Прилагане и изследване на керамиката на силициев карбид в областта на фотоволтаиците - полупроводник Vetek

С нарастващия недостиг на традиционни енергийни източници като нефт и въглища, новите енергийни индустрии, ръководени от слънчеви фотоволтаици, се развиват бързо през последните години. От 90 -те години на миналия век световният фотоволтаичен капацитет се е увеличил 60 пъти. Глобалната фотоволтаична индустрия се размина на фона на трансформацията на енергийната структура, а индустриалната скала и скоростта на растеж на капацитета многократно са поставили нови записи. През 2022 г. глобалният фотоволтаичен монтиран капацитет ще достигне 239GW, което представлява 2/3 от целия нов капацитет за възобновяема енергия. Изчислено е, че през 2023 г. глобалният фотоволтаичен монтиран капацитет ще бъде 411GW, увеличение на годишна база от 59%. Въпреки продължаващия растеж на фотоволтаиците, фотоволтаиците все още представляват 4,5% от глобалното производство на електроенергия, а силният му инерция на растеж ще продължи до 2024 г.

Силиконова карбидна керамикаИмайте добра механична якост, термична стабилност, висока температурна устойчивост, устойчивост на окисляване, устойчивост на термична шок и химическа устойчивост на корозия и се използват широко в горещи полета като металургия, машини, нови енергийни и строителни материали и химикали. Във фотоволтаичното поле се използва главно при дифузия на TopCon клетки, LPCVD (отлагане на химически пари с ниско налягане),PECVD (отлагане на плазмени химически пари)и други връзки на термичния процес. В сравнение с традиционните кварцови материали, поддръжката на лодките, лодките и тръбните фитинги, изработени от керамични материали от силициев карбид, имат по -висока якост, по -добра термична стабилност, без деформация при високи температури и продължителност на живота на повече от 5 пъти по -голяма от тази на кварцовите материали, което може значително да намали разходите за употреба и загубата на енергия, причинена от поддръжката и престоя, и да имат очевидни разходи.

Ⅰ Предимства на силициевата карбидна керамика във фотоволтаичното поле

Основните продукти на силициев карбид керамика във фотоволтаичното клетъчно поле включват поддръжка на лодки от силициев карбид, лодки от силициев карбид, силициеви карбидни тръби, конзолни гребла от силициев карбид, силиконови карбидни пръти, силициев карбид защитни тръби и др. лодки. Поради очевидните си предимства и бързото развитие, те се превърнаха в добър избор за ключови материали за носители в производствения процес на фотоволтаичните клетки и търсенето на пазара все повече привлича вниманието от индустрията.

Реакционната свързана силициев карбид (RBSC) керамиката е най -използваната керамика на силициев карбид в областта на фотоволтаичните клетки. Предимствата му са ниска температура на синтероване, ниски производствени разходи и високото уплътняване на материала. По -специално, по време на процеса на синтероване на реакцията няма почти никакъв обем. Той е особено подходящ за приготвяне на структурни части с голям размер и сложна форма. 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 β-SIC е in situ, комбиниран с α-SIC частици в празния прах, а останалите пори продължават да се пълнят със свободен силиций и накрая се постига уплътняването на RBSC керамичните материали. Различните свойства на RBSC керамичните продукти у дома и в чужбина са показани в таблица 1.

Таблица 1 Сравнение на ефективността на реакцията Snerited SIC керамични продукти в големите страни

В производствения процес на слънчеви фотоволтаични клетки силиконовите вафли се поставят на лодка, а лодката се поставя върху държач на лодка за дифузия, LPCVD и други термични процеси. Конзолата на силициевия карбид (ROD) е ключов компонент за зареждане за преместване на държача на лодката, носещ силиконови вафли в и извън отоплителната пещ. Както е показано на фигура 1, конзолното гребло на силициевия карбид (ROD) може да гарантира концентричността на силициевата вафла и пещната тръба, като по този начин прави дифузията и пасивацията по -равномерно. В същото време той е без замърсяване и недеформиран при високи температури, има добра устойчивост на термичен удар и голям натоварващ капацитет и е широко използван в областта на фотоволтаичните клетки.

Фигура 1 Схематична схема на ключови компоненти за зареждане на батерията

В традиционнотоКварцова лодкаи държачът на лодка, в процеса на дифузия на меката кацане, силиконовата вафла и кварцовият държач на лодка трябва да бъдат поставени в кварцовата тръба в дифузионната пещ. Във всеки процес на дифузия кварцовият държач на лодка, пълна със силиконови вафли, се поставя върху греблото от силициев карбид. След като греблото на силициевия карбид влезе в кварцовата тръба, греблото автоматично потъва, за да постави държача на кварцовата лодка и силиконовата вафла, а след това бавно се връща обратно към произхода. След всеки процес държачът на кварцовата лодка трябва да бъде отстранен от греблото от силициев карбид. Подобна честа работа ще доведе до износване на поддръжката на кварцовата лодка за дълъг период от време. След като кварцовата лодка поддържа пукнатини и счупване, цялата поддръжка на кварцовата лодка ще падне от греблото от силициев карбид и след това ще повреди кварцовите части, силиконовите вафли и греблата на силициевия карбид отдолу. Силиконовите карбидни гребла са скъпи и не могат да бъдат ремонтирани. След като се случи инцидент, това ще доведе до огромни загуби на собственост.

