Fotovoltaik alanında silikon karbür seramiklerinin uygulanması ve araştırılması - Vetek Yarıiletken

Petrol ve kömür gibi geleneksel enerji kaynaklarının artan kıtlığı ile, güneş fotovoltaikleri tarafından yönetilen yeni enerji endüstrileri son yıllarda hızla gelişmiştir. 1990'lardan beri, dünyanın fotovoltaik kurulu kapasitesi 60 kez arttı. Küresel fotovoltaik endüstri, enerji yapısı dönüşümünün zeminine karşı çıktı ve endüstri ölçeği ve kurulmuş kapasite büyüme oranı defalarca yeni kayıtlar belirledi. 2022'de, küresel fotovoltaik kurulu kapasite 239GW'ye ulaşacak ve tüm yeni yenilenebilir enerji kapasitesinin 2/3'ünü oluşturacak. 2023'te küresel fotovoltaik kurulu kapasitenin yıllık%59 artış olan 411GW olacağı tahmin edilmektedir. Fotovoltaiklerin sürekli büyümesine rağmen, fotovoltaikler hala küresel enerji üretiminin sadece% 4,5'ini oluşturuyor ve güçlü büyüme momentumu 2024'e kadar devam edecek.

Silikon karbür seramikleriİyi mekanik mukavemet, termal stabilite, yüksek sıcaklık direnci, oksidasyon direnci, termal şok direnci ve kimyasal korozyon direncine sahip ve metalurji, makineler, yeni enerji ve yapı malzemeleri ve kimyasallar gibi sıcak alanlarda yaygın olarak kullanılır. Fotovoltaik alanda, esas olarak Topcon hücrelerinin difüzyonunda, LPCVD (düşük basınçlı kimyasal buhar birikimi),PECVD (plazma kimyasal buhar birikimi)ve diğer termal işlem bağlantıları. Geleneksel kuvars malzemeleri, tekne destekleri, tekneler ve silikon karbür seramik malzemelerinden yapılmış boru bağlantı parçaları ile karşılaştırıldığında, daha yüksek mukavemet, daha iyi termal stabilite, yüksek sıcaklıklarda deformasyon ve kullanım maliyetini ve kullanım maliyetini ve bakım ve indirim süresinden kaynaklanan enerji kaybını önemli ölçüde azaltabilen ve belirgin maliyet avantajlarına sahip.

Ⅰ Fotovoltaik alanda silikon karbür seramiklerinin avantajları

Fotovoltaik hücre alanındaki silikon karbür seramiklerinin ana ürünleri arasında silikon karbür tekne destekleri, silikon karbür tekneleri, silikon karbür fırın tüpleri, silikon karbür karbürlü kürekler, silikon karbür çubukları, silikon karbür koruyucu tüpler vb. Tekneler. Açık avantajları ve hızlı gelişimleri nedeniyle, fotovoltaik hücrelerin üretim sürecinde kilit taşıyıcı malzemeler için iyi bir seçim haline gelmişlerdir ve pazar talepleri, endüstriden giderek daha fazla dikkat çekmektedir.

Reaksiyon bağlı silikon karbür (RBSC) seramikleri, fotovoltaik hücreler alanında en yaygın kullanılan silikon karbür seramikleridir. Avantajları düşük sinterleme sıcaklığı, düşük üretim maliyeti ve yüksek malzeme yoğunlaşmasıdır. Özellikle, reaksiyon sinterleme işlemi sırasında neredeyse hiç hacim büzülmesi yoktur. Özellikle büyük boyutlu ve karmaşık şekilli yapısal parçaların hazırlanması için uygundur. Bu nedenle, tekne destekleri, küçük tekneler, konsol kürekleri, fırın tüpleri, vb. Gibi büyük boyutlu ve karmaşık ürünlerin üretimi için en uygun olanıdır. RBSC seramiklerinin hazırlanmasının temel prensibi, reaktif sıvı silikon, karbon kapsayan ikincil-sisik, karbon içeriğine kadar olan ikincil penetreye peneter, yeniden aktarır. Faz β-sic, boş tozdaki a-sic parçacıkları ile birleştirilir ve kalan gözenekler serbest silikon ile doldurulmaya devam eder ve son olarak RBSC seramik malzemelerinin yoğunlaşması elde edilir. Yurtiçinde ve yurtdışında RBSC seramik ürünlerinin çeşitli özellikleri Tablo 1'de gösterilmektedir.

