Tillämpning och forskning av kiselkarbid keramik inom fotovoltaik - Vetek Semiconductor

Med den ökande bristen på traditionella energikällor som olja och kol har nya energiindustrier, ledda av solceller, utvecklats snabbt under de senaste åren. Sedan 1990 -talet har världens fotovoltaiska installerade kapacitet ökat 60 gånger. Den globala fotovoltaiska industrin har tagit fart mot bakgrund av energistrukturomvandlingen, och branschskalan och installerad kapacitetstillväxt har upprepade gånger satt nya poster. År 2022 kommer den globala fotovoltaiska installerade kapaciteten att nå 239GW och står för 2/3 av all ny förnybar energikapacitet. Det uppskattas att 2023 kommer den globala fotovoltaiska installerade kapaciteten att vara 411GW, en ökning från 59%från år till år. Trots den fortsatta tillväxten av fotovoltaik står fotovoltaik fortfarande bara för 4,5% av den globala kraftproduktionen, och dess starka tillväxtmoment kommer att fortsätta till efter 2024.

Kiselkarbid keramikHa god mekanisk styrka, termisk stabilitet, hög temperaturmotstånd, oxidationsmotstånd, termisk chockmotstånd och kemisk korrosionsbeständighet och används ofta i heta fält som metallurgi, maskiner, nya energi- och byggmaterial och kemikalier. I det fotovoltaiska fältet används det främst i diffusionen av topkonceller, LPCVD (kemisk ångavsättning med låg tryck),PECVD (Plasma Chemical Vapor Deposition)och andra termiska processlänkar. Jämfört med traditionella kvartsmaterial har båtstöd, båtar och rörbeslag gjorda av kiselkarbid keramiska material högre styrka, bättre termisk stabilitet, ingen deformation vid höga temperaturer och en livslängd med mer än 5 gånger det för kvartsmaterial, vilket kan minska kostnadskostnaderna och förlusten av energi som orsakas av underhåll och downime, och har uppenbara kostnader.

Ⅰ Fördelar med kiselkarbid keramik i det fotovoltaiska området

De viktigaste produkterna från kiselkarbidkeramik i fotovoltaiska cellfältet inkluderar kiselkarbidbåtstöd, kiselkarbidbåtar, kiselkarbidugn, etc. båtar. På grund av deras uppenbara fördelar och snabba utveckling har de blivit ett bra val för nyckelbärarmaterial i produktionsprocessen för fotovoltaiska celler, och deras marknadsbehov lockar alltmer uppmärksamhet från branschen.

Reaktionsbundna kiselkarbid (RBSC) keramik är den mest använda kiselkarbidkeramiken inom området fotovoltaiska celler. Dess fördelar är låg sintringstemperatur, låg produktionskostnad och hög materialdensifiering. I synnerhet finns det nästan ingen volymkrympning under reaktionssintringsprocessen. Det är särskilt lämpligt för framställning av stora och komplexformade strukturella delar. 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 secondary phase P-SIC är in situ i kombination med a-SIC-partiklarna i det tomma pulvret, och de återstående porerna fortsätter att fyllas med fritt kisel, och slutligen uppnås densifiering av RBSC-keramiska material. De olika egenskaperna för RBSC -keramiska produkter hemma och utomlands visas i tabell 1.

Tabell 1 Jämförelse av prestanda för Sintered Sic Ceramic Products i större länder i större länder

I tillverkningsprocessen för solceller placeras kiselceller placeras på en båt, och båten placeras på en båthållare för diffusion, LPCVD och andra termiska processer. Silicon Carbide Cantilever Paddel (ROD) är en nyckelbelastningskomponent för att flytta båthållaren som bär kiselskivor in och ut ur värmningsugnen. Såsom visas i figur 1 kan kiselkarbidkantilenspaddelen (stång) säkerställa att kiselskivets koncentrika och ugnsröret och därigenom gör diffusionen och passiveringen mer enhetlig. Samtidigt är den föroreningsfri och icke-deformerad vid höga temperaturer, har god termisk chockmotstånd och stor belastningskapacitet och har använts i stor utsträckning inom området för fotovoltaiska celler.

Figur 1 Schematiskt diagram över nyckelbatteriselastningskomponenter

I det traditionellakvartsbåtoch båthållare, i den mjuka landningsdiffusionsprocessen, måste kiselskivan och kvartsbåthållaren placeras i kvartsröret i diffusionsugnen. I varje diffusionsprocess placeras kvartsbåthållaren fylld med kiselskivor på kiselkarbidpaddelen. Efter att kiselkarbidpaddelen kommer in i kvartsröret sjunker paddelen automatiskt för att sätta ner kvartsbåthållaren och kiselskivan och går sedan långsamt tillbaka till ursprunget. Efter varje process måste kvartsbåthållaren tas bort från kiselkarbidpaddelen. Sådan ofta drift kommer att få kvartsbåtstödet att slitna under en lång tid. När kvartsbåtens stöd är sprickor och pauser, kommer hela kvartsbåtstödet att falla av kiselkarbidpadden och sedan skada kvartdelarna, kiselskivorna och kiselkarbidpaddlarna nedan. Kiselkarbidpaddlar är dyra och kan inte repareras. När en olycka inträffar kommer det att orsaka enorma egendomsförluster.

