Aplikácia a výskum kremíkovej keramiky v oblasti fotovoltaiky - Vetek Semiconductor

S rastúcim nedostatkom tradičných zdrojov energie, ako je ropa a uhlie, sa v posledných rokoch rýchlo vyvinuli nový energetický priemysel vedený solárnou fotovoltaikou. Od 90. rokov 20. storočia sa svetová fotovoltaická inštalovaná kapacita zvýšila 60 -krát. Globálny fotovoltaický priemysel sa odštartoval na pozadí transformácie energetickej štruktúry a priemyselná škála a inštalovaná miera rastu kapacity opakovane stanovila nové záznamy. V roku 2022 dosiahne globálna inštalovaná fotovoltaická kapacita 239 GW, čo predstavuje 2/3 všetkej novej kapacity obnoviteľnej energie. Odhaduje sa, že v roku 2023 bude globálna inštalovaná kapusta o fotovoltaiku 411 GW, čo je medziročný nárast o 59%. Napriek pokračujúcemu rastu fotovoltaiky, fotovoltaika stále predstavuje iba 4,5% globálnej výroby energie a jej silná hybnosť rastu bude pokračovať až do roku 2024.

Keramika kremíkaMajte dobrú mechanickú pevnosť, tepelnú stabilitu, vysokú teplotu odolnosť, odolnosť proti oxidácii, odolnosť proti tepelnému nárazu a odolnosť proti chemickej korózii a široko sa používajú v horúcich poliach, ako je metalurgia, stroje, nové energetické a stavebné materiály a chemikálie. Vo fotovoltaickom poli sa používa hlavne v difúzii buniek topcon, LPCVD (nízkotlakové chemické ukladanie pary),PECVD (ukladanie chemickej pary v plazme)a ďalšie odkazy na tepelný proces. V porovnaní s tradičnými materiálmi z kremeňa, lodí, lodí, lodí a potrubí vyrobených z keramických materiálov z karbidu kremíka majú vyššiu pevnosť, lepšiu tepelnú stabilitu, žiadnu deformáciu pri vysokých teplotách a životnosť viac ako 5 -násobok kvartovitých materiálov, ktoré môžu výrazne znížiť náklady na využívanie a stratu energie spôsobenej údržbou a prestojmi a majú zjavné nákladové výhody.

Ⅰ Výhody kremíkovej keramiky kremíka vo fotovoltaickom poli

Medzi hlavné produkty kremíkovej karbidovej keramiky vo fotovoltaickom bunkovom poli patrí kremíkové karbidové podpery, kremíkové karbidové ložiská, Silikónové karbidové člny, chránené kremíkové karbidové trubice atď. lode. Kvôli ich zjavným výhodám a rýchlemu vývoju sa stali dobrou voľbou pre kľúčové nosiče vo výrobnom procese fotovoltaických buniek a ich dopyt po trhu čoraz viac priťahuje pozornosť od tohto odvetvia.

Keramika z karbidu kremíka (RBSC) je najčastejšie používanou kremíkovou keramikou kremíka v oblasti fotovoltaických buniek. Jeho výhodami sú nízka teplota spekania, nízke výrobné náklady a vysoké zhustenie materiálu. Najmä počas procesu reakcie nedochádza k zmenšeniu objemu. Je obzvlášť vhodný na prípravu veľkých a komplexných štruktúrnych častí v tvare. Preto je najvhodnejší na výrobu veľkých a komplexných výrobkov, ako sú lodné podpery, malé lode, konzolové pádla, pecové trubice atď. Základný princíp prípravy keramiky RBSC je: pri pôsobení kapilárnej sily, reaktívna kvapalina prenikajú do pórovitého keramického slnečného uhlíka, reaguje s uhlíkom v slepej sile v sekundárnej fáze P-SIC je in situ v kombinácii s a-siC časticami v prázdnom prášku a zvyšné póry sa naďalej vyplnia voľným kremíkom a nakoniec sa dosiahne hustota keramických materiálov RBSC. Rôzne vlastnosti keramických výrobkov RBSC doma iv zahraničí sú uvedené v tabuľke 1.

