Toepassing en onderzoek van siliciumcarbide -keramiek op het gebied van fotovoltaïscheën - Vetek Semiconductor

Met het toenemende tekort aan traditionele energiebronnen zoals olie en kolen, hebben nieuwe energie -industrieën, geleid door fotovoltaïsche zonne -energie, zich de afgelopen jaren snel ontwikkeld. Sinds de jaren negentig is 's werelds fotovoltaïsche geïnstalleerde capaciteit 60 keer toegenomen. De wereldwijde fotovoltaïsche industrie is gestegen tegen de achtergrond van de transformatie van energiestructuur en de industriële schaal en de geïnstalleerde capaciteitsgroeisnelheid hebben herhaaldelijk nieuwe records vastgesteld. In 2022 zal de wereldwijde fotovoltaïsche geïnstalleerde capaciteit 239 GW bereiken, goed voor 2/3 van alle nieuwe capaciteit voor hernieuwbare energie. Geschat wordt dat in 2023 de globale fotovoltaïsche geïnstalleerde capaciteit 411 GW zal zijn, een stijging van 59%op jaarbasis. Ondanks de voortdurende groei van fotovoltaïscheën, is fotovoltaïscheën nog steeds slechts 4,5% van de wereldwijde stroomopwekking, en het sterke groeimomentum zal doorgaan tot na 2024.

Siliconen carbide -keramiekhebben een goede mechanische sterkte, thermische stabiliteit, weerstand tegen hoge temperatuur, oxidatieweerstand, thermische schokweerstand en chemische corrosieweerstand en worden veel gebruikt in hete velden zoals metallurgie, machines, nieuwe energie en bouwmaterialen en chemicaliën. In het fotovoltaïsche veld wordt het voornamelijk gebruikt bij de diffusie van topcon -cellen, LPCVD (lage druk chemische dampafzetting),PECVD (plasma chemische dampafzetting)en andere thermische procesverbindingen. Vergeleken met traditionele kwartsmaterialen, bootsteunen, boten en pijpfittingen gemaakt van siliciumcarbide -keramische materialen hebben een hogere sterkte, een betere thermische stabiliteit, geen vervorming bij hoge temperaturen en een levensduur van meer dan 5 keer die van kwartsmaterialen, die de kosten van gebruik en het verlies van energie veroorzaakt door onderhoud en onderhoud en het verlies van onderhoud en onderhoud en het verlies van onderhoud en het verlies van onderhoud en het verlies van onderhoud en het verlies van onderhoud en het verlies van onderhoud en het verlies van onderhoud en het onderhoud en de downtime kunnen verminderen.

Ⅰ Voordelen van siliciumcarbide -keramiek in het fotovoltaïsche veld

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 boten. Vanwege hun duidelijke voordelen en snelle ontwikkeling zijn ze een goede keuze geworden voor belangrijke koeriermaterialen in het productieproces van fotovoltaïsche cellen, en hun marktvraag trekt in toenemende mate de aandacht van de industrie.

Reactiebanded siliciumcarbide (RBSC) keramiek is het meest gebruikte siliciumcarbide -keramiek op het gebied van fotovoltaïsche cellen. De voordelen zijn lage sintertemperatuur, lage productiekosten en hoge materiaalverdichting. In het bijzonder is er bijna geen volume -krimp tijdens het reactieproces. Het is met name geschikt voor de bereiding van grote en complexe structurele delen. Daarom is het het meest geschikt voor de productie van grote en complexe producten zoals bootsteunen, kleine boten, cantilever-peddels, ovenbuizen, enz. Het basisprincipe van de bereiding van RBSC Ceramics is: onder de werking van capillaire kracht, reactief vloeibare vloeibare vloeibare vloeistijd-sondraden, het tweede tijdsfase in de tweede plaats in het tweede Fase P-SIC is in situ gecombineerd met de α-SIC-deeltjes in het blanco poeder, en de resterende poriën worden nog steeds gevuld met vrij silicium, en uiteindelijk wordt de verdichting van RBSC-keramische materialen bereikt. De verschillende eigenschappen van RBSC -keramische producten in binnen- en buitenland worden weergegeven in tabel 1.

