کاربرد و تحقیقات سرامیک کاربید سیلیکون در زمینه فتوولتائیک - نیمه هادی Vetek

با افزایش کمبود منابع انرژی سنتی مانند نفت و زغال سنگ ، صنایع انرژی جدید به رهبری فتوولتائیک خورشیدی ، در سالهای اخیر به سرعت توسعه یافته اند. از دهه 1990 ، ظرفیت نصب فتوولتائیک جهان 60 بار افزایش یافته است. صنعت جهانی فتوولتائیک در برابر زمینه تحول در ساختار انرژی از بین رفته است و مقیاس صنعت و نرخ رشد ظرفیت نصب شده بارها و بارها سوابق جدیدی را تعیین کرده است. در سال 2022 ، ظرفیت نصب شده جهانی فتوولتائیک به 239GW می رسد و 2/3 از کل ظرفیت جدید انرژی تجدید پذیر را به خود اختصاص می دهد. تخمین زده می شود که در سال 2023 ، ظرفیت نصب شده جهانی فتوولتائیک 411GW خواهد بود که نسبت به سال گذشته 59 ٪ افزایش می یابد. علیرغم ادامه رشد فتوولتائیک ، فتوولتائیک هنوز هم 4.5 ٪ از تولید انرژی جهانی را تشکیل می دهد و حرکت رشد شدید آن تا بعد از سال 2024 ادامه خواهد یافت.

سرامیک کاربید سیلیکوناز استحکام مکانیکی ، پایداری حرارتی ، مقاومت در برابر دمای بالا ، مقاومت به اکسیداسیون ، مقاومت در برابر شوک حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی برخوردار است و به طور گسترده در مزارع گرم مانند متالورژی ، ماشین آلات ، انرژی جدید و مصالح ساختمانی و مواد شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد. در میدان فتوولتائیک ، عمدتاً در انتشار سلولهای TOPCON ، LPCVD (رسوب بخار شیمیایی با فشار کم) استفاده می شود.PECVD (رسوب بخار شیمیایی پلاسما)و سایر پیوندهای فرآیند حرارتی. در مقایسه با مواد کوارتز سنتی ، پشتیبانی از قایق ها ، قایق ها و اتصالات لوله ای از مواد سرامیکی کاربید سیلیکون ، از استحکام بالاتر ، ثبات حرارتی بهتر ، بدون تغییر شکل در دماهای بالا و طول عمر بیش از 5 برابر مواد کوارتز برخوردار است که می تواند به میزان قابل توجهی هزینه استفاده و از دست دادن انرژی ناشی از نگهداری و نگهداری و کمبود زمان را کاهش دهد و از مزایای آن برخوردار باشد.

Ⅰ مزایای سرامیک کاربید سیلیکون در زمینه فتوولتائیک

محصولات اصلی سرامیک کاربید سیلیکون در میدان سلول فتوولتائیک شامل پشتیبانی از قایق های کاربید سیلیکون ، قایق های کاربید سیلیکون ، لوله های کوره کاربید سیلیکون ، لنت های کنگره کاربید سیلیکون ، میله های کاربید سیلیکون ، میله های کاربید سیلیکون ، لوله های حفاظت شده و غیره. و قایق ها با توجه به مزایای آشکار و پیشرفت سریع آنها ، آنها به انتخاب مناسبی برای مواد حامل کلیدی در فرآیند تولید سلول های فتوولتائیک تبدیل شده اند و تقاضای بازار آنها به طور فزاینده ای توجه صنعت را به خود جلب می کند.

