Aplikace a výzkum keramiky karbidu křemíku v oblasti fotovoltaiky - vetek polovodič

Se zvyšujícím se nedostatkem tradičních zdrojů energie, jako je ropa a uhlí, se v posledních letech rychle vyvinula nová energetický průmysl vedený solární fotovoltaikou. Od devadesátých let se nainstalovaná kapacita světové fotovoltaické fotovoltaické kapacity zvýšilo o 60krát. Globální fotovoltaický průmysl vzlétl na pozadí transformace energetické struktury a průmyslový měřítko a instalovaná míra růstu kapacity opakovaně stanovila nové záznamy. V roce 2022 dosáhne globální fotovoltaická instalovaná kapacita 239 GW, což představuje 2/3 veškeré nové kapacity obnovitelné energie. Odhaduje se, že v roce 2023 bude globální fotovoltaická instalovaná kapacita 411GW, což je meziroční nárůst o 59%. Navzdory pokračujícímu růstu fotovoltaiky fotovoltaika stále představují pouze 4,5% globální výroby energie a její silná růstová hybnost bude pokračovat až po roce 2024.

Keramika karbidu křemíkumají dobrou mechanickou pevnost, tepelnou stabilitu, odolnost proti vysoké teplotě, oxidační odolnost, odolnost proti tepelnému šoku a odolnost proti chemické korozi a jsou široce používány v horkých polích, jako je metalurgie, stroje, nová energie a stavební materiály a chemikálie. Ve fotovoltaickém poli se používá hlavně při difúzi buněk TopCON, LPCVD (nízkotlaká chemická depozice par),PECVD (depozice chemických párů v plazmě)a další odkazy na tepelné procesy. Ve srovnání s tradičními křemennými materiály, podpěry lodí, loděmi a trubkovými armatury vyrobenými z křemíkových karbidových keramických materiálů mají vyšší pevnost, lepší tepelnou stabilitu, žádnou deformaci při vysokých teplotách a životnost více než 5krát vyšší než u křemenných materiálů, které mohou výrazně snížit náklady na využití a ztrátu energie způsobené údržbou a výhodou a výhodné náklady.

Ⅰ Výhody keramiky křemíkového karbidu ve fotovoltaickém poli

Mezi hlavní produkty keramiky křemíkového karbidu ve fotovoltaických buňkách patří podpěry člunu křemíkového karbidu, křemíkové karbidové lodě, trubice pecí na křemíku, pádla karbidu křemíku, výměna křesťanské karbidové lodi a opěrky křestního karbidu a karbidové lodi a opěrky křemíku a křesťanské karbidy a křesťanské karbidy a křesťanství na výměně karbidových lodních listů a křemík na výměnu křemíku a křesťanství a křemík na karbidu na křesťanství a křemík a křemík a křemík na karbidu a křemík na výměnu křemíku a křemík na karbidu křemík a křemík na karbidu křemíku a křemík na karbidu křemíku, nahrazují křemíkové karbidové lodi a křemík a křemík. lodě. Vzhledem k jejich zřejmým výhodám a rychlému vývoji se staly dobrou volbou pro klíčové nosné materiály ve výrobním procesu fotovoltaických buněk a jejich tržní poptávka stále více přitahuje pozornost od tohoto odvětví.

Reakční vázaný křemíkový karbid (RBSC) keramika je nejpoužívanější keramika karbidu křemíku v oblasti fotovoltaických buněk. Jeho výhodou jsou nízká teplota slinování, nízké výrobní náklady a vysoké zhuštění materiálu. Během procesu reakčního slinování nedochází zejména k téměř žádnému smrštění objemu. Je zvláště vhodný pro přípravu velkých a komplexních strukturálních částí. 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 Sekundární fáze β-SIC je in situ v kombinaci s částicemi a-SIC v prázdném prášku a zbývající póry jsou i nadále naplněny volným křemíkem a nakonec je dosaženo zhušťování keramických materiálů RBSC. Různé vlastnosti keramických produktů RBSC doma i v zahraničí jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1 Porovnání výkonu reakce Sintered Sic keramické výrobky ve velkých zemích

Ve výrobním procesu solárních fotovoltaických buněk jsou na lodi umístěny křemíkové oplatky a loď je umístěna na držák lodi pro difúzi, LPCVD a další tepelné procesy. Klíčová komponenta pro přesun držáku lodi, která přenáší křemíkové oplatky do a ven z topné pece, je klíčová nakládací složka pro pohyb držáku lodi, která přenáší křemíkové oplatky z topné pece. Jak je znázorněno na obrázku 1, kanály křemíkového karbidu (tyč) může zajistit soustřednost křemíkové destičky a trubice pece, čímž se difúze a pasivace zvyšuje rovnoměrnější. Zároveň je při vysokých teplotách bez znečištění a ne-deformuje, má dobrou odolnost proti tepelnému nárazu a velkou zatížení a byla široce používána v oblasti fotovoltaických buněk.

