Anvendelse og forskning af siliciumcarbidkeramik inden for fotovoltaik - Vetek Semiconductor

Med den stigende mangel på traditionelle energikilder såsom olie og kul har nye energiindustrier, ledet af solcellefotovoltaik, udviklet sig hurtigt i de senere år. Siden 1990'erne er verdens fotovoltaiske installerede kapacitet steget 60 gange. Den globale fotovoltaiske industri har taget af sted på baggrund af transformation af energistrukturen, og industriens skala og installerede kapacitetsvæksthastighed har gentagne gange sat nye poster. I 2022 vil den globale fotovoltaiske installerede kapacitet nå 239 GW og tegne sig for 2/3 af al ny vedvarende energikapacitet. Det anslås, at den globale fotovoltaiske installerede kapacitet i 2023 vil være 411GW, en stigning på 59%år til år. På trods af den fortsatte vækst af fotovoltaik tegner fotovoltaik stadig kun 4,5% af den globale kraftproduktion, og dens stærke vækstmoment vil fortsætte indtil efter 2024.

SiliciumcarbidkeramikHar god mekanisk styrke, termisk stabilitet, resistens med høj temperatur, oxidationsmodstand, termisk stødmodstand og kemisk korrosionsmodstand og er vidt brugt i varme felter såsom metallurgi, maskiner, nyt energi og byggematerialer og kemikalier. I det fotovoltaiske felt bruges det hovedsageligt i diffusionen af ​​topconceller, LPCVD (kemisk dampaflejring med lavt tryk),PECVD (Plasma Chemical Damp Deposition)og andre termiske procesforbindelser. Sammenlignet med traditionelle kvartsmaterialer, bådstøtter, både og rørfittings lavet af siliciumcarbidkeramiske materialer har højere styrke, bedre termisk stabilitet, ingen deformation ved høje temperaturer og en levetid på mere end 5 gange for kvartsmaterialer, hvilket kan reducere omkostningerne ved brug og tab af energi forårsaget af vedligeholdelse og nedetid og have åbenlyse omkostninger.

Ⅰ Fordele ved siliciumcarbidkeramik i det fotovoltaiske felt

De vigtigste produkter inden for siliciumcarbidkeramik i det fotovoltaiske cellefelt inkluderer siliciumcarbidbådstøtter, siliciumcarbidbåde, siliciumcarbidovnens rør, siliciumcarbid -cantilever -padler, siliciumcarbidstænger, siliciumcarbidbeskyttelsesrør osv. Blandt dem, siliconcarbide bådstøtter og silicon -bøjler, der udskifter de originale drejningsrør osv. Blandt dem, siliconcarbide båd bådbåd båd båd båd og silicon carbide båle Understøtter og både. På grund af deres åbenlyse fordele og hurtige udvikling er de blevet et godt valg for nøglebærermaterialer i produktionsprocessen for fotovoltaiske celler, og deres markedets efterspørgsel tiltrækker i stigende grad opmærksomhed fra industrien.

Reaktion bundet siliciumcarbid (RBSC) keramik er den mest anvendte siliciumcarbidkeramik inden for fotovoltaiske celler. Dens fordele er lav sintringstemperatur, lave produktionsomkostninger og høje materialetætning. Især er der næsten ingen volumenkrympning under reaktionsintringsprocessen. Det er især velegnet til fremstilling af store og komplekse formede strukturelle dele. Therefore, it is most suitable for the production of large-sized and complex products such as boat supports, small boats, cantilever paddles, furnace tubes, etc. The basic principle of the preparation of RBSC ceramics is: under the action of capillary force, reactive liquid silicon penetrates into the carbon-containing porous ceramic blank, reacts with the carbon source in the blank to generate secondary phase β-SiC, and at the same time, the secondary phase ß-SIC er in situ kombineret med a-SIC-partiklerne i det tomme pulver, og de resterende porer er fortsat fyldt med gratis silicium, og til sidst opnås fortætning af RBSC-keramiske materialer. De forskellige egenskaber ved RBSC -keramiske produkter i ind -og udland er vist i tabel 1.