سرامیک های کاربید سیلیکون پیوند شده واکنش نشان داده شده (RBSC) سرامیک های کاربید سیلیکون به طور گسترده در زمینه سلولهای فتوولتائیک هستند. مزایای آن دمای پخت و پز کم ، هزینه کم تولید و تراکم بالای مواد است. به طور خاص ، تقریباً در طی فرآیند پخت و پز واکنش ، هیچ کوچک شدن حجم وجود ندارد. این ماده به ویژه برای تهیه قطعات ساختاری به اندازه بزرگ و پیچیده مناسب است. بنابراین ، مناسب ترین برای تولید محصولات بزرگ و پیچیده مانند پشتیبانی قایق ، قایق های کوچک ، بالشتک های کنگره ، لوله های کوره و غیره است. اصل اصلی تهیه سرامیک RBSC است: تحت عمل نیروی موذی ، سیلیکون مایع واکنش پذیر به داخل کربن نفوذ می کند و به یک کربن تبدیل می شود و به طور یکسان سمی سمی خالی ، در مرحله ثانویه ype generate با استفاده از منبع کربن در کربن موجود است. فاز β-sic درجا با ذرات α-sic در پودر خالی همراه است و منافذ باقیمانده همچنان با سیلیکون آزاد پر می شود و در نهایت تراکم مواد سرامیکی RBSC حاصل می شود. خواص مختلف محصولات سرامیکی RBSC در خانه و خارج از کشور در جدول 1 نشان داده شده است.

جدول 1 مقایسه عملکرد محصولات سرامیکی SIC سینتر شده در کشورهای اصلی

در فرآیند تولید سلولهای فتوولتائیک خورشیدی ، ویفرهای سیلیکون روی یک قایق قرار می گیرند و قایق برای انتشار ، LPCVD و سایر فرآیندهای حرارتی روی یک نگهدارنده قایق قرار می گیرد. دست و پا زدن Carbide Carbide Cantilever (ROD) یک مؤلفه اصلی بارگیری برای انتقال دارنده قایق حامل ویفرهای سیلیکون به داخل و خارج از کوره گرمایش است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است ، دست و پنجه نرم کانسیلر کاربید سیلیکون (میله) می تواند از غلظت ویفر سیلیکون و لوله کوره اطمینان حاصل کند و از این طریق انتشار و انفعال را یکنواخت تر می کند. در عین حال ، بدون آلودگی و در دمای بالا بدون تغییر شکل ، مقاومت در برابر شوک حرارتی خوبی و ظرفیت بار زیادی دارد و به طور گسترده در زمینه سلولهای فتوولتائیک مورد استفاده قرار گرفته است.

شکل 1 نمودار شماتیک اجزای بارگیری باتری کلیدی

در سنتیقایق کوارتزو نگهدارنده قایق ، در فرآیند انتشار نرم ، ویفر سیلیکون و دارنده قایق کوارتز در کوره انتشار در لوله کوارتز قرار می گیرند. در هر فرآیند انتشار ، نگهدارنده قایق کوارتز پر از ویفرهای سیلیکون بر روی دست و پنجه نرم کاربید سیلیکون قرار می گیرد. پس از وارد کردن کاربید سیلیکون کاربید به لوله کوارتز ، دست و پا زدن به طور خودکار غرق می شود تا نگهدارنده قایق کوارتز و ویفر سیلیکون را پایین بیاورد و سپس به آرامی دوباره به سمت مبدا حرکت می کند. پس از هر فرآیند ، نگهدارنده قایق کوارتز باید از دست و پنجه نرم کاربید سیلیکون خارج شود. چنین عملیاتی مکرر باعث می شود که پشتیبانی قایق کوارتز در مدت زمان طولانی از بین برود. هنگامی که کوارتز از قایق پشتیبانی و شکسته می شود ، کل پشتیبانی قایق کوارتز از دست و پا زدن کاربید سیلیکون سقوط می کند و سپس به قسمت های کوارتز ، ویفرهای سیلیکون و دستگیره های کاربید سیلیکون آسیب می رساند. بالشتک های کاربید سیلیکون گران هستند و قابل تعمیر نیستند. پس از وقوع حادثه ، باعث خسارات عظیم املاک می شود.