Tabel 1 Vergelijking van de prestaties van reacties gesinterde SIC -keramische producten in grote landen

In het productieproces van fotovoltaïsche zonne -cellen worden siliciumwafels op een boot geplaatst en wordt de boot op een boothouder geplaatst voor diffusie, LPCVD en andere thermische processen. De Silicon Carbide Cantilever Paddle (stang) is een belangrijke laadcomponent voor het verplaatsen van de boothouder die siliciumwafels in en uit de verwarmingsoven draagt. Zoals getoond in figuur 1, kan de siliciumcarbide cantilever -paddle (stang) ervoor zorgen dat de concentriciteit van de siliciumwafer en de ovenbuis, waardoor de diffusie en passivering uniformer worden. Tegelijkertijd is het vervuilingsvrij en niet-vervormd bij hoge temperaturen, heeft het een goede thermische schokweerstand en een groot belastingscapaciteit en is het op grote schaal gebruikt op het gebied van fotovoltaïsche cellen.

Figuur 1 Schematisch diagram van belangrijke componenten voor het laden van batterijen

In het traditionelekwartbooten boothouder, in het zachte landingsdiffusieproces, moeten de siliciumwafer en de kwartierboothouder in de kwartsbuis in de diffusie -oven worden geplaatst. In elk diffusieproces wordt de kwartierboothouder gevuld met siliciumwafels op de siliciumcarbide peddel geplaatst. Nadat de Silicon Carbide Paddle de kwartsbuis binnenkomt, zinkt de peddel automatisch om de kwartshouder en siliciumwafer neer te zetten en rent dan langzaam terug naar de oorsprong. Na elk proces moet de Quartz -boothouder uit de Silicon Carbide Paddle worden verwijderd. Een dergelijke frequente werking zorgt ervoor dat de Quartz -bootondersteuning gedurende een lange periode verslijt. Zodra de Quartz -boot scheuren en breuken ondersteunt, valt de gehele Quartz -bootsteun van de Silicon Carbide Paddle en beschadigt vervolgens de kwarts, siliciumwafels en siliciumcarbide peddels hieronder. Siliciumcarbide peddels zijn duur en kunnen niet worden gerepareerd. Zodra een ongeval plaatsvindt, zal dit enorme verlies van eigendom veroorzaken.

In het LPCVD-proces zullen niet alleen de bovengenoemde thermische stressproblemen optreden, maar omdat het LPCVD-proces vereist dat silaangas door de siliciumwafel gaat, zal het langdurige proces een siliciumcoating vormen op de bootondersteuning en de boot. Vanwege de inconsistentie van de thermische expansiecoëfficiënten van het gecoate silicium en kwarts, zullen de bootsteun en de boot barsten en de levensduur zal ernstig worden verminderd. De levensduur van gewone kwartsboten en bootsteunen in het LPCVD -proces is meestal slechts 2 tot 3 maanden. Daarom is het met name belangrijk om het materiaal van de bootsteun te verbeteren om de sterkte en de levensduur van de bootondersteuning te vergroten om dergelijke ongevallen te voorkomen.

Ⅱ Ontwikkelingstrend van siliciumcarbide keramische materialen in het fotovoltaïsche veld

Van de 13e Shanghai -fotovoltaïsche tentoonstelling SNEC 2023, zijn veel fotovoltaïsche bedrijven in het land begonnen met het gebruik van siliciumcarbide bootsteunen, zoals weergegeven in figuur 2, zoals Longi Green Energy Technology Co., Ltd., Jinkosolar Co., Ltd., Yida New Energy Technology Co., Ltd. en andere foto -toonaangevende bedrijven. Silicium carbidebootsteunen die worden gebruikt voor booruitbreiding, vanwege de hoge gebruikstemperatuur van booruitbreiding, meestal bij 1000 ~ 1050 ℃ ℃, zijn de onzuiverheden in de bootondersteuning gemakkelijk te vervluchtigen bij hoge temperatuur om de batterijcel te vervuilen, waardoor de conversie -efficiëntie van de batterijcel wordt beïnvloed, dus zijn er hogere vereisten voor de zuiverheid van het waterondersteuningsmateriaal.

