского излучения, — это высокий атомный номер, большая ширина запрещенной зоны и высокая подвижность электронов ~ 1100 см 2 / В · с, что приводит к высокой собственной μτ (подвижности -lifetime) и, следовательно, высокую степень сбора заряда и отличное спектральное разрешение. Из-за плохих свойств переноса заряда дырок ~ 100 см 2/ V · s, геометрия детектора с обнаружением одной несущей используется для получения спектроскопии высокого разрешения; к ним относятся копланарные сетки, детекторы Фриша-воротника и маленькие пиксельные детекторы.

CdTe и производство фотоэлементов

Фотоэлектрическая панель из теллурида кадмия.

В последние годы для производства фотоэлектрических панелей все большее число компаний используют теллурид кадмия в качестве полупроводникового соединения вместо кремния .
Это действительно очень стабильный продукт. Это увеличивает эффективность панелей при одновременном снижении их стоимости благодаря лучшей светопоглощающей способности (поддержание хороших характеристик в случае низкой освещенности, особенно утром и вечером) и низкому тепловому коэффициенту .

Таким образом, абсорбирующий слой теллурида кадмия помещается на стеклянную основу, а затем покрывается другой стеклянной пластиной, которая герметично закрывает панель.
Методы производства и использования CdTe позволили уменьшить углеродный след технологий производства фотоэлектрических элементов и панелей. В области фотоэлектрических панелей это метод, который имеет самый низкий углеродный след за весь жизненный цикл . Этот продукт, как производное кадмия, токсичен

В случае возгорания и плавления панелей, благодаря тому, что пленка теллурида кадмия помещается между двумя слоями стекла, благодаря очень низкому давлению паров , а также благодаря высоким температурам кипения и плавления токсичные молекулы вряд ли могут загрязнить окружающей среде и остаются в матрице расплавленного стекла , но теллурид кадмия из-за его внутренней токсичности, тем не менее, требует — до и после цепочки — производства, использования и вторичной переработки с осторожностью.

Его можно восстанавливать и перерабатывать, каналы восстановления и рециркуляции появляются в 2000-х годах, например, канал First Solar, который объявил в 2008 году о переработке 90% (по массе) отходов производства модулей, но также и возвращенных модулей (по гарантии или по запросу). конец его жизни), это через полную и предварительно профинансированную программу.

Оценка токсикологии [ править ]

Соединение CdTe имеет другие качества, чем два элемента, кадмий и теллур, взятые по отдельности. Исследования токсичности показывают, что CdTe менее токсичен, чем элементарный кадмий. CdTe имеет низкую острую токсичность при вдыхании, пероральном приеме и водной токсичности и отрицательный результат мутагенного теста Эймса. На основании уведомления об этих результатах в Европейское химическое агентство (ECHA), CdTe больше не классифицируется как вредный при проглатывании или вредный при контакте с кожей, а классификация токсичности для водных организмов была снижена. После правильного и надежного захвата и инкапсуляции CdTe, используемый в производственных процессах, может стать безвредным. Текущие модули CdTe проходят испытание Агентства по охране окружающей среды США на определение характеристик выщелачивания (TCLP), предназначенное для оценки возможности длительного выщелачивания продуктов, выбрасываемых на свалки.

Документ, опубликованный Национальным институтом здравоохранения США , датированный 2003 годом, гласит, что:

Исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США обнаружили, что крупномасштабное использование фотоэлектрических модулей CdTe не представляет каких-либо рисков для здоровья и окружающей среды, а переработка [ требуется пояснение ] модулей по окончании срока их полезного использования полностью решает любые проблемы. проблемы окружающей среды. [ необходима цитата ] Во время своей работы эти модули не производят никаких загрязняющих веществ, [ необходима цитата ] и, кроме того, за счет вытеснения ископаемого топлива они предлагают большие экологические преимущества. [ необходима цитата ]Фотоэлектрические модули CdTe, которые используют кадмий в качестве сырья, кажутся более экологически безопасными, чем все другие текущие виды использования Cd. CdTe PV обеспечивает устойчивое решение проблемы потенциального переизбытка кадмия в ближайшем будущем. Кадмий образуется как побочный продукт рафинирования цинка и вырабатывается в значительных количествах независимо от его использования в фотоэлектрических системах из-за спроса на стальную продукцию.

Согласно классификации компаний Европейского химического агентства (ECHA) при регистрации REACH, он по-прежнему вреден для водных организмов с долгосрочными последствиями.

Кроме того, классификация, предоставленная компаниями для уведомлений ECHA, классифицирует его как очень токсичный для водных организмов с долгосрочными последствиями, очень токсичный для водных организмов, вредный при вдыхании или проглатывании и вредный при контакте с кожей.

История открытия

Новый химический элемент, который был назван кадмием, открыл Фридрих Штромейер в 1817 году. Известный профессор химии, фармацевт занимался инспектирование аптек. В процессе прокаливании разных образцов карбоната натрия он отметил, что из некоторых представителей получается коричневый или оранжево-желтый оксид. При детальном изучении профессор обнаружил что он не содержит свинца и железа. Появление такого окраса он объяснил присутствием неизвестного элемента.

Практически в то же время, независимо от работ Штромейера, изучая соединения на основе цинка кадмий выделили К. Херман и И. Ролофф.

Что представляет собой

Кадмий – элемент таблицы Менделеева №48:

• Мягкое, ковкое вещество серовато-серебристого цвета с голубоватостью.
• Относится к металлам тяжелой группы.
• Структура кристаллической решетки – гексагональ.
• Состоит из восьми изотопов, два из которых слаборадиоактивны, остальные стабильны.

Международное, научное обозначение и формула – Cadmium (Cd).

Электронное строение атома кадмия

Атом кадмия состоит из положительно заряженного ядра (+48), внутри которого есть 48 протонов и 64 нейтрона, а вокруг, по пяти орбитам движутся 48 электронов.

Рис.1. Схематическое строение атома кадмия.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

+48Cd)2)8)18)18)2;

1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s2.

Валентными электронами атома кадмия считаются электроны, расположенные на 4d— и 5s-орбиталях. Энергетическая диаграмма основного состояния принимает следующий вид:

Валентные электроны атома кадмия можно охарактеризовать набором из четырех квантовых чисел: n (главное квантовое), l (орбитальное), ml (магнитное) и s (спиновое):