در فرآیند LPCVD ، نه تنها مشکلات استرس حرارتی فوق الذکر رخ می دهد ، بلکه از آنجا که فرآیند LPCVD نیاز به گاز سیلین دارد تا از ویفر سیلیکون عبور کند ، روند طولانی مدت یک پوشش سیلیکونی را در پشتیبانی قایق و قایق تشکیل می دهد. با توجه به ناسازگاری ضرایب انبساط حرارتی سیلیکون و کوارتز روکش شده ، پشتیبانی قایق و قایق شکسته می شود و طول عمر به طور جدی کاهش می یابد. طول عمر قایق های کوارتز معمولی و پشتیبانی قایق در فرآیند LPCVD معمولاً فقط 2 تا 3 ماه است. بنابراین ، بهبود مواد پشتیبانی قایق برای افزایش قدرت و عمر خدمات پشتیبانی قایق برای جلوگیری از چنین تصادفات بسیار مهم است.

Ⅱ روند توسعه مواد سرامیکی کاربید سیلیکون در میدان فتوولتائیک

از سیزدهمین نمایشگاه فتوولتائیک شانگهای SNEC 2023 ، بسیاری از شرکت های فتوولتائیک در کشور شروع به استفاده از پشتیبانی قایق های کاربید سیلیکون ، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است ، مانند شرکت فناوری انرژی سبز Longi ، Ltd. ، شرکت Jinkosolar ، Ltd. ، Yida New Energy Technology Co. ، Ltd. و سایر شرکت های پیشرو. پشتیبانی از قایق های کاربید سیلیکون که برای گسترش بور استفاده می شود ، به دلیل دمای بالای انبساط بور ، معمولاً در 1000 ~ 1050 ℃ ، ناخالصی های موجود در حمایت از قایق در دمای بالا به راحتی می توانند برای آلودگی سلول باتری به راحتی واژگون شوند ، از این طریق بر راندمان تبدیل سلول باتری تأثیر می گذارد ، بنابراین نیازهای بالاتری برای تصفیه مواد پشتیبانی قایق وجود دارد.

شکل 2 پشتیبانی قایق کاربید سیلیکون LPCVD و پشتیبانی از قایق سیلیکون Silicon Silicon Silicon

در حال حاضر ، پشتیبانی قایق مورد استفاده برای گسترش بور باید خالص شود. ابتدا ، مواد اولیه پودر کاربید سیلیکون اسید شسته و خالص می شود. خلوص مواد اولیه پودر کاربید کاربید لیتیوم با درجه لیتیوم بالاتر از 99.5 ٪ است. پس از شستشوی اسید و تصفیه با اسید سولفوریک + اسید هیدروفلوئوریک ، خلوص مواد اولیه می تواند به 99.9 ٪ برسد. در عین حال ، ناخالصی های معرفی شده در هنگام تهیه پشتیبانی قایق باید کنترل شوند. بنابراین ، نگهدارنده قایق انبساط بور بیشتر با تزریق برای کاهش استفاده از ناخالصی های فلزی تشکیل می شود. روش گروش معمولاً با پخت ثانویه شکل می گیرد. پس از مجدداً ، خلوص دارنده قایق کاربید سیلیکون تا حدی بهبود می یابد.

علاوه بر این ، در طی فرآیند پخت و پز نگهدارنده قایق ، کوره پخت و پز باید از قبل تصفیه شود و میدان گرمای گرافیتی موجود در کوره نیز باید تصفیه شود. معمولاً خلوص دارنده قایق کاربید سیلیکون که برای گسترش بور استفاده می شود ، حدود 3N است.