Figuur 2 LPCVD Silicon Carbide Boat Support en Bor Expansion Silicon Carbide Boat Support

Momenteel moet de bootondersteuning die wordt gebruikt voor booruitbreiding worden gezuiverd. Ten eerste is het siliciumcarbidepoeder van de grondstof met zuur gewassen en gezuiverd. De zuiverheid van lithium-kwaliteit siliciumcarbidepoeder-grondstoffen moet boven 99,5%zijn. Na zure wassen en zuivering met zwavelzuur + hydrofluorinezuur, kan de zuiverheid van de grondstoffen boven 99,9%bereiken. Tegelijkertijd moeten de onzuiverheden die tijdens de voorbereiding van de bootsteun zijn geïntroduceerd, worden gecontroleerd. Daarom wordt de boor -uitbreidingsboothouder meestal gevormd door voegen om het gebruik van metaalonzuiverheden te verminderen. De velmethode wordt meestal gevormd door secundaire sintering. Na het opnieuw sinter wordt de zuiverheid van de Silicon Carbide Boat-houder tot op zekere hoogte verbeterd.

Bovendien moet tijdens het sinterproces van de boothouder de sinteroven van tevoren worden gezuiverd en moet het grafietwarmteveld in de oven ook worden gezuiverd. Gewoonlijk is de zuiverheid van de siliciumcarbide boothouder die wordt gebruikt voor booruitbreiding ongeveer 3n.

De Silicon Carbide -boot heeft een veelbelovende toekomst. De siliciumcarbideboot wordt weergegeven in figuur 3. Ongeacht het LPCVD -proces of het booruitbreidingsproces, de levensduur van de kwartboot is relatief laag en de thermische expansiecoëfficiënt van het kwartsmateriaal is niet consistent met die van het silicium carbidemateriaal. Daarom is het gemakkelijk om afwijkingen te hebben bij het matchen van de siliciumcarbideboot bij hoge temperatuur, wat leidt tot schudden of zelfs breken van de boot.

De Silicon Carbide Boat neemt een geïntegreerde vorm- en algehele verwerkingsprocesroute aan. De vereisten van de vorm- en positietolerantie zijn hoog en werkt beter samen met de Silicon Carbide Boat Holder. Bovendien heeft siliciumcarbide een hoge sterkte en is de bootbreuk veroorzaakt door menselijke botsing veel minder dan die van de kwartsboot. Vanwege de hoge zuiverheids- en verwerkingsprecisievereisten van siliciumcarbideboten bevinden ze zich echter nog steeds in het kleine batchverificatiefase.

Aangezien de siliciumcarbideboot in direct contact staat met de batterijcel, moet deze een hoge zuiverheid hebben, zelfs in het LPCVD -proces om verontreiniging van de siliciumwafel te voorkomen.

De grootste moeilijkheid van siliciumcarbideboten ligt in het bewerken. Zoals we allemaal weten, zijn siliciumcarbide -keramiek typische harde en brosse materialen die moeilijk te verwerken zijn, en de vorm- en positietolerantievereisten van de boot zijn zeer streng. Het is moeilijk om siliciumcarbideboten te verwerken met traditionele verwerkingstechnologie. Momenteel wordt de siliciumcarbideboot meestal verwerkt door het slijpen van diamanten gereedschap en worden vervolgens gepolijst, ingelegde en andere behandelingen uitgevoerd.

Figuur 3 Silicon Carbide Boat

Vergeleken met kwartsovens, hebben siliciumcarbide -ovenbuizen een goede thermische geleidbaarheid, uniforme verwarming en goede thermische stabiliteit, en hun levensduur is meer dan 5 keer die van kwartsbuizen. De ovenbuis is de belangrijkste warmteoverdrachtscomponent van de oven, die een rol speelt bij afdichtings- en uniforme warmteoverdracht. De productie -moeilijkheid van siliciumcarbide -ovenbuizen is erg hoog en de opbrengstsnelheid is ook erg laag. Ten eerste, vanwege de enorme grootte van de ovenbuis en de wanddikte, meestal tussen 5 en 8 mm, is het heel gemakkelijk om te vervormen, in te storten of zelfs te barsten tijdens het proces van lege vorming.

Tijdens het sinteren, vanwege de enorme omvang van de ovenbuis, is het ook moeilijk om ervoor te zorgen dat het niet zal vervormen tijdens het sinterproces. De uniformiteit van het siliciumgehalte is slecht en het is gemakkelijk om lokale niet-siliconisatie, ineenstorting, barsten, enz. Hebben te hebben, en de productiecyclus van siliciumcarbide-ovenbuizen is zeer lang en de productiecyclus van een buis met enkele oven is bedoeld van 50 dagen. Daarom zijn siliciumcarbide-ovenbuizen nog steeds in de onderzoeks- en ontwikkelingstoestand en zijn ze nog niet in massa geproduceerd.