Tabel 1 Sammenligning af ydeevne af reaktion sintrede SIC -keramiske produkter i større lande

I fremstillingsprocessen for solcellefotovoltaiske celler anbringes siliciumskiver på en båd, og båden anbringes på en bådholder til diffusion, LPCVD og andre termiske processer. Siliciumcarbid -cantilever -padle (Rod) er en nøglebelastningskomponent til at flytte bådholderen, der bærer siliciumskiver ind og ud af opvarmningsovnen. Som vist i figur 1 kan siliciumcarbid -cantilever -padle (stang) sikre koncentriciteten af ​​siliciumskiven og ovnrøret, hvilket gør diffusionen og passiveringen mere ensartet. På samme tid er det forureningsfrit og ikke-deformeret ved høje temperaturer, har god termisk stødmodstand og stor belastningskapacitet og er blevet vidt brugt inden for fotovoltaiske celler.

Figur 1 Skematisk diagram over nøglebatteribelastningskomponenter

I det traditionellekvartsbådOg bådholder, i den bløde landingsdiffusionsproces, skal siliciumskiven og kvartsbådholderen placeres i kvartsrøret i diffusionsovnen. I hver diffusionsproces placeres kvartsbådholderen fyldt med siliciumskiver på siliciumcarbidpadlen. Efter siliciumcarbidpadlen kommer ind i kvartsrøret, synker padlen automatisk for at lægge kvartsbådholderen og siliciumskiven ned og løber derefter langsomt tilbage til oprindelsen. Efter hver proces skal kvartsbådholderen fjernes fra siliciumcarbidpadlen. En sådan hyppig drift vil medføre, at kvartsbådstøtten slides over en lang periode. Når kvartsbådens bådstøtter revner og går i stykker, falder hele kvartsbådstøtten fra siliciumcarbidpadlen og beskadiger derefter kvartsdele, siliciumskiver og siliciumcarbidpadler nedenfor. Siliciumcarbidpadler er dyre og kan ikke repareres. Når en ulykke opstår, vil den forårsage enorme ejendomstab.

I LPCVD-processen vil ikke kun de ovennævnte termiske stressproblemer forekomme, men da LPCVD-processen kræver, at silandas passerer gennem siliciumskiven, vil den langvarige proces danne en siliciumbelægning på bådens støtte og båden. På grund af uoverensstemmelsen af ​​de termiske ekspansionskoefficienter for den belagte silicium og kvarts, vil bådstøtten og båden revne, og levetiden reduceres alvorligt. Livets periode på almindelige kvartsbåde og bådstøtter i LPCVD -processen er normalt kun 2 til 3 måneder. Derfor er det især vigtigt at forbedre bådstøttematerialet for at øge styrken og levetiden for bådstøtten for at undgå sådanne ulykker.

Ⅱ Udviklingstrend for keramiske materialer til siliciumkarbid i det fotovoltaiske felt

Fra den 13. Shanghai -fotovoltaiske udstilling SNEC 2023 er mange fotovoltaiske virksomheder i landet begyndt at bruge siliciumcarbidbådstøtter, som vist i figur 2, såsom Longi Green Energy Technology Co., Ltd., Jinkosolar Co., Ltd., Yida New Energy Technology Co., LTD. Siliciumcarbidbåd understøtter anvendt til udvidelse af bor på grund af den høje brugstemperatur for borudvidelse, som regel ved 1000 ~ 1050 ℃, er urenhederne i bådstøtten let at volatilisere ved høj temperatur for at forurene batteriets celle og derved påvirke konverteringseffektiviteten af ​​batteriets celle, så der er højere krav til renheden i bådstøttematerialet.

