Bruksområde og forskning av silisiumkarbid keramikk innen fotovoltaikk - Vetek Semiconductor

Med den økende mangelen på tradisjonelle energikilder som olje og kull, har nye energiindustrier, ledet av solcelleanlegg, utviklet seg raskt de siste årene. Siden 1990 -tallet har verdens fotovoltaiske installerte kapasitet økt 60 ganger. Den globale solcelleindustrien har tatt av mot bakgrunnen for transformasjon av energistruktur, og bransjeskalaen og installert kapasitetsveksthastighet har gjentatte ganger satt nye poster. I 2022 vil den globale fotovoltaiske installerte kapasiteten nå 239 GW, og står for 2/3 av all ny fornybar energikapasitet. Det anslås at i 2023 vil den globale fotovoltaiske installerte kapasiteten være 411 GW, en økning på 59%fra år til år. Til tross for fortsatt vekst av fotovoltaikk, utgjør fotovoltaikk fortsatt bare 4,5% av global kraftproduksjon, og dens sterke vekstmoment vil fortsette til etter 2024.

Silisiumkarbid keramikkhar god mekanisk styrke, termisk stabilitet, høy temperaturmotstand, oksidasjonsmotstand, termisk støtmotstand og kjemisk korrosjonsmotstand, og er mye brukt i varme felt som metallurgi, maskiner, ny energi og byggematerialer og kjemikalier. I det fotovoltaiske feltet brukes det hovedsakelig i diffusjonen av TopCon -celler, LPCVD (avsetning av lavtrykkskjemisk damp),PECVD (plasma kjemisk dampavsetning)og andre termiske prosessforbindelser. Sammenlignet med tradisjonelle kvartsmaterialer, båtstøtter, båter og rørbeslag laget av silisiumkarbid -keramiske materialer har høyere styrke, bedre termisk stabilitet, ingen deformasjon ved høye temperaturer og en levetid på mer enn 5 ganger det av kvartsmaterialer, noe som kan redusere kostnadene for bruk og tap av energi betydelig.

Ⅰ Fordeler med silisiumkarbid keramikk i det fotovoltaiske feltet

Hovedproduktene av silisiumkarbidkeramikk i det solcellefeltet inkluderer silisiumkarbidbåtstøtter, silisiumkarbidbåter, silisiumkarbidovnørør, silisiumkarbid cantilever padid, silisiumkarbid -rods, silisiumkarbidbeskyttere med silisiumkarbidstøtte, silisiumstøtte. Støtter og båter. På grunn av deres åpenbare fordeler og raske utvikling, har de blitt et godt valg for viktige bærermaterialer i produksjonsprosessen til fotovoltaiske celler, og deres etterspørsel etter markedet tiltrekker i økende grad oppmerksomhet fra industrien.

Reaksjonsbundet silisiumkarbid (RBSC) keramikk er den mest brukte silisiumkarbidkeramikken i feltet med solcelleceller. Fordelene er lave sintringstemperatur, lave produksjonskostnader og høy materiell fortetting. Spesielt er det nesten ingen volum krymping under reaksjonens sintringsprosess. Det er spesielt egnet for fremstilling av store og komplekse formede strukturelle deler. Derfor er det mest egnet for produksjon av store og komplekse produkter som båtstøtter, småbåter, utkragede padler, ovnrør, etc. Det grunnleggende prinsippet for fremstilling av RBSC keramikk er: under virkningen av kapillær, reaktivt på den væsken som den er blanke på den blanke kilden som er blanke i det blanke i det blanke i den blanke i det ære i det blanke i det ære i det blanke i det ære i det blanke i det ære i det blanke i det blanke i det ære i det blanke i det blanke i det ære i det blanke i det kilden i det blanke i det ære i det blanke i det kabinære, reaksjonen i det blanke. Sekundær fase β-SIC er in situ kombinert med a-SIC-partiklene i det blanke pulveret, og de gjenværende porene fortsetter å bli fylt med fritt silisium, og til slutt oppnås tetthet av RBSC keramiske materialer. De forskjellige egenskapene til RBSC keramiske produkter hjemme og i utlandet er vist i tabell 1.

