Zastosowanie i badania ceramiki węgla krzemu w dziedzinie fotowoltaiki - Vetek Semiconductor

Wraz z rosnącym brakiem tradycyjnych źródeł energii, takich jak ropa i węgiel, New Energy Industries, kierowane przez fotowoltaikę słoneczną, szybko się rozwijało w ostatnich latach. Od lat 90. światowa zdolność instalowana fotowoltaiczna wzrosła 60 razy. Globalny przemysł fotowoltaiczny wystartował na tle transformacji struktury energii, a skala branżowa i zainstalowana stopa wzrostu zdolności wielokrotnie ustalają nowe zapisy. W 2022 r. Globalna pojemność instalowana fotowoltaiczna osiągnie 239 GW, co stanowi 2/3 wszystkich nowych zdolności energii odnawialnej. Szacuje się, że w 2023 r. Globalna pojemność instalowana fotowoltaiczna wyniesie 411 GW, co stanowi wzrost o 59%rok do roku. Pomimo dalszego wzrostu fotowoltaiki, fotowoltaiki nadal stanowią tylko 4,5% globalnego wytwarzania energii, a jego silny pęd wzrost będzie kontynuowany do 2024 r.

Ceramika z węglików krzemowychmają dobrą wytrzymałość mechaniczną, stabilność termiczną, oporność w wysokiej temperaturze, odporność na utlenianie, odporność na wstrząs termiczną i odporność na korozję chemiczną i są szeroko stosowane w gorących polach, takich jak metalurgia, maszyny, nowe materiały energetyczne i budowlane oraz chemikalia. W polu fotowoltaicznym stosuje się głównie w dyfuzji komórek topcon, LPCVD (subpozycja pary chemicznej niskiego ciśnienia),PECVD (chemiczne osadzanie pary w osoczu)i inne łącza procesów termicznych. W porównaniu z tradycyjnymi materiałami kwarcowymi, podporami łodzi, łodziami i rurami wykonanymi z materiałów ceramicznych z węglika krzemu mają wyższą wytrzymałość, lepszą stabilność termiczną, brak deformacji w wysokich temperaturach oraz długość żywotności ponad 5 -krotności materiałów kwarcowych, które mogą znacząco obniżyć koszty użytkowania i utratę energii spowodowaną utrzymaniem i przestoju oraz mieć oczywiste zalety kosztów.

Ⅰ Zalety ceramiki węgla krzemu w polu fotowoltaicznym

Główne produkty ceramiki węgla krzemu w polu komórkowym fotowoltaicznym obejmują wsparcie łodzi z węglików krzemowych, łodzie węglowodanowe krzemowe, rurki piecu z węglika krzemu, łopatki krzemowe z węglikiem krzemowym i kady kilikonowe, wymianę węglików z silikonowych karenów i itp. łodzie. Ze względu na oczywiste zalety i szybki rozwój stały się dobrym wyborem dla kluczowych materiałów nośnych w procesie produkcyjnym komórek fotowoltaicznych, a ich popyt rynkowy coraz bardziej przyciąga uwagę branży.

Reakcja ceramika związana z węglika krzemu (RBSC) to najczęściej stosowana ceramika węgla krzemu w dziedzinie komórek fotowoltaicznych. Jego zalety to niskie temperatura spiekania, niski koszt produkcji i wysokie zagęszczenie materiału. W szczególności prawie nie ma skurczu objętości podczas procesu spiekania reakcji. Jest szczególnie odpowiedni do przygotowania dużych i złożonych części strukturalnych. Dlatego jest najbardziej odpowiednia do produkcji dużych i złożonych produktów, takich jak podporki łodzi, małe łodzie, łopatki wspornikowe, rurki pieca itp. Podstawową zasadą przygotowania ceramiki RBSC jest: pod działaniem siły kapilarnej, reaktywna płynna silikon wnika do porowatego cewki ceramicznej, reakcje z jadą węglową w ślepej fazie β, a tym samym samym czasowi, a tym samym czasem, a tym samym czasem, a tym samym czasem, a tym samym czasem, i w tym samym czasie. Faza wtórna β-SIC jest in situ w połączeniu z cząstkami α-SIC w pustym proszku, a pozostałe pory nadal są wypełnione wolnym krzemionem, a wreszcie osiągnięto zagęszczenie materiałów ceramicznych RBSC. Różne właściwości produktów ceramicznych RBSC w kraju i za granicą pokazano w tabeli 1.