قایق کاربید سیلیکون آینده امیدوار کننده ای دارد. قایق کاربید سیلیکون در شکل 3 نشان داده شده است. صرف نظر از فرآیند LPCVD یا فرآیند انبساط بور ، عمر قایق کوارتز نسبتاً کم است و ضریب انبساط حرارتی مواد کوارتز با ماده کاربید سیلیکون متناقض است. بنابراین ، به راحتی می توان انحراف در روند تطبیق با قایق کاربید سیلیکون در دمای بالا را داشت که منجر به لرزش یا حتی شکستن قایق می شود.

قایق کاربید سیلیکون یک مسیر یکپارچه قالب بندی و فرآیند پردازش کلی را اتخاذ می کند. الزامات تحمل شکل و موقعیت آن زیاد است و با دارنده قایق کاربید سیلیکون بهتر همکاری می کند. علاوه بر این ، کاربید سیلیکون از استحکام بالایی برخوردار است و شکستگی قایق ناشی از برخورد انسان بسیار کمتر از قایق کوارتز است. با این حال ، به دلیل خلوص بالا و نیازهای دقیق پردازش قایق های کاربید سیلیکون ، آنها هنوز در مرحله تأیید دسته ای کوچک قرار دارند.

از آنجا که قایق کاربید سیلیکون در تماس مستقیم با سلول باتری است ، برای جلوگیری از آلودگی ویفر سیلیکون ، باید از خلوص بالایی برخوردار باشد.

بزرگترین مشکل قایق های کاربید سیلیکون در ماشینکاری نهفته است. همانطور که همه ما می دانیم ، سرامیک های کاربید سیلیکون مواد معمولی سخت و شکننده هستند که پردازش آن دشوار است و الزامات تحمل شکل و موقعیت قایق بسیار سختگیرانه است. پردازش قایق های کاربید سیلیکون با فناوری پردازش سنتی دشوار است. در حال حاضر ، قایق کاربید سیلیکون بیشتر توسط سنگ زنی ابزار الماس پردازش می شود ، و سپس روشهای جلا ، ترشی و سایر درمان ها انجام می شود.

شکل 3 قایق کاربید سیلیکون

در مقایسه با لوله های کوره کوارتز ، لوله های کوره کاربید سیلیکون دارای هدایت حرارتی خوبی ، گرمایش یکنواخت و پایداری حرارتی خوب هستند و طول عمر آنها بیش از 5 برابر لوله های کوارتز است. لوله کوره جزء اصلی انتقال حرارت کوره است که در آب بندی و انتقال حرارت یکنواخت نقش دارد. مشکل تولید لوله های کوره کاربید سیلیکون بسیار زیاد است و میزان عملکرد نیز بسیار کم است. اول ، به دلیل اندازه عظیم لوله کوره و ضخامت دیواره معمولاً بین 5 تا 8 میلی متر ، تغییر شکل ، فروپاشی یا حتی ترک در طی فرآیند شکل گیری خالی بسیار آسان است.

در حین پخت و پز ، به دلیل اندازه عظیم لوله کوره ، اطمینان از این که در طی فرآیند پخت و پز تغییر شکل نمی یابد نیز دشوار است. یکنواختی محتوای سیلیکون ضعیف است ، و داشتن غیر سیلیکونیزاسیون محلی ، فروپاشی ، ترک خوردگی و غیره آسان است و چرخه تولید لوله های کوره کاربید سیلیکون بسیار طولانی است و چرخه تولید یک لوله کوره واحد از 50 روز فراتر می رود. بنابراین ، لوله های کوره کاربید سیلیکون هنوز در وضعیت تحقیق و توسعه قرار دارند و هنوز تولید انبوه نشده اند.

هزینه اصلی مواد سرامیکی کاربید سیلیکون مورد استفاده در میدان فتوولتائیک از مواد اولیه پودر کاربید سیلیکون با خلوص بالا ، سیلیکون پلی کریستالی با خلوص بالا و هزینه های پخت و پز است.

