Applicazione e ricerca della ceramica in carburo di silicio nel campo del fotovoltaico - VETEK Semiconductor

Con la crescente carenza di fonti energetiche tradizionali come petrolio e carbone, le nuove industrie energetiche, guidate dal fotovoltaico solare, si sono sviluppate rapidamente negli ultimi anni. Dagli anni '90, la capacità installata fotovoltaica mondiale è aumentata 60 volte. L'industria fotovoltaica globale è decollata sullo sfondo della trasformazione della struttura energetica e la scala del settore e il tasso di crescita della capacità installati hanno ripetutamente stabilito nuovi record. Nel 2022, la capacità installata globale fotovoltaica raggiungerà 239GW, che rappresenta 2/3 di tutte le nuove capacità di energia rinnovabile. Si stima che nel 2023 la capacità installata fotovoltaica globale sarà di 411 GW, un aumento di un anno di anno del 59%. Nonostante la continua crescita del fotovoltaico, i fotovoltaici rappresentano ancora solo il 4,5% della generazione di energia globale e il suo forte momento di crescita continuerà fino a dopo il 2024.

Ceramica in carburo di silicioAvere una buona resistenza meccanica, stabilità termica, resistenza ad alta temperatura, resistenza all'ossidazione, resistenza alle shock termiche e resistenza alla corrosione chimica e sono ampiamente utilizzati in campi caldi come metallurgia, macchinari, nuovi materiali di energia e costruzione e sostanze chimiche. Nel campo fotovoltaico, viene utilizzato principalmente nella diffusione delle cellule TopCon, LPCVD (deposizione di vapore chimico a bassa pressione),PECVD (deposizione di vapore chimico al plasma)e altri collegamenti a processo termico. Rispetto ai tradizionali materiali in quarzo, supporto per barche, barche e raccordi per tubi fatti di materiali ceramici in carburo di silicio hanno una resistenza più elevata, una migliore stabilità termica, nessuna deformazione a temperature elevate e una durata di una durata di oltre 5 volte quella dei materiali di quarzo, che possono ridurre significativamente il costo dell'uso e la perdita di energia causata da mantenimento e tempo di inattività e hanno un vantaggio ovvio dei costi.

Ⅰ Vantaggi della ceramica in carburo di silicio nel campo fotovoltaico

I principali prodotti di ceramiche in carburo di silicio nel campo delle celle fotovoltaiche includono supporti per barche in carburo di silicio, barche in carburo di silicio, tubi di fornace in carburo di silicio, imbarcazioni in carbone in carburo di silicio in carburo di silicio, ecc. Supporti e barche. Grazie ai loro ovvi vantaggi e al rapido sviluppo, sono diventati una buona scelta per i materiali di trasporto chiave nel processo di produzione delle cellule fotovoltaiche e la loro domanda di mercato sta attirando sempre più l'attenzione del settore.

La ceramica in carburo di silicio legato alla reazione (RBSC) è la ceramica in carburo di silicio più utilizzata nel campo delle celle fotovoltaiche. I suoi vantaggi sono la bassa temperatura di sinterizzazione, il basso costo di produzione e l'alta densificazione del materiale. In particolare, non vi è quasi alcuna restringimento del volume durante il processo di sinterizzazione della reazione. È particolarmente adatto per la preparazione di parti strutturali di grandi dimensioni e di forma complessa. Pertanto, è più adatto per la produzione di prodotti di grandi dimensioni e complessi come supporti per barche, piccole barche, pagaie a sbalzo, tubi da forno, ecc. Il principio di base della preparazione della ceramica RBSC è: sotto l'azione della forza del capillare, il silicio reattivo è penetrante nel ceramico che si è in elaborazione a causa del ceramico, nel ceramico, nel ceramico, nel ceramico, nel ceramico, nel ceramico, nel ceramico, nel ceramico, nel ceramico, nel ceramico, nel ceramico, nel ceramico, nel ceramica, nel ceramica, nel ceramica, nel ceramica, nel ceramica, nel ceramica, nel ceramica, nel ceramica, nel ceramica, nel ceramica, nel ceramica, nel ceramica, il blow-sago, il seme a base di carbonio che è il silicone che è stato il silicio che è stato il sagno di carbonio. Tempo, la fase secondaria β-SIC è in situ combinata con le particelle α-SIC nella polvere vuota e i pori rimanenti continuano a essere riempiti con silicio libero e infine si ottiene la densificazione dei materiali ceramici RBSC. Le varie proprietà dei prodotti in ceramica RBSC in patria e all'estero sono mostrate nella Tabella 1.