Tabela 1 Porównanie wydajności reakcji spiekanych produktów ceramicznych SIC w głównych krajach

W procesie produkcyjnym słonecznych komórek fotowoltaicznych wafle krzemowe są umieszczane na łodzi, a łódź jest umieszczana na uchwycie łodzi w celu dyfuzji, LPCVD i innych procesów termicznych. Paddle (ROD) krzemowa z węglikiem węglowodanów jest kluczowym elementem ładowania do przeniesienia uchwytu łodzi przenoszącego płytki silikonowe do i z pieca grzewczego. Jak pokazano na rycinie 1, krzemowa łopatka wspornikowa (pręta) może zapewnić koncentryczność wafla krzemowego i rurki pieca, dzięki czemu dyfuzja i pasywacja jest bardziej jednolita. Jednocześnie jest wolny od zanieczyszczeń i nie wykonany w wysokich temperaturach, ma dobrą odporność na wstrząsy termiczne i dużą pojemność obciążenia i był szeroko stosowany w dziedzinie komórek fotowoltaicznych.

Rysunek 1 Schemat kluczowych elementów ładowania baterii

W tradycyjnymŁódź kwarcowai uchwyt łodzi, w procesie dyfuzji miękkiej lądowania, wafel krzemowy i uchwyt na łódź kwarcowy muszą być umieszczone w rurce kwarcowej w piecu dyfuzyjnym. W każdym procesie dyfuzji uchwyt kwarcowy wypełniony krzemowymi waflami umieszcza się na wiosłach z krzem. Po tym, jak wiosłowanie z węglików krzemowych wejdzie do rurki kwarcowej, wiosło automatycznie tonie, aby odłożyć kwarcowy uchwyt na łódź i płytki silikonowe, a następnie powoli biegnie z powrotem do pochodzenia. Po każdym procesie uchwyt kwarcowy musi zostać usunięty z łopatki z węglików krzemowych. Tak częste działanie spowoduje zużycie wsparcia łodzi kwarcowych przez długi czas. Po pęknięciu i pęknięciu kwarcowej łodzi, całe wsparcie łodzi kwarcowe spadnie z krzemowej wiosła, a następnie uszkodzi części kwarcowe, płytki silikonowe i łopatki z węglików krzemowych poniżej. Płynce z węglików silikonowych są drogie i nie można ich naprawić. Po wystąpieniu wypadku spowoduje ogromne straty majątkowe.

W procesie LPCVD wystąpią nie tylko wyżej wymienione problemy z naprężeniami termicznym, ale ponieważ proces LPCVD wymaga przechodzenia przez gaz Silan, proces długoterminowy utworzy powłokę silikonową na podparcie łodzi i łodzi. Ze względu na niespójność współczynników rozszerzania cieplnego powlekanego krzemu i kwarcu wsparcie łodzi i łódź będą pękać, a okres życia zostanie poważnie zmniejszony. Życie zwykłych łodzi kwarcowych i wsporników łodzi w procesie LPCVD wynosi zwykle tylko 2–3 miesiące. Dlatego szczególnie ważne jest, aby poprawić materiał wsparcia łodzi, aby zwiększyć siłę i żywotność obsługi łodzi, aby uniknąć takich wypadków.

Ⅱ Trend rozwojowy materiałów ceramicznych z węglika krzemu w polu fotowoltaicznym

Od 13. wystawy fotowoltaicznej w Szanghaju SNEC 2023 wiele firm fotowoltaicznych w tym kraju zaczęło korzystać z krzemowych łodzi węglowodanów, jak pokazano na ryc. 2, takich jak Longi Green Energy Technology Co., Ltd., Jinkosolar Co., Ltd., Yida New Energy Technology Co., LTD. i innych firm Photovoltaic. Wsporniki łodzi z węglików krzemowych stosowane do rozszerzenia boru, ze względu na wysoką temperaturę rozszerzenia boru, zwykle przy 1000 ~ 1050 ℃, zanieczyszczenia w obsłudze łodzi są łatwe do ulatniania się w wysokiej temperaturze w celu zanieczyszczenia ogniwa akumulatora, tym samym wpływając na wydajność konwersji ogniwa akumulatora, więc istnieją wyższe wymagania dotyczące czystości materiału wsparcia łodzi.