В процеса на LPCVD не само ще възникнат горепосочените проблеми с термичния стрес, но тъй като процесът на LPCVD изисква силиконов газ да премине през силиконовата вафла, дългосрочният процес ще образува силициево покритие върху поддръжката на лодката и лодката. Поради несъответствието на коефициентите на термично разширяване на покрития силиций и кварц, подкрепата на лодката и лодката ще се напукат, а продължителността на живота ще бъде сериозно намалена. Продължителността на живота на обикновените кварцови лодки и поддръжката на лодките в процеса на LPCVD обикновено е само 2 до 3 месеца. Ето защо е особено важно да се подобри материала за поддръжка на лодки, за да се увеличи силата и експлоатационния живот на поддръжката на лодката, за да се избегнат подобни произшествия.

Ⅱ Тенденция за развитие на силициев карбид керамични материали във фотоволтаичното поле

От 13 -та фотоволтаична изложба в Шанхай SNEC 2023, много фотоволтаични компании в страната започнаха да използват поддръжка на лодки със силициев карбид, както е показано на фигура 2, като Longi Green Energy Technology Co., Ltd., Jinkosolar Co., Ltd., Yida New Energy Technology Co., Ltd. и други фотовоични компании. Поддръжката на лодката на силициевия карбид, използвана за разширяване на бор, поради високата температура на използване на разширяването на бор, обикновено при 1000 ~ 1050 ℃, примесите в поддръжката на лодката са лесни за изпаряване при висока температура, за да се замърси клетката на батерията, като по този начин влияе върху ефективността на конверсията на батерията, така че има по -високи изисквания за чистотата на материала на лодката.

Фигура 2 LPCVD Силиконов карбид Поддръжка на лодка и Борн Разширяване на силициев карбид поддръжка на лодка

Понастоящем трябва да се пречисти поддръжката на лодката, използвана за разширяване на бор. Първо, суровиният силициев карбид на прах е изсушен с киселина и пречистен. Чистотата на литийния силициев карбид на прах са необходими, за да бъде над 99,5%. След измиване и пречистване на киселина със сярна киселина + хидрофлуроводородна киселина, чистотата на суровините може да достигне над 99,9%. В същото време примесите, въведени по време на подготовката на поддръжката на лодката, трябва да бъдат контролирани. Следователно притежателят на лодка за разширяване на бор се формира най -вече чрез фугиране, за да се намали използването на метални примеси. Методът на фугиране обикновено се образува чрез вторично синтероване. След повторно наблюдение, чистотата на държача на лодката на силициевия карбид се подобрява до известна степен.

В допълнение, по време на процеса на синтероване на държача на лодката, пещта за синтероване трябва да бъде пречистена предварително, а графитното топлинно поле в пещта също трябва да бъде пречистено. Обикновено чистотата на държача на лодката на силициев карбид, използван за разширяване на бор, е около 3N.

Лодката от силициев карбид има обещаващо бъдеще. Лодката от силициев карбид е показана на фигура 3. Независимо от процеса на LPCVD или процеса на разширяване на бор, животът на кварцовата лодка е сравнително нисък, а коефициентът на термично разширяване на кварцовия материал е в противоречие с този на материала на силиконовия карбид. Следователно е лесно да се има отклонения в процеса на съвпадение с лодката на силициевия карбид при висока температура, което води до разклащане или дори счупване на лодката.

Лодката от силициев карбид приема интегриран маршрут за формоване и цялостен процес на обработка. Изискванията за толерантност към формата и позицията му са високи и той си сътрудничи по -добре със държача на лодката на силициевия карбид. В допълнение, силициевият карбид има висока якост, а счупването на лодката, причинено от сблъсък на човека, е много по -малко от този на кварцовата лодка. Въпреки това, поради високите изисквания за прецизност на чистотата и обработката на лодките на силициев карбид, те все още са в малкия етап на проверка на партидата.

Тъй като лодката на силициевия карбид е в пряк контакт с батерията, тя трябва да има висока чистота дори в процеса на LPCVD, за да се предотврати замърсяването на силиконовата вафла.

Най -голямата трудност на силициевите карбидни лодки се крие в обработката. Както всички знаем, керамиката на силициевия карбид е типична твърди и чупливи материали, които са трудни за обработка, а изискванията за толерантност към формата и позицията на лодката са много строги. Трудно е да се обработят силиконови карбидни лодки с традиционна технология за обработка. Понастоящем лодката на силициевия карбид се обработва най -вече от смилане на диамантен инструмент, а след това се извършва полирана, маринована и други обработки.

