Știri

Aplicarea și cercetarea ceramicii din carbură de siliciu în domeniul fotovoltaicilor - Vetek Semiconductor

Odată cu lipsa din ce în ce mai mare de surse de energie tradiționale, cum ar fi petrolul și cărbunele, noile industrii energetice, conduse de fotovoltaica solară, s -au dezvoltat rapid în ultimii ani. Începând cu anii 90, capacitatea instalată fotovoltaică din lume a crescut de 60 de ori. Industria fotovoltaică globală a decolat pe fundalul transformării structurii energetice, iar scala industriei și rata de creștere a capacității instalate au stabilit în mod repetat noi înregistrări. În 2022, capacitatea de instalare fotovoltaică globală va ajunge la 239GW, reprezentând 2/3 din noua capacitate de energie regenerabilă. Se estimează că în 2023, capacitatea de instalare fotovoltaică globală va fi de 411GW, o creștere de la an la an de 59%. În ciuda creșterii continue a fotovoltaicelor, fotovoltaica reprezintă încă 4,5% din generarea globală a energiei, iar impulsul său puternic de creștere va continua până după 2024.


Ceramica din carbură de siliciuAu o rezistență mecanică bună, stabilitate termică, rezistență la temperatură ridicată, rezistență la oxidare, rezistență la șocuri termice și rezistență la coroziune chimică și sunt utilizate pe scară largă în câmpuri calde, cum ar fi metalurgie, utilaje, noi materiale de energie și materiale de construcție și substanțe chimice. În câmpul fotovoltaic, este utilizat în principal în difuzarea celulelor TopCon, LPCVD (depunere de vapori chimici de joasă presiune),PECVD (depunere de vapori chimici plasmatici)și alte legături de proces termic. În comparație cu materialele tradiționale de cuarț, suporturile pentru bărci, bărcile și armăturile de țeavă din materiale ceramice din carbură de siliciu au o rezistență mai mare, o stabilitate termică mai bună, nici o deformare la temperaturi ridicate și o durată de viață de mai mult de 5 ori mai mare decât a materialelor de cuarț, care pot reduce semnificativ costurile de utilizare și pierderea de energie cauzată de întreținere și timp de oprire și care pot avea avantaje ale costurilor evidente.


Avantajele ceramicii din carbură de siliciu în câmpul fotovoltaic


Principalele produse ale ceramicii din carbură de siliciu în câmpul celulelor fotovoltaice includ suporturi pentru barca din carbură de siliciu, bărci cu carbură de siliciu, tuburi de cuptor cu carbură de siliciu, palete cu carbură de siliciu, tije de carbură de siliciu, suport pentru carbură de siliciu și suport pentru carbură de siliciu, etc. bărci. Datorită avantajelor lor evidente și a dezvoltării rapide, acestea au devenit o alegere bună pentru materialele cheie de transport în procesul de producție a celulelor fotovoltaice, iar cererea lor de piață atrage din ce în ce mai mult atenția din partea industriei.


Ceramica de carbură de siliciu legată de reacție (RBSC) sunt cele mai utilizate ceramică de carbură de siliciu în domeniul celulelor fotovoltaice. Avantajele sale sunt temperatura de sinterizare scăzută, costurile scăzute de producție și densificarea ridicată a materialelor. În special, nu există aproape nici o contracție de volum în timpul procesului de sinterizare a reacției. Este deosebit de potrivit pentru prepararea unor piese structurale de dimensiuni mari și complexe. 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 Faza secundară β-SIC este combinată in situ cu particulele α-SIC din pulberea goală, iar porii rămași continuă să fie umplute cu siliciu liber, iar în sfârșit se realizează densificarea materialelor ceramice RBSC. Diferitele proprietăți ale produselor ceramice RBSC la domiciliu și în străinătate sunt prezentate în tabelul 1.


