Застосування та дослідження кераміки карбіду кремнію в галузі фотоелектрики - напівпровідник Vetek

Зі збільшенням дефіциту традиційних джерел енергії, таких як нафта та вугілля, нові енергетичні промисловості, що очолюють сонячну фотоелектрику, швидко розвивалися в останні роки. Починаючи з 1990 -х, у світі фотоелектрична потужність зросла в 60 разів. Глобальна фотоелектрична промисловість знялася на тлі трансформації енергетичної структури, а галузева шкала та встановлені темпи зростання потужностей неодноразово встановлюють нові записи. У 2022 році глобальна фотоелектрична потужність досягне 239 ГВт, що становить 2/3 всієї нової потужності відновлюваної енергії. За підрахунками, у 2023 році глобальна фотоелектрична потужність становитиме 411 ГВт, щорічно зростання на 59%. Незважаючи на тривале зростання фотоелектрики, фотоелектрики все ще становлять лише 4,5% глобальної виробництва електроенергії, і його сильний імпульс зростання триватиме до 2024 року.

Кераміка кремніюмають хорошу механічну міцність, теплову стійкість, високу температуру, стійкість до окислення, стійкість до теплового удару та хімічну резистентність до корозії та широко використовуються в гарячих полях, таких як металургія, машини, нові енергетичні та будівельні матеріали та хімічні речовини. У фотоелектричному полі він в основному використовується в дифузії клітин TopCon, LPCVD (хімічне осадження пари з низьким тиском),PECVD (Осадження хімічної пари в плазмі)та інші посилання теплового процесу. Порівняно з традиційними кварцовими матеріалами, підставками для човнів, човнами та трубопроводами, виготовленими з кремнієвих карбідних керамічних матеріалів, мають більшу міцність, кращу термічну стабільність, відсутність деформації при високих температурах та термін експлуатації більше ніж у 5 разів, що мають кварцові матеріали, що може значно знизити витрати на використання та втрату енергії, спричиненої технічним обслуговуванням та проведенням часу, і мати очевидні провії витрат.

Ⅰ Переваги кремнієвої карбідної кераміки у фотоелектричному полі

The main products of silicon carbide ceramics in the photovoltaic cell field include silicon carbide boat supports, silicon carbide boats, silicon carbide furnace tubes, silicon carbide cantilever paddles, silicon carbide rods, silicon carbide protective tubes, etc. Among them, silicon carbide boat supports and silicon carbide boats replace the original quartz boat supports and човни. Через свої очевидні переваги та швидкий розвиток вони стали хорошим вибором для ключових матеріалів -носіїв у виробничому процесі фотоелектричних клітин, і їх попит на ринок все частіше привертає увагу з боку галузі.

Кераміка карбіду, пов'язаного з реакцією (RBSC), є найбільш широко використовуваною кремнієвою керамікою карбіду в полі фотоелектричних клітин. Його переваги - це низька температура спікання, низька вартість виробництва та висока ущільнення матеріалу. Зокрема, під час процесу спікання реакції майже немає усадки обсягу. Він особливо підходить для приготування структурних частин великого розміру та складної форми. 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 Вторинна фаза β-SIC-in situ в поєднанні з частинками α-SIC в порожньому порошку, а решта пор продовжують заповнюватися вільним кремнієм, і нарешті досягається ущільнення керамічних матеріалів RBSC. Різні властивості керамічних продуктів RBSC вдома та за кордоном показані в таблиці 1.

Таблиця 1 Порівняння продуктивності реакції, що спірили керамічні продукти SIC у великих країнах

У процесі виробництва сонячних фотоелектричних клітин кремнієві платони розміщують на човні, а човен розміщується на тримачем човна для дифузії, LPCVD та інших теплових процесів. Консольне весло для карбіду кремнію (стрижня) є ключовим компонентом завантаження для переміщення тримача човна, що переносить кремнієві вафлі в нагрівальну печі та поза ним. Як показано на малюнку 1, кремнієва карбідна консольна весла (стрижня) може забезпечити концентрацію пластину кремнію та трубку печі, тим самим роблячи дифузію та пасивацію більш рівномірною. У той же час, він не містить забруднення та недеформований при високих температурах, має хорошу стійкість до теплового удару та велику здатність до навантаження, і широко використовується в полі фотоелектричних клітин.