Figur 2 LPCVD Silicium Carbide Boat Support and Bor Expansion Silicon Carbide Boat Support

På nuværende tidspunkt skal bådstøtten, der bruges til borudvidelse, renses. Først er råmaterialet siliciumcarbidpulver syrevasket og oprenset. Renheden af ​​siliciumkarbidpulver med lithiumkvalitetscarbidpulver kræves for at være over 99,5%. Efter syrevask og oprensning med svovlsyre + hydrofluorinsyre kan renheden af ​​råmaterialerne nå over 99,9%. På samme tid skal de urenheder, der blev indført under forberedelsen af ​​bådstøtten, kontrolleres. Derfor dannes boringsbåden med borudvidelsen for det meste ved fugning for at reducere brugen af ​​metalforureninger. Fugningsmetoden dannes normalt ved sekundær sintring. Efter genindtrængning forbedres renheden af ​​siliciumcarbidbådholderen til en vis grad.

Under sintringsprocessen for bådholderen skal sintringovnen desuden renses på forhånd, og grafitvarmefeltet i ovnen skal også renses. Normalt er renheden af ​​siliciumcarbidbådholderen, der bruges til borudvidelse, ca. 3N.

Siliciumcarbidbåden har en lovende fremtid. Siliciumcarbidbåden er vist i figur 3. Uanset LPCVD -processen eller borens ekspansionsproces, er levetiden på kvartsbåden relativt lav, og den termiske ekspansionskoefficient for kvartsmaterialet er i strid med det for siliciumcarbidmaterialet. Derfor er det let at have afvigelser i processen med at matche med siliciumcarbidbåden ved høj temperatur, hvilket fører til at ryste eller endda bryde båden.

Siliciumcarbidbåd vedtager en integreret støbning og den samlede behandlingsprocesrute. Kravene til form og positionstolerance er høje, og det samarbejder bedre med siliciumcarbidbådholderen. Derudover har siliciumcarbid høj styrke, og bådbruddet forårsaget af menneskelig kollision er meget mindre end for kvartsbåden. På grund af de høje renhed og behandling af præcisionskrav til siliciumcarbidbåde er de dog stadig i den lille batchverifikationsstadium.

Da siliciumcarbidbåden er i direkte kontakt med battercellen, skal den have en høj renhed, selv i LPCVD -processen for at forhindre kontaminering af siliciumskiven.

Den største vanskelighed ved siliciumcarbidbåde ligger i bearbejdning. Som vi alle ved, er siliciumcarbidkeramik typiske hårde og sprøde materialer, der er vanskelige at behandle, og bådens form og positionstolerance er meget strenge. Det er vanskeligt at behandle siliciumcarbidbåde med traditionel behandlingsteknologi. På nuværende tidspunkt behandles siliciumcarbidbåden for det meste ved slibning af diamantværktøj og derefter poleres, syltede og andre behandlinger udføres.

Figur 3 Siliciumcarbidbåd

Sammenlignet med kvartsovnsrør har siliciumcarbidovnrør god termisk ledningsevne, ensartet opvarmning og god termisk stabilitet, og deres levetid er mere end 5 gange den af ​​kvartsrør. Ovnrøret er den vigtigste varmeoverførselskomponent i ovnen, der spiller en rolle i forsegling og ensartet varmeoverførsel. Fremstillingsvanskeligheden ved siliciumcarbidovnrør er meget høj, og udbyttehastigheden er også meget lav. For det første på grund af den enorme størrelse af ovnrøret og vægtykkelsen normalt mellem 5 og 8 mm, er det meget let at deformere, kollapse eller endda knække under processen med blank dannelse.

Under sintring på grund af den enorme størrelse af ovnrøret er det også vanskeligt at sikre, at det ikke vil deformere under sintringsprocessen. Ensartetheden af ​​siliciumindhold er dårlig, og det er let at have lokal ikke-siliconisering, sammenbrud, revner osv., Og produktionscyklussen af ​​siliciumcarbidovn er meget lang, og produktionscyklussen i et enkelt ovnrør overstiger 50 dage. Derfor er siliciumcarbidovnrør stadig i forsknings- og udviklingstilstanden og er endnu ikke blevet masseproduceret.