Tabella 1 Confronto delle prestazioni dei prodotti ceramici SIC sinterizzati di reazione nei principali paesi

Nel processo di fabbricazione delle celle solari fotovoltaiche, i wafer di silicio vengono posizionati su una barca e la barca viene posizionata su un supporto per la barca per diffusione, LPCVD e altri processi termici. Il paddle a sbalzo in carburo di silicio (asta) è un componente di caricamento chiave per spostare il supporto della barca che trasporta wafer di silicio dentro e fuori dal forno di riscaldamento. Come mostrato nella Figura 1, la paletta a sbalzo in carburo di silicio (asta) può garantire la concentricità del wafer di silicio e del tubo del forno, rendendo così la diffusione e la passione più uniforme. Allo stesso tempo, è privo di inquinamento e non deformata ad alte temperature, ha una buona resistenza alle shock termiche e una grande capacità di carico ed è stato ampiamente utilizzato nel campo delle celle fotovoltaiche.

Figura 1 Schema schematico dei componenti del caricamento della batteria chiave

Nel tradizionalebarca al quarzoe il porta della barca, nel processo di diffusione di atterraggio morbido, il wafer di silicio e il supporto della barca al quarzo devono essere posizionati nel tubo di quarzo nel forno di diffusione. In ogni processo di diffusione, il supporto della barca al quarzo riempito con wafer di silicio viene posizionato sulla paletta in carburo di silicio. Dopo che la paletta in carburo di silicio entrava nel tubo al quarzo, la pagaia affonda automaticamente per mettere giù il porta della barca al quarzo e il wafer di silicio, quindi corre lentamente all'origine. Dopo ogni processo, il porta della barca al quarzo deve essere rimosso dalla paletta in carburo di silicio. Tale funzionamento frequente farà conservare il supporto per la barca al quarzo per un lungo periodo di tempo. Una volta che il supporto per la barca al quarzo si rompe e si rompe, l'intero supporto per la barca al quarzo cadrà dalla paletta in carburo di silicio, quindi danneggerà le parti al quarzo, i wafer di silicio e le pagaie in carburo di silicio sotto. Le pagaie in carburo di silicio sono costose e non possono essere riparate. Una volta che si verifica un incidente, causerà enormi perdite di proprietà.

Nel processo di LPCVD, non solo si verificheranno problemi di stress termico sopra menzionato, ma poiché il processo LPCVD richiede che il gas silano passi attraverso il wafer di silicio, il processo a lungo termine formerà un rivestimento in silicio sul supporto della barca e sulla barca. A causa dell'incoerenza dei coefficienti di espansione termica del silicio rivestito e del quarzo, il supporto della barca e la barca si rompono e la durata della vita sarà seriamente ridotta. La durata delle normali barche al quarzo e dei supporti per barche nel processo LPCVD è di solito solo da 2 a 3 mesi. Pertanto, è particolarmente importante migliorare il materiale di supporto alla barca per aumentare la forza e la durata del supporto della barca per evitare tali incidenti.

Ⅱ Trend di sviluppo dei materiali ceramici in carburo di silicio nel campo fotovoltaico

Dalla 13a mostra fotovoltaica di Shanghai SNEC 2023, molte compagnie fotovoltaiche nel paese hanno iniziato a utilizzare i supporti in barca in carburo di silicio, come mostrato nella Figura 2, come Longi Green Energy Technology Co., Ltd., Jinkosolar Co., Ltd., Yida New Energy Technology Co., LTD. e altre aziende fotovoltaiche. Supporti per la barca in carburo di silicio utilizzati per l'espansione del boro, a causa della temperatura elevata dell'espansione del boro, di solito a 1000 ~ 1050 ℃, le impurità nel supporto della barca sono facili da volatilizzare ad alta temperatura per inquinare la cella della batteria, influenzando così l'efficienza di conversione della cella della batteria, quindi ci sono requisiti più elevati per la purezza del materiale della barca.

