A szilícium -karbid kerámia alkalmazása és kutatása a fotovoltaika területén - Vetek félvezető

A hagyományos energiaforrások, mint például az olaj és a szén növekvő hiánya miatt, az új energiaipar, amelyet a Solar Photovoltaics vezet, az utóbbi években gyorsan fejlődtek. Az 1990 -es évek óta a világ fotovoltaikus szerelhető kapacitása 60 -szor nőtt. A globális fotovoltaikus ipar az energiaszerkezet átalakulásának hátterében indult, és az iparági skála és a telepített kapacitásnövekedés üteme ismételten új rekordokat állított fel. 2022 -ben a globális fotovoltaikus szerelhető kapacitás eléri a 239 GW -ot, ami az összes új megújuló energia kapacitás 2/3 -ját teszi ki. A becslések szerint 2023-ban a globális fotovoltaikus telepített kapacitás 411 GW lesz, ami 59%-os növekedést jelent. A fotovoltaika folyamatos növekedése ellenére a fotovoltaika továbbra is csak a globális energiatermelés 4,5% -át teszi ki, és erős növekedési lendülete 2024 után folytatódik.

Szilícium karbid kerámiaJó mechanikai szilárdsággal, hőstabilitással, magas hőmérsékletű ellenállással, oxidációs ellenállással, termikus sokk ellenállással és kémiai korrózióállósággal rendelkeznek, és széles körben használják olyan forró mezőkben, mint a kohászat, a gépek, az új energia, valamint az építőanyagok és vegyi anyagok. A fotovoltaikus mezőben elsősorban a TopCon sejtek diffúziójában, az LPCVD -ben (alacsony nyomású kémiai gőzlerakódás),PECVD (plazma kémiai gőzlerakódás)és más termikus folyamat linkek. A szilícium -karbid -kerámia anyagokból készült csónaktartókkal, hajókkal és csőszerelvényekkel összehasonlítva nagyobb szilárdsággal, jobb hőstabilitással, magas hőmérsékleten történő deformációval, valamint a kvarc anyagok ötszázalékának élettartamával, amelyek jelentősen csökkenthetik a felhasználás költségeit és az energia elvesztését, amelyet a karbantartás és a leállás által okozott, és nyilvánvaló költségnövekedésük van.

Ⅰ A szilícium -karbid kerámia előnyei a fotovoltaikus mezőben

A szilícium -karbid -kerámia fő termékei a fotovoltaikus sejtmezőben közé tartozik a szilícium -karbid -csónakok, a szilícium -karbid -csónakok, a szilícium -karbid -csövek, hajók. Nyilvánvaló előnyeik és gyors fejlődésük miatt jó választássá váltak a legfontosabb hordozóanyagok számára a fotovoltaikus cellák előállítási folyamatában, és piaci keresletük egyre inkább vonzza az ipar figyelmét.

A reakcióval kötött szilícium -karbid (RBSC) kerámia a legszélesebb körben alkalmazott szilícium -karbid kerámia a fotovoltaikus sejtek területén. Előnyei az alacsony szinterezési hőmérséklet, az alacsony termelési költségek és a magas anyagi sűrűsítés. Különösen a reakció -szinterezési folyamat során szinte nincs mennyiségű csökkenés. Különösen alkalmas nagy méretű és komplex alakú szerkezeti alkatrészek előállítására. Ezért a legmegfelelőbb nagy méretű és összetett termékek, például csónak tartók, kis csónakok, konzolos evezők, kemencecsövek stb. Készítéséhez. A β-SIC in situ, az α-Sic részecskékkel kombinálva az üres porban, és a fennmaradó pórusokat továbbra is szabad szilíciummal töltik meg, és végül elérik az RBSC kerámia anyagok sűrűsítését. Az RBSC kerámia termékek otthoni és külföldön történő különféle tulajdonságait az 1. táblázat mutatja.