De vigtigste omkostninger ved keramiske materialer i siliciumcarbid, der bruges i det fotovoltaiske felt, kommer fra siliciumcarbidpulver med høj renhed, høje renhed polykrystallinsk silicium og reaktions sintringomkostninger.

Med den kontinuerlige udvikling af siliciumcarbidpulveroprensningsteknologi fortsætter renheden af ​​siliciumcarbidpulver med at stige gennem magnetisk adskillelse, pickling og andre teknologier, og urenhedsindholdet falder gradvist fra 1% til 0,1%. Med den kontinuerlige stigning i siliciumcarbidpulverproduktionskapacitet falder omkostningerne ved siliciumcarbidpulver med høj renhed også.

Siden anden halvdel af 2020 har polysiliconfirmaer successivt annonceret udvidelser. I øjeblikket er der mere end 17 indenlandske polysiliciumproduktionsselskaber, og den årlige produktion vurderes at overstige 1,45 millioner tons i 2023. Overkapaciteten af ​​polysilicium har ført til et kontinuerligt fald i priserne, hvilket igen har reduceret omkostningerne ved siliciumcarbidkeramik.

Med hensyn til reaktionsintring øges størrelsen på reaktionsintringovnen også, og belastningskapaciteten for en enkelt ovn øges også. Den seneste sintringovn i stor størrelse kan indlæses mere end 40 stykker ad gangen, hvilket er meget større end den eksisterende reaktionsintering ovnbelastningskapacitet på 4 til 6 stykker. Derfor vil sintringsomkostningerne også falde markant.

I det store og hele udvikler siliciumcarbid -keramiske materialer i det fotovoltaiske felt hovedsageligt mod højere renhed, stærkere bæreevne, højere belastningskapacitet og lavere omkostninger.

Ⅲ Betydningen af ​​keramiske materialer i siliciumcarbid i det fotovoltaiske felt

På nuværende tidspunkt er det højrulitetskvartsand, der kræves til kvartsmaterialer, der bruges i det indenlandske fotovoltaiske felt, stadig hovedsageligt afhængig af import, mens mængden og specifikationerne af højrulhedskvartsand, der eksporteres fra fremmede lande til Kina, kontrolleres strengt. Den stramme forsyning med højrulitetskvartsandmaterialer er ikke lindret og har begrænset udviklingen af ​​den fotovoltaiske industri. På samme tid på grund af den lave levetid af kvartsmaterialer og let skade, der fører til nedetid, er udviklingen af ​​batteriteknologi alvorligt begrænset. Derfor er det af stor betydning for mit land at slippe af med udenlandske teknologiske blokader ved at forske på gradvis udskiftning af kvartsmaterialer med keramiske materialer i siliciumcarbid.

I en omfattende sammenligning, uanset om det er produktydelse eller brugsomkostninger, er anvendelsen af ​​siliciumcarbidkeramiske materialer inden for solceller mere fordelagtigt end kvartsmaterialer. Anvendelsen af ​​siliciumcarbidkeramiske materialer i den fotovoltaiske industri har stor hjælp til fotovoltaiske virksomheder til at reducere investeringsomkostningerne for hjælpematerialer og forbedre produktkvaliteten og konkurrenceevnen. I fremtiden med storstilet anvendelse af stor størrelsesiliciumcarbidovns rør, siliciumkarbidbåde med høj renhed og bådstøtter og den kontinuerlige reduktion af omkostningerne, påføring af keramiske materialer til siliciumcarbid i området fotovoltaiske celler vil blive en nøglefaktor for at forbedre effektiviteten af ​​lysenergikonvertering og reducerende industriomkostninger inden for fotovoltaisk kraftproduktion og vil have en vigtig indflydelse på udviklingen af ​​fotovoltaisk ny energi.