Tabuľka 1 Porovnanie výkonnosti reakčných spekaných keramických výrobkov v hlavných krajinách

Vo výrobnom procese solárnych fotovoltaických buniek sa kremíkové doštičky umiestnia na loď a loď sa umiestni na držiak lodí na difúziu, LPCVD a ďalšie tepelné procesy. Silikónové konzolové pádlo (tyč) je kľúčový komponent na premiestňovanie držiaka lode, ktorý prenáša kremíkové doštičky do a z vykurovacej pece. Ako je znázornené na obrázku 1, konzolové pádlo konzoly kremíka (tyč) môže zaistiť sústrednosť kremíkovej oblátky a pece, čím sa difúzia a pasivácia stane rovnomernejšou. Zároveň je bez znečistenia a neformovaný pri vysokých teplotách, má dobrý odpor s tepelným šokom a veľkú zaťaženie a široko sa používa v poli fotovoltaických buniek.

Obrázok 1 Schematický diagram komponentov nakladania batérie kľúčov

V tradičnomčlna držiak lodí, v procese difúzie mäkkých pristátí, kremíková oblátka a držiak na kremeňové lode musia byť umiestnené do kremennej trubice v difúznej peci. V každom difúznom procese sa držiak na kremeňové lode naplnený kremíkovými doštičkami umiestni na pádlo na karbid kremíka. Po vstupe pádla karbidu kremíka do kremennej trubice sa pádlo automaticky ponorí, aby položilo držiak na kremeňové člny a kremíkovú doštičku a potom pomaly spustil späť k pôvodu. Po každom procese musí byť držiak na kremeň čln odstránený z pádla karbidu kremíka. Takáto častá prevádzka spôsobí, že sa podpora kremenných lodí opotrebuje po dlhú dobu. Akonáhle kremeňová loď podporuje praskliny a zlomky, celá podpora kremenných lodí spadne z pádla karbidu kremíka a potom poškodí časti kremenných častí, kremíkových doštičiek a kremíkových karbidových lopatiek dole. Slemito na karbid kremíka sú drahé a nemožno ich opraviť. Akonáhle dôjde k nehode, spôsobí obrovské straty majetku.

V procese LPCVD sa vyskytnú nielen vyššie uvedené problémy s tepelným stresom, ale keďže proces LPCVD vyžaduje, aby silánové plyny prešli cez kremíkovú doštičku, dlhodobý proces bude tvoriť kremíkový povlak na podpore lode a lode. Vzhľadom na nekonzistentnosť koeficientov tepelnej expanzie potiahnutého kremíka a kremeňa bude podpora lode a loď prasknúť a životnosť sa vážne zníži. Životnosť bežných kremeňových člnov a lodí v procese LPCVD je zvyčajne iba 2 až 3 mesiace. Preto je obzvlášť dôležité vylepšiť materiál na podporu lodí, aby sa zvýšila sila a služba životnosti lode, aby sa zabránilo týmto nehodám.

Ⅱ Vývojový trend kremíkových keramických materiálov vo fotovoltaickom poli

Z 13. Šanghajskej fotovoltaickej výstavy SNEC 2023 začalo mnoho fotovoltaických spoločností v krajine používať podpory kremíkových karbidových lodí, ako je znázornené na obrázku 2, ako napríklad Longi Green Energy Technology Co., Ltd., Jinkosolar Co., Ltd., Yida New Energy Technology Co., LTD. a ďalších popredných spoločností. Silikónové karbidové podpery používané na expanziu bóru, v dôsledku vysokej teploty expanzie bóru, zvyčajne pri 1000 až 1050 ℃, nečistoty v podpore lode sa dajú ľahko napolovať pri vysokej teplote, aby znečisťovali bunku batérie, čím ovplyvňujú účinnosť konverzie bunky batérie, takže existujú vyššie požiadavky na čistenie čistoty lodného podporného materiálu.