Ryc. 2 LPCVD Silikon Carbide Support Boat i Bor Expansion Silicon Carbide Support

Obecnie wsparcie łodzi wykorzystywane do rozszerzenia boru należy oczyszczyć. Po pierwsze, proszek z węglików silikonowych surowców jest myte i oczyszczane kwasem. Czystość silikonowych surowców z węglików z krzemowych litowych musi przekraczać 99,5%. Po przemyciu kwasu i oczyszczaniu kwasem siarkowym + kwasem hydrofluorowym czystość surowców może osiągnąć powyżej 99,9%. Jednocześnie zanieczyszczenia wprowadzone podczas przygotowywania wsparcia łodzi muszą być kontrolowane. Dlatego uchwyt łodzi rozszerzeń boru jest głównie tworzony przez fugowanie w celu zmniejszenia zużycia zanieczyszczeń metali. Metoda zaprawy jest zwykle tworzona przez wtórne spiekanie. Po ponownym rozszerzeniu czystość krzemowego uchwytu na łódź z węglików krzemowych ulega poprawie do pewnego stopnia.

Ponadto podczas spiekania uchwytu łodzi piec spiekania musi zostać wcześniej oczyszczony, a grafitowe pole cieplne w piecu należy również oczyszczyć. Zwykle czystość krzemowego uchwytu na łódź z węglika używanego do rozszerzenia boru wynosi około 3N.

Łódź z węglików silikonowych ma obiecującą przyszłość. Łódź z węglików silikonowych pokazano na rycinie 3. Niezależnie od procesu LPCVD lub procesu ekspansji boru, żywotność łodzi kwarcowej jest stosunkowo niska, a współczynnik rozszerzania termicznego materiału kwarcowego jest niezgodny z żywotnością materiału z węglika krzemu. Dlatego łatwo jest mieć odchylenia w procesie dopasowywania łodzi z węglików krzemowych w wysokiej temperaturze, co prowadzi do wstrząsania, a nawet łamania łodzi.

Łódź węglików silikonowych przyjmuje zintegrowaną formowanie i ogólną drogę procesową przetwarzania. Jego zapotrzebowanie na kształt i tolerancję pozycji są wysokie i lepiej współpracuje z uchwytem łodzi z węglika krzemu. Ponadto węgliek krzemowy ma wysoką siłę, a łamanie łodzi spowodowane przez ludzką kolizję jest znacznie mniejsze niż łodzi kwarcowej. Jednak ze względu na precyzyjne wymagania dotyczące wysokiej czystości i przetwarzania łodzi z węglików krzemowych, nadal znajdują się one na etapie weryfikacji niewielkiej partii.

Ponieważ łódź z węglików krzemowych jest w bezpośrednim kontakcie z ogniwem akumulatora, musi mieć wysoką czystość nawet w procesie LPCVD, aby zapobiec zanieczyszczeniu płytki krzemu.

Największa trudność łodzi z węglików krzemowych leży w obróbce. Jak wszyscy wiemy, ceramika węglików krzemu są typowymi twardymi i kruchymi materiałami, które są trudne do przetworzenia, a wymagania dotyczące kształtu i pozycji łodzi są bardzo surowe. Trudno jest przetworzyć łodzie z węglików krzemowych za pomocą tradycyjnej technologii przetwarzania. Obecnie krzemowa łódź z węglików jest przetwarzana głównie przez szlifowanie narzędzi diamentowych, a następnie wypolerowane, marynowane i inne zabiegi.

Rycina 3 Łódź z węglików silikonowych

W porównaniu z rurkami z pieca kwarcowego rurki z pieca z węglika krzemu mają dobrą przewodność cieplną, jednolite ogrzewanie i dobrą stabilność termiczną, a ich długość życia jest ponad 5 razy większa niż w rurkach kwarcowych. Rurka pieca jest głównym elementem przenoszenia ciepła pieca, który odgrywa rolę w uszczelnianiu i jednolitym przenoszeniu ciepła. Trudność produkcyjna rur pieców węglika krzemu jest bardzo wysoka, a szybkość wydajności jest również bardzo niska. Po pierwsze, ze względu na ogromny rozmiar rurki pieca i grubość ściany zwykle od 5 do 8 mm, bardzo łatwo jest odkształcić, zapaść lub nawet pękanie podczas procesu tworzenia ślepej ślepej.