Tabell 1 Sammenligning av ytelsen til reaksjonsinterte SIC keramiske produkter i store land

I produksjonsprosessen med solcellefotovoltaiske celler plasseres silisiumskiver på en båt, og båten er plassert på en båtholder for diffusjon, LPCVD og andre termiske prosesser. Silisiumkarbidkraget Padle (ROD) er en viktig lastekomponent for å flytte båtholderen som bærer silisiumskiver inn og ut av varmeovnen. Som vist i figur 1, kan silisiumkarbidkantilver -padle (ROD) sikre konsentrisiteten til silisiumskiven og ovnrøret, og dermed gjøre diffusjonen og passiveringen mer ensartet. Samtidig er det forurensningsfri og ikke-deformert ved høye temperaturer, har god termisk støtmotstand og stor belastningskapasitet, og har blitt mye brukt i feltet med solcelleceller.

Figur 1 Skjematisk diagram over nøkkelbatteriets lastekomponenter

I det tradisjonellekvartsbåtog båtholder, i den myke landingsdiffusjonsprosessen, må silisiumskiven og kvartsbåtholderen plasseres i kvartsrøret i diffusjonsovnen. I hver diffusjonsprosess plasseres kvartsbåtholderen fylt med silisiumskiver på silisiumkarbid -padlen. Etter at silisiumkarbid -padlen kommer inn i kvartsrøret, synker padlen automatisk for å legge ned kvartsbåtholderen og silisiumskiven, og løper deretter sakte tilbake til opprinnelsen. Etter hver prosess må kvartsbåtholderen fjernes fra silisiumkarbid -padlen. En slik hyppig drift vil føre til at kvartsbåtstøtten slites ut over lang tid. Når kvartsbåten støtter sprekker og brudd, vil hele kvartsbåtstøtten falle av silisiumkarbid -padlen, og deretter skade kvartsdelene, silisiumskiver og silisiumkarbidpadler nedenfor. Silisiumkarbidpadler er dyre og kan ikke repareres. Når en ulykke oppstår, vil det føre til store tap av eiendommer.

I LPCVD-prosessen vil ikke bare ovennevnte termiske stressproblemer oppstå, men siden LPCVD-prosessen krever at silangass skal passere gjennom silisiumskiven, vil den langsiktige prosessen danne et silisiumbelegg på båtstøtten og båten. På grunn av inkonsekvensen av den termiske ekspansjonskoeffisientene til det belagte silisiumet og kvarts, vil båtstøtten og båten sprekke, og levetiden vil bli alvorlig redusert. Levetiden til vanlige kvartsbåter og båtstøtter i LPCVD -prosessen er vanligvis bare 2 til 3 måneder. Derfor er det spesielt viktig å forbedre båtstøttematerialet for å øke styrken og levetiden til båtstøtten for å unngå slike ulykker.

Ⅱ Utviklingstrend av silisiumkarbid keramiske materialer i det fotovoltaiske feltet

Fra den 13. Shanghai Photovoltaic Exhibition SNEC 2023, har mange fotovoltaiske selskaper i landet begynt å bruke Silicon Carbide Boat -støtter, som vist i figur 2, slik som Longi Green Energy Technology Co., Ltd., Jinkosolar Co., Ltd., Yida New Energy Technology Co., Ltd. og Other Potov. Silisiumkarbidbåtstøtter som brukes til ekspansjon av bor, på grunn av den høye brukstemperaturen for borutvidelse, vanligvis ved 1000 ~ 1050 ℃, er urenheter i båtstøtten enkle å volatilisere ved høy temperatur for å forurense batterisellen, og derved påvirke konverteringseffektiviteten til batteriets celle, så det er høyere krav til rensen til båtstøtte -materialet.