Obrázok 2 LPCVD SILICON CARBIDE SPOTAČKA A BORON Rozširujúca kremíková karbidová podpora lodí

V súčasnosti je potrebné očistiť podporu lode používanej na expanziu bóru. Po prvé, prášok karbidu suroviny je umývaný a čistý. Čistota surovín karbidu kremíka na lítiovom stupni sa vyžaduje, aby bola nad 99,5%. Po umývaní kyseliny a čistení kyselinou sírovou + kyselina hydrofluorová sa čistota surovín môže dosiahnuť nad 99,9%. Zároveň sa musia kontrolovať nečistoty zavedené počas prípravy podpory lode. Preto je držiak na expanznú loď Bór väčšinou tvorený škárovaním, aby sa znížilo používanie nečistôt kovov. Metóda injektáže sa zvyčajne tvorí sekundárnym spekaním. Po opätovnom zatlačení sa čistota držiaka lodí kremíka karbidu do určitej miery zlepšila.

Okrem toho, počas procesu spekania držiaka lode sa musí sintrovacia peca vopred očistiť a je potrebné očistiť aj grafitové tepelné pole v peci. Čistota držiaka lodí karbidu kremíka, ktorá sa používa na expanziu bóru, je zvyčajne asi 3N.

Silikónová karbidová loď má sľubnú budúcnosť. Kremíková karbidová loď je znázornená na obrázku 3. Bez ohľadu na proces LPCVD alebo proces expanzie bóru, životnosť kremennej lode je relatívne nízka a koeficient tepelnej expanzie kremenného materiálu je nekonzistentný s materiálom kremíkového karbidu. Preto je ľahké mať odchýlky v procese zladenia s kremíkovou karbidovou loďou pri vysokej teplote, čo vedie k traseniu alebo dokonca k prerušeniu lode.

Silikónová karbidová loď prijíma integrovanú trasu formovania a celkového procesu spracovania. Jeho požiadavky na toleranciu tvaru a tolerancie polohy sú vysoké a lepšie spolupracuje s držiakom lodí karbidov kremíka. Okrem toho má karbid kremíka vysokú pevnosť a rozbitie lode spôsobené ľudskou zrážkou je oveľa menšie ako pokles člna kremeňa. Avšak z dôvodu vysokej čistoty a presnosti požiadaviek lodí karbidu kremíka sú stále v malej fáze overovania v malej dávke.

Pretože loď karbidu kremíka je v priamom kontakte s batériou, musí mať vysokú čistotu aj v procese LPCVD, aby sa zabránilo kontaminácii kremíkovej doštičky.

Najväčší obtiažnosť lodí karbidu kremíka spočíva v obrábaní. Ako všetci vieme, keramika karbidu kremíka je typické tvrdé a krehké materiály, ktoré je ťažké spracovať, a požiadavky na toleranciu tvaru a polohy na lodi sú veľmi prísne. Je ťažké spracovať kremíkové karbidové lode s tradičnou technológiou spracovania. V súčasnosti je loď karbidu kremíka väčšinou spracovaná brúsením Diamond Tool a potom sa vykonáva leštená, nakladaná a ďalšie ošetrenia.

Obrázok 3 Silikónová karbidová loď

V porovnaní s trubicami z kremenných pecí majú kremíkové karbidové pecové trubice dobrú tepelnú vodivosť, rovnomerné zahrievanie a dobrú tepelnú stabilitu a ich životnosť je viac ako 5 -násobok miery kremenných skúmaviek. Pecká trubica je hlavnou súčasťou prenosu tepla, ktorá hrá úlohu pri tesnení a rovnomernom prenose tepla. Obtiažnosť výroby trubíc pre pece z karbidu kremíka je veľmi vysoká a rýchlosť výnosu je tiež veľmi nízka. Po prvé, v dôsledku obrovskej veľkosti trubice pece a hrúbky steny zvyčajne medzi 5 a 8 mm je veľmi ľahké deformovať, zrútiť sa alebo dokonca prasknúť počas procesu slepého tvarovania.

Počas spekania je z dôvodu obrovskej veľkosti trubice pece tiež ťažké zabezpečiť, aby sa počas procesu spekania nezhromaždil. Rovnomernosť obsahu kremíka je slabá a je ľahké mať miestnu ne-sikronizáciu, kolaps, krakovanie atď. A výrobný cyklus trubíc pre pece kremíkových karbidov je veľmi dlhý a výrobný cyklus jednej pečnej trubice presahuje 50 dní. Preto sú trubice pece z karbidu kremíka stále v stave výskumu a vývoja a ešte neboli hromadne vyrábané.