Tabelul 1 Comparația performanței reacției Produse ceramice SiC sinterizate în marile țări

Companie
Densitate în vrac / (G / CM3)
Rezistență la flexie / MPA
Modul elastic / GPA
NGK , Japonia
3.15
500 430
KT , SUA
3.09
159 386
Si , Germania
3.12
350 400
CNAB , China
3.05
380 380


În procesul de fabricație al celulelor fotovoltaice solare, napolitane de siliciu sunt așezate pe o barcă, iar barca este așezată pe un suport pentru barca pentru difuzie, LPCVD și alte procese termice. Paddle -ul cu cantilever de carbură de siliciu (tijă) este o componentă cheie de încărcare pentru mutarea suportului pentru barcă care transportă napolitane de siliciu în și în afara cuptorului de încălzire. Așa cum se arată în figura 1, paleta cu cantilever de carbură de siliciu (tijă) poate asigura concentricitatea plafonului de siliciu și a tubului cuptorului, făcând astfel difuzarea și pasivarea mai uniformă. În același timp, este fără poluare și nu este deformat la temperaturi ridicate, are o bună rezistență la șoc termic și o capacitate mare de încărcare și a fost utilizată pe scară largă în domeniul celulelor fotovoltaice.


Schematic diagram of key battery loading components

Figura 1 Diagrama schematică a componentelor cheie de încărcare a bateriei


În tradiționalbarca de cuarțși suportul pentru bărci, în procesul de difuzare a aterizării moi, placa de siliciu și suportul pentru barca de cuarț trebuie să fie plasate în tubul de cuarț în cuptorul de difuzie. În fiecare proces de difuzie, suportul pentru barca de cuarț umplut cu napolitane de siliciu este plasat pe paleta de carbură de siliciu. După ce paleta de carbură de siliciu intră în tubul de cuarț, paleta se scufundă automat pentru a pune jos suportul pentru barca de cuarț și placa de siliciu, apoi se întoarce încet la origine. După fiecare proces, suportul pentru barca de cuarț trebuie îndepărtat din paleta de carbură de siliciu. O astfel de operație frecventă va determina suportul pentru barca de cuarț să se uzeze pe o perioadă lungă de timp. Odată ce barca de cuarț este suportul și se pauze, întregul suport pentru barca de cuarț va cădea de pe paleta de carbură de siliciu, apoi va deteriora piesele de cuarț, napolitane de siliciu și palete de carbură de siliciu de mai jos. Paletele din carbură de siliciu sunt scumpe și nu pot fi reparate. Odată ce apare un accident, acesta va provoca pierderi uriașe de proprietate.


În procesul LPCVD, nu numai că vor apărea problemele de stres termic menționate mai sus, dar, deoarece procesul LPCVD necesită să treacă gazul de silan prin placa de siliciu, procesul pe termen lung va forma un acoperire de siliciu pe suportul pentru bărci și barca. Datorită inconsecvenței coeficienților de expansiune termică ai siliconului și cuarțului acoperit, suportul pentru bărci și barca se vor crăpa, iar durata de viață va fi redusă grav. Durata de viață a bărcilor obișnuite de cuarț și a suporturilor pentru bărci în procesul LPCVD este de obicei de doar 2 până la 3 luni. Prin urmare, este deosebit de important să îmbunătățim materialul de susținere a bărcii pentru a crește puterea și durata de viață a asistenței pentru bărci pentru a evita astfel de accidente.


Tendința de dezvoltare a materialelor ceramice din carbură de siliciu în câmpul fotovoltaic


De la a 13 -a expoziție fotovoltaică din Shanghai SNEC 2023, multe companii fotovoltaice din țară au început să folosească suporturi pentru barca de carbură de siliciu, așa cum se arată în figura 2, precum Londi Green Energy Technology Co., Ltd., Jinkosolar Co., Ltd., Yida New Energy Technology Co., Ltd. și alte companii de frunte. Suport pentru barca de carbură de siliciu utilizat pentru expansiunea borului, datorită temperaturii ridicate de utilizare a expansiunii borului, de obicei la 1000 ~ 1050 ℃, impuritățile din suportul pentru bărci sunt ușor de volatilizat la temperaturi ridicate pentru a polua celula bateriei, afectând astfel eficiența de conversie a celulei bateriei, astfel încât există cerințe mai mari pentru puritatea materialului de asistență pentru barcă.