Figur 2 LPCVD silisiumkarbidbåtstøtte og borutvidelse Silisiumkarbidbåtstøtte

For øyeblikket må båtstøtten som brukes til utvidelse av bor, renses. Først blir råstoffets silisiumkarbidpulver surt vasket og renset. Renheten til litiumgrad silisiumkarbidpulver råvarer er nødvendig for å være over 99,5%. Etter syrevask og rensing med svovelsyre + hydrofluorsyre, kan råstoffets renhet nå over 99,9%. Samtidig må urenhetene som ble introdusert under utarbeidelsen av båtstøtten kontrolleres. Derfor dannes borekspansjonsbåtholderen for det meste ved fuging for å redusere bruken av metallforurensninger. Fugemetoden dannes vanligvis ved sekundær sintring. Etter reintering forbedres renheten til silisiumkarbidbåtholderen til en viss grad.

I tillegg, under sintringsprosessen til båtholderen, må sintringsovnen renses på forhånd, og grafittvarmefeltet i ovnen må også renses. Vanligvis er renheten til silisiumkarbidbåtholderen som brukes til ekspansjon av bor omtrent 3N.

Silisiumkarbidbåten har en lovende fremtid. Silisiumkarbidbåten er vist i figur 3. Uavhengig av LPCVD -prosessen eller borutvidelsesprosessen, er kvartsbåtens levetid relativt lav, og den termiske ekspansjonskoeffisienten til kvartsmaterialet er inkonsekvent med silisiumkarbidmaterialet. Derfor er det lett å ha avvik i prosessen med å matche med silisiumkarbidbåten ved høy temperatur, noe som fører til risting eller til og med brudd på båten.

Silisiumkarbidbåten vedtar en integrert støping og den generelle prosesseringsprosessveien. Kravene om form og posisjonstoleranse er høye, og den samarbeider bedre med silisiumkarbidbåtholderen. I tillegg har silisiumkarbid høy styrke, og båtbruddet forårsaket av menneskelig kollisjon er mye mindre enn kvartsbåten. På grunn av kravene til høy renhet og prosessering av presisjon av silisiumkarbidbåter, er de imidlertid fortsatt i det lille verifiseringsstadiet.

Siden silisiumkarbidbåten er i direkte kontakt med batterisellen, må den ha en høy renhet selv i LPCVD -prosessen for å forhindre forurensning av silisiumskiven.

Den største vanskeligheten med silisiumkarbidbåter ligger i maskinering. Som vi alle vet, er silisiumkarbidkeramikk typiske harde og sprø materialer som er vanskelige å behandle, og kravene til form og posisjonstoleranse er veldig strenge. Det er vanskelig å behandle silisiumkarbidbåter med tradisjonell prosesseringsteknologi. For tiden behandles silisiumkarbidbåten for det meste av diamantverktøysliping, og deretter blir polert, syltet og andre behandlinger utført.

Figur 3 Silisiumkarbidbåt

Sammenlignet med kvartsovnrør, har silisiumkarbidovnrør god termisk ledningsevne, ensartet oppvarming og god termisk stabilitet, og deres levetid er mer enn 5 ganger for kvartsrør. Ovnrøret er den viktigste varmeoverføringskomponenten i ovnen, som spiller en rolle i tetning og jevn varmeoverføring. Produksjonsvanskeligheten med silisiumkarbidovnrør er veldig høy, og avkastningshastigheten er også veldig lav. For det første, på grunn av den enorme størrelsen på ovnrøret og veggtykkelsen vanligvis mellom 5 og 8 mm, er det veldig enkelt å deformere, kollapse eller til og med sprekke under prosessen med blank forming.