Hlavné náklady na keramické keramické materiály kremíka používané vo fotovoltaickom poli pochádzajú z vysokokvalifikovaných surovín z karbidu kremíka, vysokokryštalických polykryštalických kremíku a nákladov na reakčné spekanie.

S nepretržitým vývojom technológie čistenia prášku z karbidu kremíka sa čistota prášku karbidu kremíka naďalej zvyšuje prostredníctvom magnetickej separácie, morenia a iných technológií a obsah nečistoty sa postupne znižuje z 1% na 0,1%. Pri nepretržitom zvyšovaní výrobnej kapacity prášku kremíkového karbidu kremíka sa tiež znižuje náklady na vysokokvalitný karbidový prášok kremíka.

Od druhej polovice roku 2020 spoločnosti Polysilicon postupne oznámili rozšírenie. V súčasnosti existuje viac ako 17 domácich spoločností v oblasti výroby polysilikónov a ročná produkcia sa v roku 2023 presahuje 1,45 milióna ton. Nadmerná kapacita polysilikónu viedla k neustálemu poklesu cien, čo následne znížilo náklady na keramiku karbidu kremíka.

Pokiaľ ide o reakčné spekanie, zvyšuje sa aj veľkosť reakčnej sintrovacej pece a zvyšuje sa aj zaťažovacia kapacita jednej pece. Najnovšia pecná pec s veľkou veľkosťou môže načítať viac ako 40 kusov naraz, čo je omnoho väčšia ako existujúca kapacita nakladania pece s spekanou reakcie 4 až 6 kusov. Náklady na spekanie preto výrazne klesnú.

Celkovo sa keramické keramické materiály kremíka vo fotovoltaickom poli vyvíjajú hlavne smerom k vyššej čistote, silnejšej nosnej kapacite, vyššej zaťaženiu a nižším nákladom.

Ⅲ Význam keramických materiálov kremíka vo fotovoltaickom poli

V súčasnosti je vysokokvalitný kremeňový piesok potrebný pre kremenné materiály používané v domácom fotovoltaickom poli stále závislý hlavne od dovozu, zatiaľ čo množstvo a špecifikácie vysoko čistoty kremenného piesku vyvážaného z cudzích krajín do Číny sú prísne kontrolované. Pevná dodávka materiálov s vysokou čistotou kremenného piesku nebola zmiernená a obmedzila vývoj fotovoltaického priemyslu. Zároveň, v dôsledku nízkej životnosti kremenných materiálov a ľahkému poškodeniu, ktoré vedú k prestojom, bol vývoj technológie batérií vážne obmedzený. Preto je pre moju krajinu veľkým významom zbaviť sa zahraničných technologických blokády vykonávaním výskumu postupnej výmeny kremenných materiálov keramickými materiálmi z karbidu kremíka.

V komplexnom porovnaní, či už ide o výkonnosť produktu alebo náklady na použitie, je aplikácia keramických materiálov kremíka v oblasti solárnych článkov výhodnejšia ako kremeňové materiály. Aplikácia k silikónových karbidových keramických materiálov vo fotovoltaickom priemysle má pre fotovoltaické spoločnosti veľkú pomoc pri znižovaní investičných nákladov na pomocné materiály a zlepšenie kvality a konkurencieschopnosti výrobkov. V budúcnosti s rozsiahlym uplatňovaním veľkých veľkýchskúmavky na pečenie kremíka, Vysoké čistoty kremíkových karbidových člnov a člnov a neustále znižujúce náklady, použitie keramických keramických materiálov kremíka v oblasti fotovoltaických buniek sa stanú kľúčovým faktorom pri zlepšovaní efektívnosti konverzie svetla a znižovania nákladov na priemysel v oblasti výroby fotovoltaickej energie a budú mať dôležitý vplyv na vývoj fotovoltaovej novej energie.