1. táblázat

A napenergia -fotovoltaikus sejtek gyártási folyamatában a szilícium ostyákat egy hajóra helyezik, és a csónakot egy hajótartóra helyezik diffúzió, LPCVD és más termikus folyamatok céljából. A szilícium -karbid konzolos lapát (ROD) kulcsfontosságú rakodóelem a hajótartót, amely a szilícium ostyákat szállító hajót szállító kemencébe és onnan van. Amint az az 1. ábrán látható, a szilícium -karbid konzolos lapát (rúd) biztosíthatja a szilícium ostya és a kemencecső koncentrikusságát, ezáltal a diffúziót és a passzivációt egységesebbé teszi. Ugyanakkor szennyezésmentes és magas hőmérsékleten nem deformálódik, jó hőhatású ellenállással és nagy terhelési képességgel rendelkezik, és széles körben használják a fotovoltaikus sejtek területén.

1. ábra A kulcs akkumulátor -betöltési alkatrészek vázlatos ábrája

A hagyományoskvarc csónakés a hajótartó, a lágy leszállás -diffúziós folyamat során a szilícium ostyát és a kvarc hajótartót a kvarccsőbe kell helyezni a diffúziós kemencében. Mindegyik diffúziós folyamatban a szilícium ostyával töltött kvarc hajótartó a szilícium -karbid lapátra helyezi. Miután a szilícium -karbid lapát belép a kvarccsőbe, a lapát automatikusan elsüllyed, hogy letegye a kvarc hajótartót és a szilícium ostyát, majd lassan visszatér az eredethez. Minden egyes folyamat után a kvarc hajótartót el kell távolítani a szilícium -karbid lapátból. Az ilyen gyakori működés miatt a kvarc hajó támogatása hosszú ideig elhasználódott. Miután a kvarc hajó támogatja a repedést és a szünetet, a teljes kvarc hajó tartó leesik a szilícium -karbid lapátról, majd károsítja a kvarcrészeket, a szilikon ostyákat és az alsó szilícium -karbid evezőket. A szilícium -karbid lapátok drágák, és nem javíthatók. A baleset bekövetkezése után óriási veszteségeket okoz.

Az LPCVD eljárás során nemcsak a fent említett termikus stresszproblémák merülnek fel, hanem mivel az LPCVD-folyamatnak a Silane Gas áthaladnia kell a szilícium ostyán, a hosszú távú folyamat szilícium bevonatot képez a hajótámaszon és a hajón. A bevont szilícium és kvarc termikus tágulási együtthatóinak következetlensége miatt a hajó támogatása és a csónak repedése lesz, és az élettartam súlyosan csökken. Az LPCVD folyamatban a szokásos kvarc csónakok és a hajók támaszának élettartama általában csak 2-3 hónap. Ezért különösen fontos a hajótámogató anyag fejlesztése, hogy növelje a hajó támogatásának erősségét és szolgálati élettartamát az ilyen balesetek elkerülése érdekében.

Ⅱ A szilícium -karbid kerámia anyagok fejlesztési trendje a fotovoltaikus mezőben

A 13. sanghaji fotovoltaikus kiállításon, a SNEC 2023 -ban az ország számos fotovoltaikus vállalata megkezdte a szilícium -karbid -hajók támogatásainak használatát, amint az a 2. ábrán látható, mint például a Longi Green Energy Technology Co., Ltd., Jinkosolar Co., Ltd., Yida New Energy Technology Co., Ltd. és más fotovoliás vezető társaságok. A bór -táguláshoz használt szilícium -karbid -hajók támaszok, a bór -tágulás nagy felhasználási hőmérséklete miatt, általában 1000 ~ 1050 ℃ -nél, a hajó támogatásának szennyeződései könnyen tükröződhetnek az akkumulátor cellájának szennyeződése érdekében, ezáltal befolyásolva az akkumulátorcellát, tehát a hajó támogatásának tisztességére nagyobb követelmények.