Фигура 3 Силиконов карбид лодка

В сравнение с епруветките с кварцови пещи, тръбите на пещта от силициев карбид имат добра топлопроводимост, равномерно отопление и добра термична стабилност, а животът им е повече от 5 пъти по -голям от тази на кварцовите тръби. Тръбата на пещта е основният компонент на топлопреминаването на пещта, който играе роля за уплътняване и равномерно пренос на топлина. Трудността на производството на епруветките за пещ на силициев карбид е много висока, а скоростта на добив също е много ниска. Първо, поради огромния размер на пещната тръба и дебелината на стената обикновено между 5 и 8 мм, е много лесно да се деформира, срути или дори се напуква по време на процеса на празно образуване.

По време на синтероването, поради огромния размер на пещната тръба, също е трудно да се гарантира, че няма да се деформира по време на процеса на синтероване. Еднородността на съдържанието на силиций е лоша и е лесно да се има локална несиликонизация, срутване, напукване и т.н., а производственият цикъл на епруветките за пещ на силициев карбид е много дълъг, а производственият цикъл на една пещна тръба надвишава 50 дни. Следователно тръбите за пещ на силициев карбид все още са в състояние на изследване и развитие и все още не са произведени масово.

Основната цена на керамичните материали от силициев карбид, използвани във фотоволтаичното поле, се предлага от суровини от силиконов карбид с висока чистота, поликристален силиций с висока чистота и реакционни разходи за синтероване.

С непрекъснатото развитие на технологията за пречистване на силициев карбид, чистотата на силициевия карбид на прах продължава да се увеличава чрез магнитно разделяне, кисело и други технологии, а съдържанието на примес постепенно намалява от 1% на 0,1%. С непрекъснатото увеличаване на производствения капацитет на прах от силициев карбид, цената на прах от силициев карбид с висока чистота също намалява.

От втората половина на 2020 г. компаниите Polysilicon последователно обявяват разширения. Понастоящем има повече от 17 местни компании за производство на полисиликон, а годишната продукция се очаква да надхвърли 1,45 милиона тона през 2023 г. Свръхкапацитетът на Polysilicon доведе до непрекъснато намаляване на цените, което от своя страна намали цената на цевността на керамиката на силициев карбид.

По отношение на реакционното синтероване размерът на реакционната пещ за синтероване също се увеличава, а товарещният капацитет на една пещ също се увеличава. Най-новата реакция на реакцията на реакция може да зареди повече от 40 парчета наведнъж, което е много по-голямо от съществуващата реакция на зареждане на пещта за зареждане от 4 до 6 парчета. Следователно разходите за синтероване също ще спаднат значително.

Като цяло, керамичните материали на силициевия карбид във фотоволтаичното поле се развиват главно към по -висока чистота, по -силен капацитет за носене, по -голям капацитет за натоварване и по -ниска цена.

Ⅲ Значението на керамичните материали от силициев карбид във фотоволтаичното поле

Понастоящем кварцовият пясък с висока чистота, необходим за кварцови материали, използвани във вътрешното фотоволтаично поле, все още зависи главно от вноса, докато количеството и спецификациите на кварцовия пясък с висока чистота, изнасяни от чужди страни в Китай, са строго контролирани. Стегнатото предлагане на кварцови пясъчни материали с висока чистота не е облекчено и ограничи развитието на фотоволтаичната индустрия. В същото време, поради ниския живот на кварцовите материали и лесните щети, водещи до престоя, развитието на технологията на батерията е сериозно ограничено. Следователно е от голямо значение за моята страна да се отърва от външните технологични блокади, като провежда изследвания за постепенната подмяна на кварцови материали с керамични материали от силициев карбид.

В цялостно сравнение, независимо дали става въпрос за производителност на продукта или разходи за употреба, прилагането на керамични материали от силициев карбид в областта на слънчевите клетки е по -изгодно от кварцовите материали. Прилагането на керамични материали от силициев карбид във фотоволтаичната индустрия има голяма помощ за фотоволтаичните компании да намалят инвестиционните разходи за спомагателни материали и да подобрят качеството и конкурентоспособността на продукта. В бъдеще, с мащабното приложение на голям размерсилициеви карбидни пещ тръби, Силиконов карбиден лодки с висока чистота и непрекъснато намаляване на разходите, прилагането на керамични материали от силициев карбид в областта на фотоволтаичните клетки ще се превърне в ключов фактор за подобряване на ефективността на преобразуването на светлинната енергия и намаляване на разходите за индустрията в областта на фотоволтаичното производство на енергия и ще има важно влияние върху развитието на фотоволтаичната нова енергия.