Obrázek 1 Schematický diagram komponent nakládání baterií

V tradičnímKřemenná loďa držák lodí, v procesu difúze měkkého přistání, je třeba v difúzní peci umístit křemíkový oplatk a držák křemíku. V každém procesu difúze se držák člunu křemíku naplněný křemíkovým oplatky umístí na pádlo karbidu křemíku. Poté, co pádlo křemíku vstoupí do trubice křemíku, pádlo se automaticky ponoří, aby odložilo držák křemenné lodi a křemíkovou oplatku, a poté pomalu běží zpět k původu. Po každém procesu musí být držák křemenného lodí odstraněn z pádlového karbidu křemíku. Taková častá provoz způsobí, že se podpora křemenných lodí opotřebovává po dlouhou dobu. Jakmile se lodí křemene podporuje a rozbije se, celá podpora křemenného lodi spadne z pádla karbidu křemíku a poté poškodí dřevorysové části křemíku a pádla křemíku níže. Pádly křemíku karbidu jsou drahé a nelze je opravit. Jakmile dojde k nehodě, způsobí to obrovské ztráty nemovitosti.

V procesu LPCVD se nejen vyskytují výše uvedené problémy s tepelným napětím, ale protože proces LPCVD vyžaduje, aby silanový plyn prošel křemíkovým oplatkou, dlouhodobý proces bude na podpěře lodi a lodi vytvořit křemíkový povlak. V důsledku nekonzistence koeficientů tepelné roztažnosti potahovaného křemíku a křemene se podpora lodi a lodi praskne a délka života bude vážně zmenšena. Životnost obyčejných křemenných lodí a lodí podpory v procesu LPCVD je obvykle pouze 2 až 3 měsíce. Proto je obzvláště důležité zlepšit materiál podpory lodí, aby se zvýšila síla a životnost podpory lodi, aby se zabránilo takovým nehodám.

Ⅱ Vývojový trend keramických materiálů křemíku v fotovoltaickém poli

Z 13. výstavy fotovoltaické výstavy SNEC 2023 v Šanghaji začalo mnoho fotovoltaických společností v zemi používat podpěry křemíkonové karbidy, jak ukazuje obrázek 2, jako je Longi Green Energy Technology Co., Ltd., Jinkosolar Co., Ltd., Yida New Energy Technology Co., Ltd., LTD., LTD. Podpory křemíkového karbidového lodi používané pro expanzi boru v důsledku vysoké teploty využití expanze boru, obvykle při 1000 ~ 1050 ℃, jsou nečistoty v podpěře lodi snadno valalizují při vysoké teplotě, aby znečišťovaly bateriovou článek, čímž ovlivňují účinnost přeměny baterie, takže jsou vyšší požadavky na čistotu materiálu lodi.

Obrázek 2 Podpora lodi LPCVD Silicon Carbide Boat a podpora karbidu karbidu v boru

V současné době musí být podpora lodi použitá pro expanzi boru. Nejprve je prášek karbidu křemíku suroviny umývaný a čištěn. Čistota surovin surovin křemíkového karbidu lithia musí být vyšší než 99,5%. Po mytí a čištění kyseliny kyselinou sírovou + kyselinou hydrofluorovou může čistota surovin dosáhnout nad 99,9%. Současně musí být kontrolovány nečistoty zavedené během přípravy lodi. Proto je držák lodí na rozšiřování boru většinou tvořen injektem, aby se snížilo používání nečistot kovu. Metoda injektáže je obvykle tvořena sekundárním slinováním. Po opětovném roztoku je čistota držáku karbidu křemíku do jisté míry zlepšena.

Navíc během procesu slinování držáku lodi musí být slizovací pec předem očištěna a grafitové tepelné pole v peci musí být také očištěno. Čistota držáku lodí karbidu křemíku používaná pro expanzi boru je obvykle asi 3N.

Karbidová loď křemíku má slibnou budoucnost. Lídka křemíku karbidu je znázorněna na obrázku 3. Bez ohledu na proces LPCVD nebo procesu expanze boru, životnost křemenné lodi je relativně nízká a koeficient tepelné roztažnosti materiálu křemíku je nekonzistentní s životem materiálu karbidu křemíku. Proto je snadné mít odchylky v procesu shody s křemíkovým karbidovým lodí při vysoké teplotě, což vede k třesu nebo dokonce zlomení lodi.

Loď z karbidu křemíku přijímá integrovanou trasu procesu formování a celkového zpracování. Požadavky na toleranci tvaru a pozice jsou vysoké a lépe spolupracuje s držákem lodí křemíkových karbidů. Kromě toho má křemíkový karbid vysokou pevnost a zlomení lodi způsobené lidskou kolizí je mnohem menší než u křemenné lodi. Avšak vzhledem k vysokým požadavkům na přesnost čistoty a zpracování na křemíkových karbidových lodích jsou však stále ve fázi ověření malé dávky.

Vzhledem k tomu, že křemíkový karbidový člun je v přímém kontaktu s bateriovými články, musí mít vysokou čistotu i v procesu LPCVD, aby se zabránilo kontaminaci křemíkové oplatky.

