Aplikasi dan penelitian keramik silikon karbida di bidang fotovoltaik - semikonduktor vetek

Dengan meningkatnya kekurangan sumber energi tradisional seperti minyak dan batu bara, industri energi baru, yang dipimpin oleh fotovoltaik surya, telah berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir. Sejak 1990 -an, kapasitas terpasang fotovoltaik dunia telah meningkat 60 kali. Industri fotovoltaik global telah lepas landas dengan latar belakang transformasi struktur energi, dan skala industri dan tingkat pertumbuhan kapasitas yang dipasang telah berulang kali mencetak catatan baru. Pada tahun 2022, kapasitas terpasang fotovoltaik global akan mencapai 239GW, yang terhitung 2/3 dari semua kapasitas energi terbarukan baru. Diperkirakan pada tahun 2023, kapasitas terpasang fotovoltaik global adalah 411GW, peningkatan tahun-ke-tahun sebesar 59%. Terlepas dari pertumbuhan fotovoltaik yang berkelanjutan, fotovoltaik masih hanya menyumbang 4,5% dari pembangkit listrik global, dan momentum pertumbuhannya yang kuat akan berlanjut hingga setelah 2024.

Keramik silikon karbidaMemiliki kekuatan mekanik yang baik, stabilitas termal, ketahanan suhu tinggi, ketahanan oksidasi, ketahanan guncangan termal dan ketahanan korosi kimia, dan banyak digunakan di ladang panas seperti metalurgi, mesin, energi baru dan bahan bangunan dan bahan kimia. Di bidang fotovoltaik, ini terutama digunakan dalam difusi sel topcon, LPCVD (deposisi uap kimia tekanan rendah),PECVD (Deposisi Uap Kimia Plasma)dan tautan proses termal lainnya. Dibandingkan dengan bahan kuarsa tradisional, penyangga perahu, perahu, dan alat kelengkapan pipa yang terbuat dari bahan keramik silikon karbida memiliki kekuatan yang lebih tinggi, stabilitas termal yang lebih baik, tidak ada deformasi pada suhu tinggi, dan umur lebih dari 5 kali lipat dari bahan kuarsa, yang secara signifikan dapat mengurangi biaya penggunaan dan hilangnya energi yang disebabkan oleh pemeliharaan dan downtime, dan memiliki biaya yang dibuang.

Ⅰ Keuntungan keramik silikon karbida di bidang fotovoltaik

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 perahu. Karena keunggulan mereka yang jelas dan perkembangan yang cepat, mereka telah menjadi pilihan yang baik untuk bahan pembawa utama dalam proses produksi sel fotovoltaik, dan permintaan pasar mereka semakin menarik perhatian dari industri.

Keramik silikon karbida (RBSC) terikat reaksi adalah keramik silikon karbida yang paling banyak digunakan di bidang sel fotovoltaik. Keuntungannya adalah suhu sintering rendah, biaya produksi rendah, dan kepadatan material yang tinggi. Secara khusus, hampir tidak ada penyusutan volume selama proses sintering reaksi. Ini sangat cocok untuk persiapan bagian-bagian struktural berukuran besar dan berbentuk kompleks. Oleh karena itu, ini paling cocok untuk produksi produk-produk berukuran besar dan kompleks seperti penyangga kapal, kapal kecil, dayung kantilever, tabung tungku, dll. Prinsip dasar persiapan keramik RBSC adalah: di bawah aksi kekuatan kapiler, silikon cairan yang sama pada fase yang mengandung fase pada fase yang mengandung karbon yang tidak dapat dipelihara dengan keramik yang mengandung karbon. β-SIC adalah in situ dikombinasikan dengan partikel α-SIC dalam bubuk kosong, dan pori-pori yang tersisa terus diisi dengan silikon bebas, dan akhirnya kepadatan bahan keramik RBSC tercapai. Berbagai sifat produk keramik RBSC di rumah dan luar negeri ditunjukkan pada Tabel 1.