Tablo 1 Büyük ülkelerde reaksiyon sinterlenmiş sic seramik ürünlerinin performansının karşılaştırılması

Güneş fotovoltaik hücrelerinin üretim sürecinde, silikon gofretler bir tekneye yerleştirilir ve tekne difüzyon, LPCVD ve diğer termal işlemler için bir tekne tutucusuna yerleştirilir. Silikon karbür konsol kürek (çubuk), silikon gofret taşıyan tekne tutucusunu ısıtma fırının içine ve dışına taşımak için önemli bir yükleme bileşenidir. Şekil 1'de gösterildiği gibi, silikon karbür konsol kürek (çubuk), silikon gofret ve fırın tüpünün eşmerkezliliğini sağlayabilir, böylece difüzyon ve pasivasyonu daha düzgün hale getirebilir. Aynı zamanda, kirlilik içermez ve yüksek sıcaklıklarda tanımlanmamıştır, iyi termal şok direncine ve büyük yük kapasitesine sahiptir ve fotovoltaik hücreler alanında yaygın olarak kullanılmaktadır.

Şekil 1 Anahtar pil yükleme bileşenlerinin şematik diyagramı

Gelenekselkuvars teknesive tekne tutucu, yumuşak iniş difüzyon işleminde, silikon gofret ve kuvars tekne tutucusunun difüzyon fırınındaki kuvars tüpüne yerleştirilmesi gerekir. Her difüzyon işleminde, silikon gofretlerle doldurulmuş kuvars tekne tutucu silikon karbür kürek üzerine yerleştirilir. Silikon karbür kürek kuvars tüpüne girdikten sonra, kürek kuvars tekne tutucusunu ve silikon gofretini koymak için otomatik olarak batar ve daha sonra yavaşça orijine geri döner. Her işlemden sonra, kuvars tekne tutucusunun silikon karbür kürekten çıkarılması gerekir. Bu tür sık ​​operasyon, kuvars tekne desteğinin uzun bir süre aşınmasına neden olacaktır. Kuvars teknesi çatlakları ve molaları destekledikten sonra, tüm kuvars tekne desteği silikon karbür kürekten düşecek ve daha sonra kuvars kısımlarına, silikon gofretlere ve silikon karbür küreklerine zarar verecek. Silikon karbür kürekler pahalıdır ve onarılamaz. Bir kaza meydana geldiğinde, büyük mülk kayıplarına neden olur.

LPCVD işleminde, sadece yukarıda belirtilen termal stres problemleri gerçekleşmeyecek, aynı zamanda LPCVD işlemi silan gazının silikon gofretinden geçmesini gerektirdiğinden, uzun süreli işlem tekne desteği ve teknede bir silikon kaplama oluşturacaktır. Kaplanmış silikon ve kuvarsın termal genleşme katsayılarının tutarsızlığı nedeniyle, tekne desteği ve tekne çatlayacak ve ömrü ciddi şekilde azaltılacaktır. LPCVD işleminde sıradan kuvars teknelerin ve tekne desteklerinin ömrü genellikle sadece 2 ila 3 aydır. Bu nedenle, bu tür kazaları önlemek için tekne desteğinin gücünü ve hizmet ömrünü artırmak için tekne destek malzemesini geliştirmek özellikle önemlidir.

Ⅱ Fotovoltaik alandaki silikon karbür seramik malzemelerinin geliştirme eğilimi

13. Shanghai fotovoltaik sergi SNEC 2023'ten, ülkedeki birçok fotovoltaik şirket, Şekil 2'de gösterildiği gibi, LiGi Green Energy Technology Co., Ltd., Jinkosolar Co., Ltd., Yida New Energy Technology Co., Ltd. ve diğer Photovoltaic lider şirketleri kullanmaya başladı. Bor genişlemesi için kullanılan silikon karbür tekne destekleri, genellikle 1000 ~ 1050 ℃ 'de yüksek bor genişlemesi sıcaklığı nedeniyle, tekne desteğindeki safsızlıkların pil hücresini kirletmek için yüksek sıcaklıkta uçucu hale getirilmesi kolaydır, böylece pil hücresinin dönüşüm verimliliğini etkilemektedir, bu nedenle tekne desteği malzemesinin saflığı için daha yüksek gereksinimler vardır.