Největší obtížnost lodí karbidů křemíku spočívá v obrábění. Jak všichni víme, keramika křemíkového karbidu je typická tvrdá a křehká materiály, které je obtížné zpracovat, a požadavky na toleranci tvaru a polohy lodi jsou velmi přísné. Je obtížné zpracovat křemíkové karbidové lodě s tradiční technologií zpracování. V současné době je křemíkový karbidový člun většinou zpracován broušením diamantového nástroje a poté se provádí leštěná, nakládaná a další ošetření.

Obrázek 3 křemíkový karbid loď

Ve srovnání s trubkami z pece křemíku mají trubky z karbidu křemíku dobrou tepelnou vodivost, jednotné vytápění a dobrou tepelnou stabilitu a jejich životnost je více než 5krát větší než u křemenných trubek. Trubka pece je hlavní složkou přenosu tepla v peci, která hraje roli při těsnění a jednotném přenosu tepla. Obtížnost výroby trubek pecí z karbidu křemíku je velmi vysoká a rychlost výnosu je také velmi nízká. Za prvé, vzhledem k obrovské velikosti trubice pece a tloušťce stěny obvykle mezi 5 a 8 mm je velmi snadné deformovat, kolaps nebo dokonce prasknout během procesu tvorby prázdného.

Během slinování, kvůli obrovské velikosti trubice pece, je také obtížné zajistit, aby se během procesu slinování nebude deformovat. Uniformita obsahu křemíku je špatná a je snadné mít místní nesilikonizaci, kolaps, praskání atd. A výrobní cyklus trubek pecí křemíku je velmi dlouhý a produkční cyklus jediné trubice pece přesahuje 50 dnů. Proto jsou trubice pecí z karbidu křemíku stále ve stavu výzkumu a vývoje a dosud nebyly vyráběny hromadně.

Hlavní náklady na keramické materiály křemíkového karbidu používané ve fotovoltaickém poli pocházejí z surovin s vysoce čistým karbidem v karbidu, vysoce čistý polykrystalický křemík a náklady na slinování reakce.

S nepřetržitým vývojem technologie čištění prášku křemíkového karbidu se čistota prášku karbidu křemíku stále zvyšuje magnetickým separací, mořením a dalšími technologiemi a obsah nečistot se postupně snižuje z 1% na 0,1%. S neustálým zvyšováním kapacity výroby prášku křemíkového karbidu křemíku se také snižují náklady na vysoce čisté karbidové prášek.

Od druhé poloviny roku 2020 společnosti Polysilicon postupně oznámily rozšíření. V současné době existuje více než 17 domácích produkčních společností polysilikonu a odhaduje se, že roční produkce v roce 2023 přesahuje 1,45 milionu tun. Nadměrná kapacita polysiliconu vedla k neustálému poklesu cen, což zase snížilo náklady na keramiku karbidu křemíku.

Pokud jde o reakční slinování, zvyšuje se také velikost reakční slizovací pece a zvyšuje se také zatěžovací kapacita jediné pece. Nejnovější pec ve velké velikosti může načíst více než 40 kusů najednou, což je mnohem větší než existující kapacita nakládání pecí reakce 4 až 6 kusů. Náklady na slinování proto také výrazně poklesnou.

Celkově se keramické materiály křemíku karbidu ve fotovoltaickém poli vyvíjejí hlavně směrem k vyšší čistotě, silnější nosností, vyšší zatížení a nižší náklady.

Ⅲ Význam keramických materiálů karbidu křemíku ve fotovoltaickém poli

V současné době je vysoce čistý křemenný písek požadovaný pro křemenné materiály používané v domácím fotovoltaickém poli stále závislé na dovozu, zatímco množství a specifikace vysoce čistého křemenného písku vyváženého z cizích zemí do Číny jsou přísně kontrolovány. Těsná přísun vysoce čistých pískových materiálů křemene nebyla zmírněna a omezila rozvoj fotovoltaického průmyslu. Současně byl vývoj technologie baterie vážně omezen kvůli nízké životnosti křemenných materiálů a snadného poškození vedoucího k prostojům. Proto je pro mou zemi velký význam zbavit se zahraničních technologických blokád provedením výzkumu postupného nahrazení křemenných materiálů keramickými materiály křemíkového karbidu.

V komplexním srovnání, ať už se jedná o výkon produktu nebo náklady na použití, je aplikace keramických materiálů křemíku v oblasti solárních článků výhodnější než materiály křemene. Aplikace keramických materiálů karbidu křemíku ve fotovoltaickém průmyslu má pro fotovoltaické společnosti velkou pomoc při snížení investičních nákladů na pomocné materiály a zlepšení kvality a konkurenceschopnosti produktu. V budoucnu s rozsáhlým aplikací velké velikostitrubice pecí křemíku, vysoce čisté křemíkové karbidové lodě a podpěry lodí a nepřetržité snižování nákladů, aplikace keramických materiálů křemíku karbidu v oblasti fotovoltaických buněk se stane klíčovým faktorem při zlepšování efektivity konverze světelné energie a snížení nákladů v průmyslu v oblasti vytváření fotovoltaické energie a bude mít důležitý dopad na vývoj fotovoltaické energie.