Tabel 1 Perbandingan Kinerja Produk Keramik SIC yang disinter di negara -negara besar di negara -negara besar

Dalam proses pembuatan sel fotovoltaik surya, wafer silikon ditempatkan di atas kapal, dan perahu ditempatkan pada tempat perahu untuk difusi, LPCVD dan proses termal lainnya. Paddle Cantilever Cantilever (ROD) silikon adalah komponen pemuatan utama untuk menggerakkan dudukan perahu yang membawa wafer silikon ke dalam dan keluar dari tungku pemanas. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, silikon karbida cantilever dayung (batang) dapat memastikan konsentrisitas wafer silikon dan tabung tungku, sehingga membuat difusi dan pasif lebih seragam. Pada saat yang sama, bebas dari polusi dan tidak diringkas pada suhu tinggi, memiliki ketahanan guncangan termal yang baik dan kapasitas beban yang besar, dan telah banyak digunakan di bidang sel fotovoltaik.

Gambar 1 Diagram skematik komponen pemuatan baterai kunci

Dalam tradisionalPerahu Kuarsadan pemegang kapal, dalam proses difusi pendaratan lunak, wafer silikon dan pemegang kapal kuarsa perlu ditempatkan di tabung kuarsa di tungku difusi. Dalam setiap proses difusi, dudukan perahu kuarsa yang diisi dengan wafer silikon ditempatkan di dayung silikon karbida. Setelah dayung silikon karbida memasuki tabung kuarsa, dayung secara otomatis tenggelam untuk meletakkan dudukan perahu kuarsa dan wafer silikon, dan kemudian perlahan -lahan berlari kembali ke asal. Setelah setiap proses, pemegang kapal kuarsa perlu dikeluarkan dari dayung silikon karbida. Operasi yang sering terjadi akan menyebabkan dukungan kapal kuarsa dipakai dalam jangka waktu yang lama. Setelah pendukung perahu kuarsa retak dan pecah, seluruh dukungan perahu kuarsa akan jatuh dari dayung silikon karbida, dan kemudian merusak bagian kuarsa, wafer silikon dan silikon karbida yang mengayuh di bawah ini. Dayung silikon karbida mahal dan tidak dapat diperbaiki. Setelah kecelakaan terjadi, itu akan menyebabkan kerugian properti yang sangat besar.

Dalam proses LPCVD, tidak hanya masalah stres termal yang disebutkan di atas, tetapi karena proses LPCVD membutuhkan gas silan untuk melewati wafer silikon, proses jangka panjang akan membentuk lapisan silikon pada dukungan kapal dan kapal. Karena ketidakkonsistenan koefisien ekspansi termal dari silikon dan kuarsa yang dilapisi, dukungan kapal dan kapal akan pecah, dan rentang hidup akan berkurang secara serius. Rentang hidup kapal kuarsa biasa dan dukungan kapal dalam proses LPCVD biasanya hanya 2 hingga 3 bulan. Oleh karena itu, sangat penting untuk meningkatkan bahan dukungan kapal untuk meningkatkan kekuatan dan masa pakai dukungan kapal untuk menghindari kecelakaan tersebut.

Ⅱ Tren pengembangan bahan keramik silikon karbida di bidang fotovoltaik

Dari Pameran Photovoltaic Shanghai ke -13 SNEC 2023, banyak perusahaan fotovoltaik di negara ini telah mulai menggunakan dukungan kapal silikon karbida, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, seperti Longi Green Energy Technology Co., Ltd., Jinkosolar Co., Ltd., Yida New Energy Technology Co., LTD. dan LTD lainnya. Dukungan perahu karbida silikon yang digunakan untuk ekspansi boron, karena tingginya suhu ekspansi boron, biasanya pada 1000 ~ 1050 ℃, kotoran dalam dukungan kapal mudah diuapkan pada suhu tinggi untuk mencemari sel baterai, sehingga mempengaruhi efisiensi konversi sel baterai, sehingga ada kebutuhan yang lebih tinggi untuk kemurnian bahan dukungan kapal.