De belangrijkste kosten van siliciumcarbide-keramische materialen die in het fotovoltaïsche veld worden gebruikt, zijn afkomstig van hoge zuivere siliciumcarbidepoeder grondstoffen, veel zuiver polykristallijn silicium en reactiekosten.

Met de continue ontwikkeling van siliciumcarbidepoederzuiveringstechnologie blijft de zuiverheid van siliciumcarbidepoeder toenemen door magnetische scheiding, beitsen en andere technologieën, en het gehalte aan onzuiverheid neemt geleidelijk af van 1% tot 0,1%. Met de continue toename van de productiecapaciteit van het siliciumcarbidepoeder, daalt de kosten van siliciumcarbidepoeder met hoge zuiverheid ook.

Sinds de tweede helft van 2020 hebben Polysilicon -bedrijven achtereenvolgens uitbreidingen aangekondigd. Momenteel zijn er meer dan 17 binnenlandse Polysilicon -productiebedrijven, en de jaarlijkse output wordt geschat op 1,45 miljoen ton in 2023. De overcapaciteit van polysilicon heeft geleid tot een continue daling van de prijzen, die op zijn beurt de kosten van silicium carbide -keramiek hebben verlaagd.

In termen van reacties die sinteren, neemt de grootte van de reacti -sinters ook toe en neemt de laadcapaciteit van een enkele oven ook toe. De nieuwste grote reacties die sinteren kan meer dan 40 stuks tegelijk laden, wat veel groter is dan de bestaande reacties die laadcapaciteit van de oven sinteren van 4 tot 6 stuks. Daarom zullen de sinterkosten ook aanzienlijk dalen.

Over het algemeen ontwikkelen siliciumcarbide keramische materialen in het fotovoltaïsche veld zich hoofdzakelijk naar hogere zuiverheid, sterker draagvermogen, hogere laadcapaciteit en lagere kosten.

Ⅲ De betekenis van siliciumcarbide keramische materialen in het fotovoltaïsche veld

Op dit moment is het hoogzuivere kwartszand dat vereist is voor kwartsmaterialen die worden gebruikt in het binnenlandse fotovoltaïsche veld nog steeds voornamelijk afhankelijk van de invoer, terwijl de hoeveelheid en specificaties van Quartzzand met een hoog zuivere geëxporteerde van het buitenland naar China strikt worden gecontroleerd. De strakke levering van Quartz-zandmaterialen met een hoog zuiverheid is niet verlicht en heeft de ontwikkeling van de fotovoltaïsche industrie beperkt. Tegelijkertijd is de ontwikkeling van batterijtechnologie, vanwege de lage levensduur van kwartsmaterialen en gemakkelijke schade die leidt tot downtime, ernstig beperkt. Daarom is het van groot belang voor mijn land om van buitenlandse technologische blokkades af te komen door onderzoek te doen naar de geleidelijke vervanging van kwartsmaterialen door keramische materialen van siliciumcarbide.

In een uitgebreide vergelijking, of het nu productprestaties of gebruikskosten zijn, de toepassing van siliciumcarbide keramische materialen op het gebied van zonnecellen is voordeliger dan kwartsmaterialen. De toepassing van siliciumcarbide keramische materialen in de fotovoltaïsche industrie heeft grote hulp voor fotovoltaïsche bedrijven om de investeringskosten van hulpmateriaal te verlagen en de productkwaliteit en het concurrentievermogen te verbeteren. In de toekomst, met de grootschalige toepassing van grote grootteSilicium carbide ovenbuizen, High-zuivere siliciumcarbideboten en bootsteunen en de continue verlaging van de kosten, de toepassing van keramische materialen van siliciumcarbide op het gebied van fotovoltaïsche cellen zal een sleutelfactor worden bij het verbeteren van de efficiëntie van lichte energie-conversie en het verminderen van de industriële kosten op het gebied van fotovoltaïsche energieopwekking en zal een belangrijke impact hebben op de ontwikkeling van de fotovoltaische nieuwe energie.