I LPCVD-processen kommer inte bara de ovannämnda termiska stressproblemen att uppstå, utan eftersom LPCVD-processen kräver att silangas passerar genom kiselskivan kommer den långsiktiga processen att bilda en kiselbeläggning på båtstödet och båten. På grund av inkonsekvensen av de termiska expansionskoefficienterna för det belagda kiselet och kvartset, kommer båtstödet och båten att spricka, och livslängden kommer att minskas allvarligt. Livslängden för vanliga kvartsbåtar och båtstöd i LPCVD -processen är vanligtvis bara 2 till 3 månader. Därför är det särskilt viktigt att förbättra båtstödsmaterialet för att öka styrkan och livslängden för båtstödet för att undvika sådana olyckor.

Ⅱ Utvecklingsutveckling av keramikon av kiselkarbid i det fotovoltaiska området

Från den 13: e Shanghai Photovoltaic -utställningen SNEC 2023 har många fotovoltaiska företag i landet börjat använda Silicon Carbide Boat -stöd, som visas i figur 2, såsom Longi Green Energy Technology Co., Ltd., Jinkosolar Co., Ltd., Yida New Energy Technology Co., Ltd. och Other PhotoTic -företag. Silikonkarbidbåtstöd som används för borutvidgning, på grund av den hög användningstemperaturen för borutbyggnaden, vanligtvis vid 1000 ~ 1050 ℃, är föroreningarna i båtstödet enkla att flyktiga vid hög temperatur för att förorena battericellen, vilket påverkar batteriets konverteringseffektivitet, så det är högre krav för renheten i båtstödet.

Bild 2 LPCVD Silicon Carbide Boat Support och borutvidgning Silicon Carbide Boat Support

För närvarande måste båtstödet som används för borutbyggnaden renas. Först är råmaterialkiselkarbidpulvret syra tvättat och renas. Renheten hos litiumkvalitetssilikonkarbidpulver råvaror krävs för att vara över 99,5%. Efter syratvätt och rening med svavelsyra + hydrofluorinsyra kan renheten hos råvarorna nå över 99,9%. Samtidigt måste de föroreningar som införts under beredningen av båtstödet kontrolleras. Därför bildas Boron Expansion Boat Holder mestadels genom injektering för att minska användningen av metallföroreningar. Injekteringsmetoden bildas vanligtvis av sekundär sintring. Efter att ha återinträffat förbättras renheten på kiselkarbidbåthållaren i viss utsträckning.

Dessutom, under sintringsprocessen för båthållaren, måste sintringugnen renas i förväg, och grafitvärmefältet i ugnen måste också renas. Vanligtvis är renheten hos kiselkarbidbåthållaren som används för borutvidgning cirka 3N.

Silikonkarbidbåten har en lovande framtid. Silikonkarbidbåten visas i figur 3. Oavsett LPCVD -processen eller borrutvidgningsprocessen är livslängden för kvartsbåten relativt låg och den termiska expansionskoefficienten för kvartsmaterialet är inkonsekvent med kiselkarbidmaterialet. Därför är det lätt att ha avvikelser i processen att matcha med kiselkarbidbåten vid hög temperatur, vilket leder till skakning eller till och med brytning av båten.

Silikonkarbidbåten antar en integrerad formning och övergripande bearbetningsprocessväg. Dess form- och positionstoleranskrav är höga, och den samarbetar bättre med kiselkarbidbåthållaren. Dessutom har kiselkarbid hög styrka, och båtbrottet orsakat av mänsklig kollision är mycket mindre än kvartsbåten. På grund av de höga renhets- och bearbetningens precisionskrav för kiselkarbidbåtar är de emellertid fortfarande i det lilla batchverifieringssteget.

Eftersom kiselkarbidbåten är i direktkontakt med battericellen, måste den ha en hög renhet även i LPCVD -processen för att förhindra förorening av kiselskivan.

Den största svårigheten med kiselkarbidbåtar ligger i bearbetning. Som vi alla vet är kiselkarbideramik typiska hårda och spröda material som är svåra att bearbeta, och formen för form och positionstolerans är mycket strikta. Det är svårt att bearbeta kiselkarbidbåtar med traditionell bearbetningsteknik. För närvarande bearbetas kiselkarbidbåten mestadels av diamantverktygslipning, och sedan polerad, inlagd och andra behandlingar utförs.