Рисунок 1 Схематична схема компонентів завантаження ключових акумуляторів

У традиційномукварцовий човені тримач човна, у процесі м'якої посадки дифузії, кремнієва пластина та тримач кварцового човна потрібно розмістити в кварцовій трубці в дифузійній печі. У кожному процесі дифузії тримач кварцового човна, наповнений кремнієвими вафлями, розміщується на весло для карбіду кремнію. Після того, як весло для карбіду кремнію потрапляє в кварцову трубку, весло автоматично тонеться, щоб відкласти тримач човна та пластину кремнію, а потім повільно біжить назад до походження. Після кожного процесу власник кварцового човна потрібно зняти з весла карбіду кремнію. Така часта операція призведе до того, що підтримка кварцових човнів зношується протягом тривалого періоду часу. Після того, як підтримка кварцового човна тріскається і зламається, вся підтримка кварцового човна впаде з кремнієвого весла карбіду, а потім пошкодить кварцові частини, кремнієві вафлі та кремнієві весла карбіду внизу. Весла для карбіду кремнію дорогі і не можуть бути відремонтовані. Як тільки трапиться аварія, це призведе до величезних втрат майна.

У процесі LPCVD не тільки виникають вищезазначені проблеми з тепловим напруженням, але оскільки процес LPCVD вимагає, щоб силановий газ проходив через кремнієву пластину, довгостроковий процес утворюватиме кремнієве покриття на підтримці човна та човна. Через невідповідність коефіцієнтів теплового розширення кремнію з покриттям та кварцу, підтримка човна та човен зламаються, і тривалість життя буде серйозно зменшена. Тривалість життя звичайних кварцових човнів та підтримки човнів у процесі LPCVD зазвичай становить лише 2 - 3 місяці. Тому особливо важливо вдосконалити матеріал підтримки човнів, щоб збільшити силу та термін служби підтримки човна, щоб уникнути таких аварій.

Ⅱ Тенденція розвитку кремнієвих карбідних керамічних матеріалів у фотоелектричному полі

З 13 -ї виставки Шанхайської фотоелектрики SNEC 2023 багато фотоелектричних компаній в країні почали використовувати підставки для човнів Silicon Carbide, як показано на малюнку 2, таких як Longi Green Energy Co., Ltd., Jinkosolar Co., Ltd., Yida New Energy Technology Co., Ltd. та інших фотоповалічних компаній. Силіконові підставки для човнів, що використовуються для розширення бору, через температуру високого використання розширення бору, як правило, при 1000 ~ 1050 ℃, домішки в підтримці човна легко піддаються нестабільності при високій температурі для забруднення акумуляторної клітини, тим самим впливаючи на ефективність перетворення акумуляторної клітини, тому існують більш високі вимоги до чистоти матеріалу підтримки човнів.

Малюнок 2 Підтримка LPCVD SILICON CARBIDE CARBIDE та підтримка човна з розширенням бору

В даний час підтримка човна, що використовується для розширення бору, повинна бути очищена. По-перше, порошок карбіду силікону сировини силіконовий вимив кислотою та очищається. Чистота сировини для карбіду кремнію в літію потрібно перевищувати 99,5%. Після промивання кислоти та очищення сірчаною кислотою + гідрофторною кислотою чистота сировини може досягати вище 99,9%. У той же час, домішки, запроваджені під час підготовки підтримки човна, повинні контролюватися. Тому тримач човна розширення бору в основному утворюється шляхом затирки для зменшення використання домішок металів. Метод затирання зазвичай утворюється шляхом вторинного спікання. Після повторного втручання чистота тримача човна карбіду кремнію певною мірою покращується.

Крім того, під час процесу спікання власника човна піч, що спікає, повинна бути очищена заздалегідь, а графітове теплове поле в печі також потрібно очистити. Зазвичай чистота тримача човна карбіду кремнію, що використовується для розширення бору, становить приблизно 3n.

Човен з карбіду кремнію має перспективне майбутнє. Човен з карбіду кремнію показаний на малюнку 3. Незалежно від процесу LPCVD або процесу розширення бору, термін експлуатації кварцового човна відносно низький, а коефіцієнт теплового розширення матеріалу кварцового матеріалу не відповідає матеріалу карбіду кремнію. Тому легко мати відхилення в процесі узгодження з кремнієвим карбідним човном при високій температурі, що призводить до тремтіння або навіть розбиття човна.

Човен з карбіду кремнію приймає інтегрований ліплення та загальний маршрут процесу обробки. Його вимоги до толерантності до форми та положення високі, і він краще співпрацює з тримачем човна з карбіду кремнію. Крім того, карбід кремнію має високу міцність, а поломка човна, спричинена зіткненням людини, набагато менша, ніж у кварцовому човні. Однак через високу чистоту та точні вимоги до кремнієвих човнів карбіду, вони все ще знаходяться на етапі невеликої партії.

Оскільки човен з карбіду кремнію в прямому контакті з акумуляторною коміркою, він повинен мати високу чистоту навіть у процесі LPCVD, щоб запобігти забрудненню кремнію.