2. ábra LPCVD Szilícium -karbid hajó tartó és bór -bővítés Szilícium -karbid hajó támogatása

Jelenleg tisztítani kell a bór -bővítéshez használt hajótámogatást. Először, a nyersanyag-szilícium-karbidpor savmosott és tisztított. A lítium-minőségű szilícium-karbidpor nyersanyagok tisztaságának 99,5%felett kell lennie. A savmosás és a kénsav + hidrofluorinsav tisztítása után a nyersanyagok tisztasága elérheti a 99,9%-ot. Ugyanakkor ellenőrizni kell a hajó -támogatás előkészítése során bevezetett szennyeződéseket. Ezért a bór -bővítő hajótulajdonosot főként fugával alakítják ki, hogy csökkentsék a fém szennyeződések használatát. A fugázási módszert általában másodlagos szinterezéssel alakítják ki. Az újbóli beillesztés után a szilícium-karbid hajótartó tisztasága bizonyos mértékben javul.

Ezenkívül a hajótartó szinterezési folyamata során a szintering kemencét előre tisztítani kell, és a kemencében lévő grafithőmezőt is tisztítani kell. Általában a bór -bővítéshez használt szilícium -karbid hajótartó tisztasága körülbelül 3N.

A szilícium -karbid hajónak ígéretes jövője van. A szilícium -karbid -csónakot a 3. ábra mutatja. Az LPCVD folyamattól vagy a bór -tágulási folyamattól függetlenül a kvarc hajó élettartama viszonylag alacsony, és a kvarc anyag hőkarbid -tágulási együtthatója a szilícium -karbid anyagával. Ezért könnyű eltéréseket végezni a szilícium -karbid -csónak magas hőmérsékleten való párosításában, ami a hajó remegéséhez vagy akár megtöréséhez vezet.

A szilícium -karbid hajó integrált formázási és teljes feldolgozási folyamat útvonalat fogad el. A alak- és helyzettűrési követelményei magasak, és jobban együttműködik a szilícium -karbid hajótartójával. Ezenkívül a szilícium -karbidnak nagy szilárdsága van, és az emberi ütközés által okozott hajó törése sokkal kevesebb, mint a kvarc hajóé. A szilícium -karbid -hajók nagy tisztaságának és feldolgozási precíziós követelményeinek köszönhetően azonban még mindig a kis kötegelt ellenőrzési szakaszban vannak.

Mivel a szilícium -karbid -csónak közvetlen érintkezésben van az akkumulátorcellával, nagy tisztaságúnak kell lennie, még az LPCVD folyamatban is, hogy megakadályozzák a szilícium ostya szennyeződését.

A szilícium -karbid hajók legnagyobb nehézsége a megmunkálásban rejlik. Mint mindannyian tudjuk, a szilícium -karbid kerámia tipikus kemény és törékeny anyagok, amelyeket nehéz feldolgozni, és a hajó alak- és helyzettűrési követelményei nagyon szigorúak. Nehéz feldolgozni a szilícium -karbid -hajókat a hagyományos feldolgozási technológiával. Jelenleg a szilícium -karbid -csónakot többnyire gyémánt szerszámcsiszolással dolgozják fel, majd csiszolt, pácolt és egyéb kezeléseket végeznek.

3. ábra Szilícium -karbid hajó

A kvarc kemencecsövekkel összehasonlítva a szilícium -karbid -kemencecsövek jó hővezetőképességgel, egyenletes fűtéssel és jó hőstabilitással rendelkeznek, és élettartamuk több mint ötszörösére növekszik a kvarccsövek. A kemencecső a kemence fő hőátadási alkotóeleme, amely szerepet játszik a tömítésben és az egységes hőátadásban. A szilícium -karbid -kemence csövek gyártási nehézsége nagyon magas, és a hozam -sebesség szintén nagyon alacsony. Először, a kemencecső hatalmas mérete és a falvastagság miatt általában 5 és 8 mm között, nagyon könnyű deformálódni, összeomolni vagy akár repedni az üres kialakulás során.

A szinterelés során, a kemencecső hatalmas mérete miatt, szintén nehéz biztosítani, hogy az nem deformálódik a szinterezési folyamat során. A szilícium-tartalom egységessége gyenge, és könnyű helyi nem szilikonizációt, összeomlást, repedést stb. Ezért a szilícium-karbid-kemencecsövek továbbra is kutatási és fejlesztési állapotban vannak, és még nem voltak tömeggyártással.