LPCVD silicon carbide boat support and boron expansion silicon carbide boat support

Figura 2 LPCVD Silicon Carbide Suport pentru barca și Extinderea borului Suport pentru barca din carbură din siliciu


În prezent, suportul pentru bărci utilizat pentru extinderea borului trebuie purificat. În primul rând, pulberea de carbură de siliciu materie primă este spălată și purificată. Puritatea materiilor prime cu pulbere de carbură de siliciu de grad de litiu este necesară pentru a fi peste 99,5%. După spălarea acidului și purificarea cu acid sulfuric + acid hidrofluoric, puritatea materiilor prime poate ajunge peste 99,9%. În același timp, trebuie controlate impuritățile introduse în timpul pregătirii sprijinului pentru bărci. Prin urmare, suportul pentru bărci de expansiune a borului este format în cea mai mare parte prin chiting pentru a reduce utilizarea impurităților metalice. Metoda de chiting este de obicei formată prin sinterizare secundară. După re-sincronizare, puritatea suportului de barcă din carbură de siliciu este îmbunătățită într-o anumită măsură.


În plus, în timpul procesului de sinterizare al suportului pentru bărci, cuptorul de sinterizare trebuie purificat în avans, iar câmpul de căldură al grafitului din cuptor trebuie, de asemenea, purificat. De obicei, puritatea suportului de barcă din carbură de siliciu folosită pentru extinderea borului este de aproximativ 3N.


Barca de carbură de siliciu are un viitor promițător. Barca de carbură de siliciu este prezentată în figura 3. Indiferent de procesul LPCVD sau de procesul de expansiune a borului, durata de viață a bărcii de cuarț este relativ scăzută, iar coeficientul de expansiune termică al materialului de cuarț este în contradicție cu cel al materialului carbură de siliciu. Prin urmare, este ușor să aveți abateri în procesul de potrivire cu barca de carbură de siliciu la temperaturi ridicate, ceea ce duce la agitarea sau chiar ruperea bărcii.


Barca de carbură de siliciu adoptă o rută integrată de modelare și proces de procesare generală. Cerințele sale de toleranță de formă și poziție sunt mari și cooperează mai bine cu suportul pentru barca de carbură de siliciu. În plus, carbura de siliciu are o rezistență ridicată, iar ruperea bărcii cauzată de coliziunea umană este mult mai mică decât cea a bărcii de cuarț. Cu toate acestea, din cauza cerințelor de precizie de puritate ridicată și de prelucrare a bărcilor cu carbură de siliciu, acestea sunt încă în stadiul de verificare a lotului mic.

Deoarece barca de carbură de siliciu este în contact direct cu celula bateriei, trebuie să aibă o puritate ridicată chiar și în procesul LPCVD pentru a preveni contaminarea plafonului de siliciu.


Cea mai mare dificultate a bărcilor din carbură de siliciu constă în prelucrare. După cum știm cu toții, ceramica din carbură de siliciu sunt materiale tipice dure și fragile care sunt dificil de prelucrat, iar cerințele de toleranță de formă și poziție ale bărcii sunt foarte stricte. Este dificil să se proceseze bărcile cu carbură de siliciu cu tehnologie tradițională de procesare. În prezent, barca de carbură de siliciu este prelucrată în cea mai mare parte prin măcinarea instrumentelor de diamant, iar apoi se efectuează tratamente lustruite, murate și alte tratamente.


Silicon carbide boat

Figura 3 Barcă din carbură de siliciu


În comparație cu tuburile cuptorului de cuarț, tuburile cuptorului din carbură de siliciu au o conductivitate termică bună, încălzire uniformă și o stabilitate termică bună, iar durata lor de viață este de peste 5 ori mai mare decât a tuburilor de cuarț. Tubul cuptorului este principala componentă de transfer de căldură a cuptorului, care joacă un rol în etanșarea și transferul uniform de căldură. Dificultatea de fabricație a tuburilor de cuptor cu carbură de siliciu este foarte mare, iar rata de randament este, de asemenea, foarte mică. În primul rând, datorită dimensiunii uriașe a tubului cuptorului și a grosimii peretelui, de obicei între 5 și 8 mm, este foarte ușor de deformat, de prăbușit sau chiar de crăpat în timpul procesului de formare necompletată.


În timpul sinterizării, datorită dimensiunii uriașe a tubului cuptorului, este, de asemenea, dificil să se asigure că acesta nu se va deforma în timpul procesului de sinterizare. Uniformitatea conținutului de siliciu este slabă și este ușor să aveți non-siliconizare locală, prăbușire, fisură, etc., iar ciclul de producție al tuburilor cuptorului din carbură de siliciu este foarte lung, iar ciclul de producție al unui singur tub de cuptor depășește 50 de zile. Prin urmare, tuburile cuptorului din carbură de siliciu sunt încă în starea de cercetare și dezvoltare și nu au fost încă produse în masă.