Найбільша складність катерів на карбіді кремнію полягає в обробці. Як ми всі знаємо, кераміка карбіду кремнію є типовими жорсткими та крихкими матеріалами, які важко переробити, а вимоги до толерантності до форми та положення човна дуже суворі. Важко обробити карбідні катери кремнію за допомогою традиційної технології переробки. В даний час човен з карбіду кремнію в основному обробляється шліфуванням діамантів, а потім проводиться відшліфована, маринована та інші обробки.

Фігура 3 кремнієвий карбідний човен

Порівняно з кварцовими трубами печі, кремнієві карбідні печі мають гарну теплопровідність, рівномірне нагрівання та хорошу термічну стійкість, а їх тривалість життя більше ніж у 5 разів більше кварцових труб. Піч -трубка - це основний компонент теплопередачі печі, яка відіграє певну роль у герметичній та рівномірній передачі тепла. Складність виробництва труб з карбідної печі кремнію дуже висока, а швидкість урожайності також дуже низька. По -перше, завдяки величезному розміру печі та товщини стіни зазвичай від 5 до 8 мм, дуже легко деформувати, руйнуватися або навіть розтріскувати під час процесу порожнього формування.

Під час спікання, завдяки величезному розміру печі трубки, також важко забезпечити, щоб вона не деформувалася під час процесу спікання. Рівномірність вмісту кремнію погана, і легко провести локальну несиконізацію, колапс, розтріскування тощо, а цикл виробництва труб з карбідної печі кремнію дуже довгий, а виробничий цикл трубки однієї печі перевищує 50 днів. Тому трубки з карбідними печами кремнію все ще перебувають у стані досліджень та розробок і ще не були масовими.

Основна вартість кремнієвих карбідних керамічних матеріалів, що використовуються у фотоелектричному полі, походить від порошкової сировини з високою чистотою кремнію, полікристалічного кремнію з високою чистотою та витратами на спікання реакцій.

Завдяки безперервному розвитку технології очищення порошку кремнію, чистота кремнієвого карбідного порошку продовжує зростати за допомогою магнітного поділу, маринування та інших технологій, а вміст домішок поступово зменшується з 1% до 0,1%. З безперервним збільшенням потужності виробництва порошку кремнію в кремнію вартість порошку карбіду з високою чистотою також зменшується.

З другої половини 2020 року полісиліконові компанії послідовно оголосили про розширення. В даний час існує понад 17 вітчизняних виробничих компаній полісилікону, і щорічна продукція в 2023 році перевищує 1,45 мільйона тонн. Надмірна потужність полісилікону призвела до постійного зниження цін, що, в свою чергу, знизило витрати на кремнієву карбіду.

З точки зору спікання реакції, розмір печі, що спікає реакцію, також збільшується, а навантажувальна здатність однієї печі також зростає. Останні реакції великого розміру, що спрямовує реакцію, може завантажувати більше 40 штук за один раз, що набагато більше, ніж існуюча ємність завантаження печі, що спікає реакцію від 4 до 6 штук. Тому вартість спікання також значно знизиться.

В цілому кремнієві карбідні керамічні матеріали в фотоелектричному полі в основному розвиваються до більш високої чистоти, сильнішої ємності перенесення, більш високої вантажопідйомності та менших витрат.

Ⅲ Значення кремнієвих карбідних керамічних матеріалів у фотоелектричному полі

В даний час кварцовий пісок з високою чистотою, необхідний для кварцових матеріалів, що використовуються у вітчизняному фотоелектричному полі, все ще залежать від імпорту, тоді як кількість та технічні характеристики кварцового піску з високою чистотою, експортованими з іноземних країн, до Китаю суворо контролюються. Тісне постачання кварцових пісочних матеріалів з високою чистотою не було полегшено і обмежило розвиток фотоелектричної промисловості. У той же час, через низький термін експлуатації кварцових матеріалів та легкої шкоди, що призводить до простою, розробка технології акумулятора була серйозно обмежена. Тому для моєї країни має велике значення позбутися від іноземних технологічних блокад, проводячи дослідження поступової заміни кварцових матеріалів з кремнієвими карбідними керамічними матеріалами.

У комплексному порівнянні, будь то продуктивність продукту чи вартість використання, застосування керамічних матеріалів кремнію карбіду в галузі сонячних батарей є більш вигідним, ніж кварцові матеріали. Застосування керамічних матеріалів з карбіду кремнію у фотоелектричній промисловості має велику допомогу для фотоелектричних компаній зменшити інвестиційні витрати допоміжних матеріалів та покращити якість та конкурентоспроможність продукції. Надалі, із масштабним застосуванням великого розміруСиліконові карбідні печі трубки, кремнію з карбідами кремнію та опори для човнів та безперервне зменшення витрат, застосування керамічних матеріалів кремнію в карбіді в галузі фотоелектричних клітин стане ключовим фактором у підвищенні ефективності перетворення легкої енергії та зменшення витрат на промисловість у галузі фотоелектричної енергії та матиме важливий вплив на розробку нової енергії.