Under sintring, på grunn av den enorme størrelsen på ovnrøret, er det også vanskelig å sikre at det ikke vil deformeres under sintringsprosessen. Ensartetheten av silisiuminnholdet er dårlig, og det er lett å ha lokal ikke-silikonisering, kollaps, sprekker osv., Og produksjonssyklusen til silisiumkarbidovnrør er veldig lang, og produksjonssyklusen til et enkelt ovnrør overstiger 50 dager. Derfor er silisiumkarbidovnerør fremdeles i forsknings- og utviklingsstatus og har ennå ikke blitt masseprodusert.

Hovedkostnadene for keramids keramiske materialer som brukes i det solcellefeltet, kommer fra silisiumkarbidpulver med høy renhet, råstoffer med høy renhet, polykrystallinsk silisium og reaksjonsryddingskostnader.

Med kontinuerlig utvikling av silisiumkarbidpulverrensingsteknologi fortsetter renheten av silisiumkarbidpulver å øke gjennom magnetisk separasjon, sylting og andre teknologier, og urenhetsinnholdet synker gradvis fra 1% til 0,1%. Med den kontinuerlige økningen i silisiumkarbidpulverproduksjonskapasitet, synker også kostnadene for silisiumkarbidpulver med høy renhet.

Siden andre halvdel av 2020 har Polysilicon Companies suksessivt kunngjort utvidelser. Foreløpig er det mer enn 17 innenlandske polysilisiumproduksjonsselskaper, og den årlige produksjonen anslås å overstige 1,45 millioner tonn i 2023. Overkapasiteten til Polysilicon har ført til en kontinuerlig nedgang i prisene, noe som igjen har redusert kostnadene for silisiumkarbid keramikk.

Når det gjelder sintring av reaksjon, øker også størrelsen på reaksjonens sintringsovn, og lastekapasiteten til en enkelt ovn øker også. Den siste storstore reaksjonseturen kan laste mer enn 40 stykker om gangen, noe som er mye større enn den eksisterende reaksjonsinturen-lastekapasiteten på 4 til 6 stykker. Derfor vil sintringskostnaden også falle betydelig.

I det store og hele utvikler silisiumkarbid keramiske materialer i det solcellefeltet hovedsakelig mot høyere renhet, sterkere bæreevne, høyere belastningskapasitet og lavere kostnader.

Ⅲ Betydningen av silisiumkarbid keramiske materialer i det fotovoltaiske feltet

For tiden er den høye renhetskvartssanden som kreves for kvartsmaterialer som brukes i det innenlandske fotovoltaiske feltet, fremdeles hovedsakelig avhengig av import, mens mengden og spesifikasjonene for kvartssand med høy renhet som eksporteres fra fremmede land til Kina er strengt kontrollert. Den stramme tilførselen av sandmaterialer med høy renhet har ikke blitt lindret og har begrenset utviklingen av den fotovoltaiske industrien. På grunn av det lave levetiden til kvartsmaterialer og enkle skader som fører til driftsstans, har utviklingen av batteriteknologi blitt alvorlig begrenset. Derfor er det av stor betydning for landet mitt å kvitte seg med utenlandske teknologiske blokader ved å forske på gradvis erstatning av kvartsmaterialer med kerbidkeramiske materialer med silisium.

I en omfattende sammenligning, enten det er produktytelse eller brukskostnader, er anvendelsen av kerbidkarbidkeramiske materialer i silisiumkarbid i feltet til solceller mer fordelaktig enn kvartsmaterialer. Anvendelsen av keramiske keramiske materialer i silisiumkarbid i den solcelleindustrien har stor hjelp for solcellebedrifter for å redusere investeringskostnadene for hjelpe materialer og forbedre produktkvaliteten og konkurranseevnen. I fremtiden, med storstilt anvendelse av storstørrelseSilisiumkarbidovnrør, silisiumkarbidbåter med høy renhet og båtstøtter og kontinuerlig reduksjon av kostnader, påføring av keramidkarbidkeramiske materialer i fotovoltaiske celler vil bli en nøkkelfaktor for å forbedre effektiviteten til lysenergi-konvertering og redusere industrien i feltet fotovoltaisk kraftproduksjon.