Costul principal al materialelor ceramice din carbură de siliciu utilizat în câmpul fotovoltaic provine din materii prime cu pulbere de carbură de siliciu de înaltă puritate, silicon policristalin de înaltă puritate și costuri de sinterizare a reacției.


Odată cu dezvoltarea continuă a tehnologiei de purificare a pulberii de carbură de siliciu, puritatea pulberii de carbură de siliciu continuă să crească prin separarea magnetică, decaparea și alte tehnologii, iar conținutul de impuritate scade treptat de la 1% la 0,1%. Odată cu creșterea continuă a capacității de producție de pulbere de carbură de siliciu, costul pulberii de carbură de siliciu de înaltă puritate este, de asemenea, în scădere.


Începând cu a doua jumătate a anului 2020, companiile polisilicon au anunțat succesiv extinderi. În prezent, există mai mult de 17 companii interne de producție de polisilicon, iar producția anuală este estimată să depășească 1,45 milioane tone în 2023. Supracapacitatea polisiliconului a dus la o scădere continuă a prețurilor, ceea ce la rândul său a redus costul ceramicii din carbură de siliciu.


În ceea ce privește sinterizarea reacției, dimensiunea cuptorului de sinterizare a reacției crește, de asemenea,, iar capacitatea de încărcare a unui singur cuptor crește, de asemenea,. Ultima cuptor de sinterizare de reacție de dimensiuni mari poate încărca mai mult de 40 de piese simultan, ceea ce este mult mai mare decât capacitatea de încărcare a cuptorului de reacție existentă de 4 până la 6 bucăți. Prin urmare, costul de sinterizare va scădea semnificativ.


În general, materialele ceramice din carbură de siliciu din câmpul fotovoltaic se dezvoltă în principal spre o puritate mai mare, o capacitate de transport mai puternică, o capacitate mai mare de încărcare și un cost mai mic.


Semnificația materialelor ceramice din carbură de siliciu în câmpul fotovoltaic


În prezent, nisipul de cuarț de înaltă puritate necesar pentru materialele de cuarț utilizate în câmpul fotovoltaic intern este încă în principal dependent de importuri, în timp ce cantitatea și specificațiile nisipului de cuarț de înaltă puritate exportate din țări străine în China sunt strict controlate. Oferta strânsă de materiale de nisip de cuarț de înaltă puritate nu a fost atenuată și a restricționat dezvoltarea industriei fotovoltaice. În același timp, din cauza duratei de viață scăzute a materialelor de cuarț și a daunelor ușoare care duc la perioada de oprire, dezvoltarea tehnologiei bateriei a fost grav restricționată. Prin urmare, este de o importanță deosebită pentru țara mea să scape de blocajele tehnologice străine prin efectuarea de cercetări privind înlocuirea treptată a materialelor de cuarț cu materiale ceramice din carbură de siliciu.


Într -o comparație cuprinzătoare, fie că este vorba de performanța produsului sau de costuri de utilizare, aplicarea materialelor ceramice din carbură de siliciu în domeniul celulelor solare este mai avantajoasă decât materialele de cuarț. Aplicarea materialelor ceramice din carbură de siliciu în industria fotovoltaică are un mare ajutor pentru companiile fotovoltaice pentru a reduce costul de investiții al materialelor auxiliare și pentru a îmbunătăți calitatea și competitivitatea produsului. În viitor, cu aplicarea pe scară largă de dimensiuni marituburi cuptor cu carbură de siliciu, Barcile de carbură de siliciu de înaltă puritate și suporturile pentru bărci și reducerea continuă a costurilor, aplicarea materialelor ceramice din carbură de siliciu în domeniul celulelor fotovoltaice va deveni un factor cheie în îmbunătățirea eficienței conversiei energetice ușoare și a reducerii costurilor industriei în domeniul generației de energie fotovoltaică și va avea un impact important asupra dezvoltării energiei fotovoltaice noi.


Știri similare
X
We use cookies to offer you a better browsing experience, analyze site traffic and personalize content. By using this site, you agree to our use of cookies. Privacy Policy
Reject Accept