Şekil 2 LPCVD Silikon Karbür Tekne Desteği ve Bor Genişleme Silikon Karbür Tekne Desteği

Şu anda, bor genişlemesi için kullanılan tekne desteğinin saflaştırılması gerekmektedir. İlk olarak, hammadde silikon karbür tozu asit yıkanır ve saflaştırılır. Lityum dereceli silikon karbür toz hammaddelerinin saflığının%99.5'in üzerinde olması gerekir. Asit yıkamadan ve sülfürik asit + hidroflorik asit ile saflaştırıldıktan sonra, hammaddelerin saflığı%99.9'un üzerine çıkabilir. Aynı zamanda, tekne desteğinin hazırlanması sırasında tanıtılan safsızlıklar kontrol edilmelidir. Bu nedenle, bor genişleme tekne sahibi, metal safsızlıkların kullanımını azaltmak için çoğunlukla harçla oluşur. Grouting yöntemi genellikle ikincil sinterleme ile oluşturulur. Yeniden sinterlemeden sonra, silikon karbür tekne tutucusunun saflığı bir dereceye kadar geliştirilir.

Ek olarak, tekne tutucunun sinterleme işlemi sırasında, sinterleme fırının önceden saflaştırılmalı ve fırındaki grafit ısı alanının da saflaştırılması gerekir. Genellikle, bor genişlemesi için kullanılan silikon karbür tekne tutucusunun saflığı yaklaşık 3N'dir.

Silikon karbür teknesinin umut verici bir geleceği var. Silikon karbür teknesi Şekil 3'te gösterilmiştir. LPCVD işlemine veya bor genişletme işlemine bakılmaksızın, kuvars teknesinin ömrü nispeten düşüktür ve kuvars malzemesinin termal genleşme katsayısı silikon karbi malzemesininkiyle tutarsızdır. Bu nedenle, yüksek sıcaklıkta silikon karbür teknesi ile eşleşme sürecinde sapmaların olması kolaydır, bu da teknenin titremesine ve hatta kırılmasına yol açar.

Silikon karbür teknesi entegre bir kalıplama ve genel işleme işlemi rotasını benimser. Şekil ve konum tolerans gereksinimleri yüksektir ve silikon karbür tekne tutucusu ile daha iyi işbirliği yapar. Buna ek olarak, silikon karbür yüksek güce sahiptir ve insan çarpışmasının neden olduğu tekne kırılması kuvars teknesinden çok daha azdır. Bununla birlikte, silikon karbür teknelerinin yüksek saflık ve işleme hassas gereksinimleri nedeniyle, hala küçük parti doğrulama aşamasındadır.

Silikon karbür teknesi pil hücresiyle doğrudan temas ettiğinden, silikon gofretin kontaminasyonunu önlemek için LPCVD işleminde bile yüksek bir saflığa sahip olmalıdır.

Silikon karbür teknelerinin en büyük zorluğu işlemede yatmaktadır. Hepimizin bildiği gibi, silikon karbür seramikleri işlenmesi zor olan tipik sert ve kırılgan malzemelerdir ve teknenin şekli ve konum tolerans gereksinimleri çok katıdır. Geleneksel işleme teknolojisi ile silikon karbür teknelerini işlemek zordur. Şu anda, silikon karbür teknesi çoğunlukla elmas alet taşlama ile işlenir ve daha sonra cilalı, salamura ve diğer tedaviler yapılır.

Şekil 3 Silikon Karbür Teknesi

Kuvars fırın tüpleri ile karşılaştırıldığında, silikon karbür fırın tüpleri iyi termal iletkenliğe, düzgün ısıtmaya ve iyi termal stabiliteye sahiptir ve yaşamları kuvars tüplerinin 5 katından fazladır. Fırın tüpü, sızdırmazlık ve düzgün ısı transferinde rol oynayan fırının ana ısı transfer bileşenidir. Silikon karbür fırın tüplerinin üretim zorluğu çok yüksektir ve akma hızı da çok düşüktür. Birincisi, fırın tüpünün büyük boyutu ve genellikle 5 ila 8 mm arasındaki duvar kalınlığı nedeniyle, boş şekillendirme işlemi sırasında deforme olmak, çökmek veya hatta çatlamak çok kolaydır.

Sinterleme sırasında, fırın tüpünün büyük boyutu nedeniyle, sinterleme işlemi sırasında deforme olmayacağından emin olmak da zordur. Silikon içeriğinin tekdüzeliği zayıftır ve yerel silikonizasyon, çökme, çatlama vb. Bu nedenle, silikon karbür fırın tüpleri hala araştırma ve geliştirme durumundadır ve henüz seri üretilmemiştir.