Gambar 2 LPCVD Silikon Carbide Support Boat dan Boron Expansion Silicon Carbide Boat Support

Saat ini, dukungan kapal yang digunakan untuk ekspansi boron perlu dimurnikan. Pertama, bubuk silikon karbida bahan baku dicuci dan dimurnikan asam. Kemurnian bahan baku silikon karbida lithium-grade harus di atas 99,5%. Setelah pencucian asam dan pemurnian dengan asam sulfat + asam hidrofluorat, kemurnian bahan baku dapat mencapai di atas 99,9%. Pada saat yang sama, kotoran yang diperkenalkan selama persiapan dukungan kapal harus dikendalikan. Oleh karena itu, pemegang kapal ekspansi boron sebagian besar dibentuk oleh grouting untuk mengurangi penggunaan kotoran logam. Metode grouting biasanya dibentuk oleh sintering sekunder. Setelah menafsirkan kembali, kemurnian dudukan perahu silikon karbida ditingkatkan sampai batas tertentu.

Selain itu, selama proses sintering pemegang kapal, tungku sintering harus dimurnikan terlebih dahulu, dan bidang panas grafit di tungku juga perlu dimurnikan. Biasanya, kemurnian pemegang kapal silikon karbida yang digunakan untuk ekspansi boron adalah sekitar 3n.

Perahu silikon karbida memiliki masa depan yang menjanjikan. Perahu silikon karbida ditunjukkan pada Gambar 3. Terlepas dari proses LPCVD atau proses ekspansi boron, umur kapal kuarsa relatif rendah, dan koefisien ekspansi termal dari bahan kuarsa tidak konsisten dengan bahan silikon karbida. Oleh karena itu, mudah untuk memiliki penyimpangan dalam proses pencocokan dengan perahu silikon karbida pada suhu tinggi, yang mengarah pada gemetar atau bahkan memecahkan perahu.

Silicon Carbide Boat mengadopsi rute proses cetakan dan pemrosesan keseluruhan yang terintegrasi. Bentuk dan persyaratan toleransi posisinya tinggi, dan bekerja sama lebih baik dengan dudukan perahu silikon karbida. Selain itu, silikon karbida memiliki kekuatan tinggi, dan kerusakan kapal yang disebabkan oleh tabrakan manusia jauh lebih sedikit daripada kapal kuarsa. Namun, karena tingginya persyaratan presisi perahu silikon karbida silikon, mereka masih dalam tahap verifikasi batch kecil.

Karena kapal silikon karbida bersentuhan langsung dengan sel baterai, ia harus memiliki kemurnian tinggi bahkan dalam proses LPCVD untuk mencegah kontaminasi wafer silikon.

Kesulitan terbesar perahu silikon karbida terletak pada pemesinan. Seperti yang kita semua tahu, keramik silikon karbida adalah bahan yang keras dan rapuh yang sulit diproses, dan persyaratan toleransi bentuk dan posisi kapal sangat ketat. Sulit untuk memproses kapal silikon karbida dengan teknologi pemrosesan tradisional. Saat ini, perahu silikon karbida sebagian besar diproses oleh penggilingan alat berlian, dan kemudian dipoles, acar dan perawatan lainnya dilakukan.

Gambar 3 perahu silikon karbida

Dibandingkan dengan tabung tungku kuarsa, tabung tungku silikon karbida memiliki konduktivitas termal yang baik, pemanasan yang seragam, dan stabilitas termal yang baik, dan umurnya lebih dari 5 kali lipat dari tabung kuarsa. Tabung tungku adalah komponen perpindahan panas utama dari tungku, yang berperan dalam penyegelan dan perpindahan panas yang seragam. Kesulitan manufaktur tabung tungku silikon karbida sangat tinggi, dan laju hasil juga sangat rendah. Pertama, karena ukuran tabung tungku yang sangat besar dan ketebalan dinding biasanya antara 5 dan 8 mm, sangat mudah untuk cacat, runtuh atau bahkan retak selama proses pembentukan kosong.