A fotovoltaikus mezőben felhasznált szilícium-karbid kerámia anyagok fő költsége a nagy tisztaságú szilícium-karbidpor nyersanyagokból, a nagy tisztaságú polikristályos szilíciumból és a reakció-szinterezési költségekből származik.

A szilícium -karbid -por tisztító technológiájának folyamatos fejlesztésével a szilícium -karbidpor tisztasága továbbra is növekszik a mágneses elválasztás, a pácolás és más technológiák révén, és a szennyeződés tartalma fokozatosan 1% -ról 0,1% -ra csökken. A szilícium-karbid-por előállítási kapacitásának folyamatos növekedésével a nagy tisztaságú szilícium-karbid por költsége is csökken.

2020 második fele óta a poliszilicon társaságok egymás után bejelentették a bővítéseket. Jelenleg több mint 17 hazai poliszilikongyártó társaság létezik, és az éves termelés becslések szerint 2023 -ban meghaladja az 1,45 millió tonnát. A poliszilikon túlkapacitása az árak folyamatos csökkenéséhez vezetett, ami viszont csökkentette a szilícium -karbid kerámia költségeit.

A reakció -szinterelés szempontjából a reakció -szintering kemence mérete szintén növekszik, és az egyetlen kemence terhelési képessége is növekszik. A legújabb nagyméretű reakció-szinteráló kemence egyszerre több mint 40 darabot tölthet be, ami sokkal nagyobb, mint a meglévő reakció-szinterációs kemence terhelési kapacitása 4-6 darab. Ezért a szinterezési költség szintén jelentősen csökken.

Összességében a szilícium -karbid kerámia anyagok a fotovoltaikus mezőben elsősorban a magasabb tisztaság, az erősebb szállítási kapacitás, a nagyobb terhelési kapacitás és az alacsonyabb költségek felé fejlődnek.

Ⅲ A szilícium -karbid kerámia anyagok jelentősége a fotovoltaikus mezőben

Jelenleg a háztartási fotovoltaikus mezőben használt kvarc anyagokhoz szükséges nagy tisztességes kvarc homok még mindig elsősorban az importtól függ, míg a külföldi országokból Kínába exportált nagy tisztességes kvarc homok mennyiségét és előírásait szigorúan ellenőrzik. A nagy tisztaságú kvarc homokanyagok szoros ellátását nem enyhítették, és korlátozta a fotovoltaikus ipar fejlődését. Ugyanakkor a kvarc anyagok alacsony élettartama és az állásidőhoz vezető könnyű károk miatt az akkumulátor -technológia fejlesztése súlyosan korlátozott volt. Ezért nagy jelentőséggel bír az én országom számára, hogy megszabaduljunk a külföldi technológiai blokádoktól azáltal, hogy kutatást végeznek a kvarc anyagok szilícium -karbid kerámia anyagokkal történő fokozatos cseréjéről.

Átfogó összehasonlításban, függetlenül attól, hogy termékteljesítmény vagy felhasználási költség, a szilícium -karbid kerámia anyagok alkalmazása a napelemek területén előnyösebb, mint a kvarc anyagok. A szilícium -karbid kerámia anyagok alkalmazása a fotovoltaikus iparban nagy segítséget nyújt a fotovoltaikus vállalatok számára a kiegészítő anyagok befektetési költségeinek csökkentésében, valamint a termékminőség és a versenyképesség javításában. A jövőben, a nagy méretű nagyméretű alkalmazássalszilícium -karbid kemence csövek, nagy tisztességes szilícium-karbid-hajók és hajótartók, valamint a költségek folyamatos csökkentése, a szilícium-karbid kerámia anyagok alkalmazása a fotovoltaikus cellák területén kulcsfontosságú tényezővé válik a fényenergia-átalakulás hatékonyságának javításában és az ipari költségek csökkentésében a fotovoltaikus energiatermelés területén, és fontos hatással lesz a fotovoltaikus új energia fejlesztésére.