Figur 3 kiselkarbidbåt

Jämfört med kvartsugnrör har kiselkarbidugnrören god värmeledningsförmåga, enhetlig uppvärmning och god termisk stabilitet, och deras livslängd är mer än 5 gånger den för kvartsrör. Ugnsröret är den huvudsakliga värmeöverföringskomponenten i ugnen, som spelar en roll i tätning och enhetlig värmeöverföring. Tillverkningssvårigheten med kiselkarbidugnrör är mycket hög och avkastningshastigheten är också mycket låg. Först, på grund av den enorma storleken på ugnsröret och väggtjockleken vanligtvis mellan 5 och 8 mm, är det mycket lätt att deformera, kollapsa eller till och med spricka under processen för tom formning.

Under sintring, på grund av ugnsrörets enorma storlek, är det också svårt att se till att det inte kommer att deformeras under sintringsprocessen. Kiselinnehållets enhetlighet är dålig, och det är lätt att ha lokal icke-silikonisering, kollaps, sprickor etc., och produktionscykeln för kiselkarbidugnrör är mycket lång och produktionscykeln för ett enda ugnsrör överstiger 50 dagar. Därför finns fortfarande kiselkarbidugnrör i forsknings- och utvecklingstillståndet och har ännu inte massproducerats.

Den huvudsakliga kostnaden för keramikon av kiselkarbid som används i det fotovoltaiska fältet kommer från hög renhet kiselkarbidpulver råmaterial, hög renhet polykristallint kisel och reaktionssintringskostnader.

Med den kontinuerliga utvecklingen av kiselkarbidpulverreningsteknik fortsätter renheten hos kiselkarbidpulver att öka genom magnetisk separering, betning och annan teknik, och föroreningsinnehållet minskar gradvis från 1% till 0,1%. Med den kontinuerliga ökningen av kiselkarbidpulverproduktionskapaciteten minskar också kostnaden för kiselkarbidpulver med hög renhet.

Sedan andra halvåret av 2020 har Polysilicon -företag successivt tillkännagivit utvidgningar. För närvarande finns det mer än 17 inhemska polysilikonproduktionsföretag, och den årliga produktionen beräknas överstiga 1,45 miljoner ton 2023. Polysilicons överkapacitet har lett till en kontinuerlig prisnedgång, vilket i sin tur har minskat kostnaden för kiselkarbid keramik.

När det gäller reaktionssintrering ökar också storleken på reaktionsinteringsugnen, och belastningskapaciteten för en enda ugn ökar också. Den senaste storstora reaktionen sintringugn kan ladda mer än 40 stycken åt gången, vilket är mycket större än den befintliga reaktionssintringsugnbelastningskapaciteten på 4 till 6 bitar. Därför kommer sintringskostnaden också att sjunka avsevärt.

Sammantaget utvecklas kerammaterial av kiselkarbid i det fotovoltaiska fältet främst mot högre renhet, starkare bärförmåga, högre belastningskapacitet och lägre kostnad.

Ⅲ Betydelsen av keramiska material för kiselkarbid i det fotovoltaiska fältet

För närvarande är den höga renhetskvartssand som krävs för kvartsmaterial som används i det inhemska fotovoltaiska området fortfarande huvudsakligen beroende av import, medan mängden och specifikationerna för högren till kvartsand som exporteras från främmande länder till Kina är strikt kontrollerade. Det snäva utbudet av högrenade kvartsandmaterial har inte lindrats och har begränsat utvecklingen av den fotovoltaiska industrin. Samtidigt, på grund av det låga livslängden för kvartsmaterial och enkla skador som leder till driftstopp, har utvecklingen av batteritekniken allvarligt begränsats. Därför är det av stor betydelse för mitt land att bli av med utländska tekniska blockader genom att bedriva forskning om gradvis ersättning av kvartsmaterial med kiselkolonkarbidkeramiska material.

I en omfattande jämförelse, oavsett om det är produktprestanda eller användningskostnad, är tillämpningen av keramiska material i kiselkarbid inom området solceller mer fördelaktigt än kvartsmaterial. Tillämpningen av keramiska material för kiselkarbid i den fotovoltaiska industrin har stor hjälp för fotovoltaiska företag att minska investeringskostnaderna för hjälpmaterial och förbättra produktkvaliteten och konkurrenskraften. I framtiden, med storskalig tillämpning av stor storlekkiselkarbidugnrör, hög renhet kiselkarbidbåtar och båtstöd och kontinuerlig minskning av kostnaderna, tillämpningen av kiselkarbidkeramiska material inom området fotovoltaiska celler kommer att bli en nyckelfaktor för att förbättra effektiviteten i ljusenergiomvandlingen och minska industrikostnaderna inom området för fotovoltaisk kraftproduktion och kommer att ha en viktig inverkan på utvecklingen av fotovolten.