Fotovoltaik alanda kullanılan silikon karbür seramik malzemelerinin ana maliyeti, yüksek saflıkta silikon karbür tozu hammaddelerinden, yüksek saflıkta polikristalin silikon ve reaksiyon sinterleme maliyetlerinden gelir.

Silikon karbür tozu saflaştırma teknolojisinin sürekli gelişimi ile, silikon karbür tozunun saflığı manyetik ayrılık, salamura ve diğer teknolojiler yoluyla artmaya devam etmektedir ve safsızlık içeriği yavaş yavaş% 1'den% 0.1'e düşer. Silikon karbür tozu üretim kapasitesindeki sürekli artışla, yüksek saflıkta silikon karbür tozunun maliyeti de azalmaktadır.

2020'nin ikinci yarısından bu yana, polisilikon şirketler art arda açıklamaları duyurdu. Şu anda, 17'den fazla yerli polisilikon üretim şirketi var ve yıllık üretimin 2023'te 1,45 milyon ton aştığı tahmin ediliyor. Polisilikonun aşırı kapasitesi fiyatlarda sürekli bir düşüşe yol açtı ve bu da silikon karbür seramiklerinin maliyetini düşürdü.

Reaksiyon sinterleme açısından, reaksiyon sinterleme fırınının boyutu da artmaktadır ve tek bir fırının yükleme kapasitesi de artmaktadır. En son büyük boyutlu reaksiyon sinterleme fırını, bir seferde 40 parçadan fazla yükleyebilir, bu da mevcut reaksiyon sinterleme fırın yükleme kapasitesinden 4 ila 6 parçadan çok daha büyüktür. Bu nedenle, sinterleme maliyeti de önemli ölçüde düşecektir.

Genel olarak, fotovoltaik alandaki silikon karbür seramik malzemeleri esas olarak daha yüksek saflık, daha güçlü taşıma kapasitesi, daha yüksek yükleme kapasitesi ve daha düşük maliyete doğru gelişmektedir.

Ⅲ Fotovoltaik alandaki silikon karbür seramik malzemelerinin önemi

Şu anda, iç fotovoltaik alanda kullanılan kuvars malzemeler için gereken yüksek saflıkta kuvars kumu, esas olarak ithalata bağlıdır, ancak yabancı ülkelerden Çin'e ihraç edilen yüksek saflık kuvars kumunun miktarı ve spesifikasyonları kesinlikle kontrol edilir. Yüksek saflıkta kuvars kum malzemelerinin sıkı temini hafifletilmemiştir ve fotovoltaik endüstrinin gelişimini kısıtlamıştır. Aynı zamanda, kuvars malzemelerinin düşük ömrü ve kesinti süresine yol açan kolay hasar nedeniyle, pil teknolojisinin geliştirilmesi ciddi şekilde kısıtlanmıştır. Bu nedenle, kuvars malzemelerinin silikon karbür seramik malzemeleriyle kademeli olarak değiştirilmesi üzerine araştırma yaparak ülkemin yabancı teknolojik ablukalardan kurtulması büyük önem taşıyor.

İster ürün performansı veya kullanım maliyeti olsun, kapsamlı bir karşılaştırmada, güneş hücreleri alanına silikon karbür seramik malzemelerinin uygulanması kuvars malzemelerinden daha avantajlıdır. Silikon karbür seramik malzemelerinin fotovoltaik endüstrisinde uygulanması, fotovoltaik şirketlerin yardımcı malzemelerin yatırım maliyetini azaltmak ve ürün kalitesini ve rekabet gücünü artırmak için büyük yardıma sahiptir. Gelecekte, büyük boyutlu büyük ölçekli uygulamaylaSilikon karbür fırın tüpleri, yüksek saflıkta silikon karbür tekneleri ve tekne destekleri ve maliyetlerin sürekli azaltılması, fotovoltaik hücreler alanında silikon karbür seramik malzemelerinin uygulanması, ışık enerjisi dönüşümünün verimliliğini ve fotovoltaik enerji üretimi alanındaki endüstri maliyetlerini azaltmada önemli bir faktör haline gelecek ve fotovolekik yeni enerji geliştirme üzerinde önemli bir etkiye sahip olacaktır.