با توسعه مداوم فناوری تصفیه پودر کاربید سیلیکون ، خلوص پودر کاربید سیلیکون از طریق جداسازی مغناطیسی ، ترشی و سایر فناوری ها همچنان افزایش می یابد و محتوای ناخالصی به تدریج از 1 ٪ به 0.1 ٪ کاهش می یابد. با افزایش مداوم ظرفیت تولید پودر کاربید سیلیکون ، هزینه پودر کاربید سیلیکون با خلوص بالا نیز در حال کاهش است.

از نیمه دوم سال 2020 ، شرکت های Polysilicon به طور پی در پی اعلام کرده اند. در حال حاضر ، بیش از 17 شرکت تولیدی پلی سیلیکون داخلی وجود دارد و تخمین زده می شود که میزان تولید سالانه در سال 2023 از 1.45 میلیون تن فراتر رود. بیش از حد پلیسیلیکون منجر به کاهش مداوم قیمت ها شده است که به نوبه خود باعث کاهش هزینه سرامیک کاربید سیلیکون شده است.

از نظر پخت و پز واکنش ، اندازه کوره پخت واکنش نیز در حال افزایش است و ظرفیت بارگذاری یک کوره واحد نیز در حال افزایش است. آخرین کوره پخت و پز با اندازه بزرگ می تواند بیش از 40 قطعه را در یک زمان بارگیری کند ، که بسیار بزرگتر از ظرفیت بارگذاری کوره پخت و پز موجود 4 تا 6 قطعه است. بنابراین ، هزینه پخت و پز نیز به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

به طور کلی ، مواد سرامیکی کاربید سیلیکون در میدان فتوولتائیک عمدتاً به سمت خلوص بالاتر ، ظرفیت حمل قوی تر ، ظرفیت بارگذاری بالاتر و هزینه کمتری در حال توسعه هستند.

Ⅲ اهمیت مواد سرامیکی کاربید سیلیکون در میدان فتوولتائیک

در حال حاضر ، شن و ماسه کوارتز با خلوص بالا برای مواد کوارتز مورد استفاده در میدان فتوولتائیک داخلی هنوز عمدتاً به واردات بستگی دارد ، در حالی که کمیت و مشخصات شن کوارتز با خلوص بالا که از کشورهای خارجی به چین صادر می شود ، کاملاً کنترل می شود. عرضه محکم مواد ماسه ای کوارتز با خلوص بالا کاهش نیافته و توسعه صنعت فتوولتائیک را محدود کرده است. در عین حال ، به دلیل کم بودن عمر مواد کوارتز و آسیب آسان منجر به خرابی ، توسعه فناوری باتری به طور جدی محدود شده است. بنابراین ، با انجام تحقیقات در مورد جایگزینی تدریجی مواد کوارتز با مواد سرامیکی کاربید سیلیکون ، از اهمیت زیادی برای کشور من برخوردار است.

در یک مقایسه جامع ، چه عملکرد محصول باشد یا هزینه استفاده ، استفاده از مواد سرامیکی کاربید سیلیکون در زمینه سلولهای خورشیدی از مواد کوارتز سودمندتر است. استفاده از مواد سرامیکی کاربید سیلیکون در صنعت فتوولتائیک کمک زیادی برای شرکت های فتوولتائیک برای کاهش هزینه سرمایه گذاری مواد کمکی و بهبود کیفیت محصول و رقابت می کند. در آینده ، با استفاده در مقیاس بزرگ از اندازه بزرگلوله های کوره کاربید سیلیکونقایق های کاربید سیلیکون با خلوص بالا و پشتیبانی از قایق ها و کاهش مداوم هزینه ها ، استفاده از مواد سرامیکی کاربید سیلیکون در زمینه سلولهای فتوولتائیک به یک عامل اصلی در بهبود کارآیی تبدیل انرژی نور و کاهش هزینه های صنعت در زمینه تولید انرژی فتوولتائیک تبدیل می شود و تأثیر مهمی در توسعه انرژی جدید فتوولولتائیک خواهد داشت.