Podczas spiekania, ze względu na ogromny rozmiar rurki pieca, trudno jest również upewnić się, że nie będzie ona deformowana podczas procesu spiekania. Jednomierność zawartości krzemu jest słaba i łatwo jest mieć lokalną nie-silikonizację, zapadnięcie się, pękanie itp., A cykl produkcji rur pieców z węglika krzemu jest bardzo długi, a cykl produkcji pojedynczej rurki pieca przekracza 50 dni. Dlatego krzemowe rurki pieca z węglikami krzemionowymi są nadal w stanie badań i rozwoju i nie zostały jeszcze masowo produkowane.

Główny koszt ceramicznych materiałów z węglika krzemu stosowanych w polu fotowoltaicznym wynika z surowców z krzem z krzem z wysokiej czystości, polikrystalicznego krzemu o wysokiej czystości i kosztów spiekania reakcji.

Wraz z ciągłym rozwojem technologii oczyszczania proszku węgla krzemu, czystość proszku z węglików krzemowych stale rośnie dzięki separacji magnetycznej, marynowania i innych technologiach, a zawartość zanieczyszczenia stopniowo zmniejsza się z 1% do 0,1%. Wraz z ciągłym wzrostem zdolności wytwarzania krzemowego w proszku z węglików krzemowych koszt proszku z węglikiem krzemowym o dużej czystości również maleje.

Od drugiej połowy 2020 r. Firmy Polysilicon powołały się do rozszerzeń. Obecnie istnieje ponad 17 krajowych spółek produkcyjnych polisilicon, a roczna produkcja wynosi 1,45 mln ton w 2023 r.. Nadmierność polisilicon doprowadziła do ciągłego spadku cen, co z kolei obniżyło koszty ceramiki węgla krzemowego.

Pod względem spiekania reakcji rozmiar pieca spiekania reakcji również rośnie, a wydajność obciążenia jednego pieca również rośnie. Najnowszy piec spiekania o dużej wielkości może ładować ponad 40 sztuk na raz, który jest znacznie większy niż istniejąca pojemność obciążenia pieca od 4 do 6 sztuk. Dlatego koszty spiekania również znacznie spadną.

Ogólnie rzecz biorąc, krzemowe materiały ceramiczne z węglika w polu fotowoltaicznym rozwijają się głównie w kierunku wyższej czystości, silniejszej pojemności przenoszenia, wyższej pojemności ładowania i niższych kosztów.

Ⅲ Znaczenie krzemowych materiałów ceramicznych z węglików krzemowych w polu fotowoltaicznym

Obecnie piasek kwarcowy o wysokiej czystości wymagany do materiałów kwarcowych stosowanych w krajowym polu fotowoltaicznym jest nadal głównie zależny od importu, podczas gdy ilość i specyfikacje piasku o wysokiej czystości eksportowanej z zagranicznych krajów do Chin są ściśle kontrolowane. Wciąż zaopatrzenie materiałów piasku o dużej czystości nie została złagodzona i ograniczyła rozwój przemysłu fotowoltaicznego. Jednocześnie, ze względu na niski okres żywotności materiałów kwarcowych i łatwych uszkodzeń prowadzących do przestoju, rozwój technologii akumulatorów został poważnie ograniczony. Dlatego dla mojego kraju ma ogromne znaczenie, aby pozbyć się zagranicznych blokad technologicznych poprzez prowadzenie badań nad stopniowym zastępowaniem materiałów kwarcowych materiałami ceramicznymi z węglika krzemu.

W kompleksowym porównaniu, niezależnie od tego, czy jest to wydajność produktu, czy koszty wykorzystania, zastosowanie materiałów ceramicznych węglika krzemu w dziedzinie ogniw słonecznych jest bardziej korzystne niż materiały kwarcowe. Zastosowanie materiałów ceramicznych z węglika krzemu w branży fotowoltaicznej ma ogromną pomoc dla firm fotowoltaicznych w zmniejszeniu kosztów inwestycji materiałów pomocniczych oraz poprawy jakości i konkurencyjności produktu. W przyszłości, z dużą skalą zastosowania dużych rozmiarówRurki pieców z węglików silikonowych, Wsporniki i łódki z węglików o wysokiej ostrości i wsporniki łodzi oraz ciągłe zmniejszenie kosztów, zastosowanie materiałów ceramicznych węgla krzemu w dziedzinie komórek fotowoltaicznych stanie się kluczowym czynnikiem poprawy wydajności konwersji energii światła i zmniejszania kosztów branży w dziedzinie wytwarzania energii fotowoltaicznej i będzie miała istotny wpływ na rozwój nowej energii fotowoltaicznej.