Selama sintering, karena ukuran tabung tungku yang sangat besar, juga sulit untuk memastikan bahwa itu tidak akan berubah bentuk selama proses sintering. Keseragaman kandungan silikon buruk, dan mudah untuk memiliki non-silikonisasi lokal, runtuh, retak, dll., Dan siklus produksi tabung tungku silikon karbida sangat panjang, dan siklus produksi tabung tungku tunggal melebihi 50 hari. Oleh karena itu, tabung tungku silikon karbida masih dalam keadaan penelitian dan pengembangan dan belum diproduksi secara massal.

Biaya utama bahan keramik silikon karbida yang digunakan dalam bidang fotovoltaik berasal dari silikon tinggi silikon karbida bubuk bahan baku, silikon polikristalin purburni, dan biaya sintering reaksi.

Dengan perkembangan terus menerus dari teknologi pemurnian bubuk silikon karbida, kemurnian bubuk silikon karbida terus meningkat melalui pemisahan magnetik, acar dan teknologi lainnya, dan kandungan pengotor secara bertahap berkurang dari 1% menjadi 0,1%. Dengan peningkatan terus menerus dalam kapasitas produksi bubuk silikon karbida, biaya bubuk silikon karbida dengan kemurnian tinggi juga menurun.

Sejak paruh kedua tahun 2020, perusahaan Polysilicon secara berturut -turut mengumumkan ekspansi. Saat ini, ada lebih dari 17 perusahaan produksi polisilikon domestik, dan output tahunan diperkirakan melebihi 1,45 juta ton pada tahun 2023. Kelebihan kapasitas polisilikon telah menyebabkan penurunan harga yang berkelanjutan, yang pada gilirannya telah mengurangi biaya keramik silikon karbida.

Dalam hal sintering reaksi, ukuran reaksi sintering tungku juga meningkat, dan kapasitas pemuatan tungku tunggal juga meningkat. Tungku sintering reaksi berukuran besar terbaru dapat memuat lebih dari 40 buah sekaligus, yang jauh lebih besar dari kapasitas pemuatan tungku sintering reaksi yang ada dari 4 hingga 6 buah. Oleh karena itu, biaya sintering juga akan turun secara signifikan.

Secara keseluruhan, bahan keramik silikon karbida di bidang fotovoltaik terutama berkembang menuju kemurnian yang lebih tinggi, daya dukung yang lebih kuat, kapasitas pemuatan yang lebih tinggi, dan biaya yang lebih rendah.

Ⅲ Pentingnya bahan keramik silikon karbida di bidang fotovoltaik

Saat ini, pasir kuarsa dengan kemurnian tinggi yang diperlukan untuk bahan kuarsa yang digunakan dalam bidang fotovoltaik domestik masih terutama tergantung pada impor, sedangkan kuantitas dan spesifikasi pasir kuarsa dengan kemurnian tinggi yang diekspor dari negara-negara asing ke Cina dikontrol secara ketat. Pasokan ketat dari bahan pasir kuarsa dengan kemurnian tinggi belum dikurangi dan telah membatasi pengembangan industri fotovoltaik. Pada saat yang sama, karena kehidupan bahan kuarsa yang rendah dan kerusakan mudah yang menyebabkan downtime, pengembangan teknologi baterai telah dibatasi secara serius. Oleh karena itu, sangat penting bagi negara saya untuk menyingkirkan blokade teknologi asing dengan melakukan penelitian tentang penggantian bertahap bahan kuarsa dengan bahan keramik silikon karbida.

Dalam perbandingan yang komprehensif, apakah itu kinerja produk atau biaya penggunaan, penerapan bahan keramik silikon karbida di bidang sel surya lebih menguntungkan daripada bahan kuarsa. Penerapan bahan keramik silikon karbida dalam industri fotovoltaik sangat membantu bagi perusahaan fotovoltaik untuk mengurangi biaya investasi bahan tambahan dan meningkatkan kualitas dan daya saing produk. Di masa depan, dengan aplikasi skala besar ukuran besartabung tungku silikon karbida, perahu silikon karbida tinggi dan dukungan kapal dan pengurangan biaya yang berkelanjutan, penerapan bahan keramik silikon karbida di bidang sel fotovoltaik akan menjadi faktor kunci dalam meningkatkan efisiensi konversi energi cahaya dan mengurangi biaya industri di bidang pembangkit listrik baru.