Figura 2 Supporto per la barca in carburo di silicio LPCVD e supporto per la barca in carburo di espansione del boro

Al momento, il supporto in barca utilizzato per l'espansione del boro deve essere purificato. Innanzitutto, la polvere in carburo di silicio in silicio è lavata con acido e purificata. La purezza delle materie prime in polvere in polvere in carburo di silicio di litio è necessaria per superare il 99,5%. Dopo il lavaggio dell'acido e la purificazione con acido solforico + acido idrofluorico, la purezza delle materie prime può raggiungere oltre il 99,9%. Allo stesso tempo, le impurità introdotte durante la preparazione del supporto della barca devono essere controllate. Pertanto, il porta della barca di espansione del boro è principalmente formato dalla stucca per ridurre l'uso di impurità metalliche. Il metodo di stuccatura è generalmente formato dalla sinterizzazione secondaria. Dopo la reintegrazione, la purezza del supporto della barca in carburo di silicio è migliorata in una certa misura.

Inoltre, durante il processo di sinterizzazione del porta della barca, il forno di sinterizzazione deve essere purificato in anticipo e anche il campo di calore della grafite nel forno deve essere purificato. Di solito, la purezza del supporto per la barca in carburo di silicio utilizzato per l'espansione del boro è di circa 3n.

La barca in carburo di silicio ha un futuro promettente. La barca in carburo di silicio è mostrata nella Figura 3. Indipendentemente dal processo LPCVD o dal processo di espansione del boro, la vita della barca al quarzo è relativamente bassa e il coefficiente di espansione termica del materiale di quarzo è incompatibile con quella del materiale in carburo di silicio. Pertanto, è facile avere deviazioni nel processo di abbinamento con la barca in carburo di silicio ad alta temperatura, il che porta a tremare o addirittura rottura della barca.

La barca in carburo di silicio adotta un percorso di processo di modanatura integrato e di elaborazione. I suoi requisiti di tolleranza alla forma e alla posizione sono elevati e collabora meglio con il porta della barca in carburo di silicio. Inoltre, il carburo di silicio ha un'alta resistenza e la rottura della barca causata dalla collisione umana è molto inferiore a quella della barca al quarzo. Tuttavia, a causa delle elevate requisiti di precisione della purezza e dell'elaborazione delle barche in carburo di silicio, sono ancora nella fase di verifica del piccolo lotto.

Poiché la barca in carburo di silicio è in contatto diretto con la cella della batteria, deve avere un'alta purezza anche nel processo LPCVD per evitare la contaminazione del wafer di silicio.

La più grande difficoltà delle barche in carburo di silicio risiede nella lavorazione. Come tutti sappiamo, le ceramiche in carburo di silicio sono materiali tipici e fragili che sono difficili da elaborare e i requisiti di tolleranza alla forma e alla posizione della barca sono molto severi. È difficile elaborare barche in carburo di silicio con tecnologia di elaborazione tradizionale. Al momento, la barca in carburo di silicio è per lo più elaborata dalla macinazione degli utensili diamanti, quindi vengono eseguiti i trattamenti lucidati, sottaceti e altri.

Figura 3 barca in carburo di silicio

Rispetto ai tubi del forno al quarzo, i tubi del forno in carburo di silicio hanno una buona conduttività termica, riscaldamento uniforme e buona stabilità termica e la loro durata è più di 5 volte quella dei tubi di quarzo. Il tubo del forno è il componente principale di trasferimento di calore del forno, che svolge un ruolo nella tenuta e nel trasferimento di calore uniforme. La difficoltà di produzione dei tubi del forno in carburo di silicio è molto elevata e anche il tasso di snervamento è molto basso. Innanzitutto, a causa delle enormi dimensioni del tubo del forno e dello spessore della parete di solito tra 5 e 8 mm, è molto facile deformarsi, collassare o persino crack durante il processo di formazione vuota.

Durante la sinterizzazione, a causa dell'enorme dimensione del tubo del forno, è anche difficile assicurarsi che non si deformi durante il processo di sinterizzazione. L'uniformità del contenuto di silicio è scarsa ed è facile avere non siliconizzazione locale, collasso, cracking, ecc. E il ciclo di produzione dei tubi del forno in carburo di silicio è molto lungo e il ciclo di produzione di una singola provetta da forno supera i 50 giorni. Pertanto, i tubi della fornace in carburo di silicio sono ancora nello stato di ricerca e sviluppo e non sono ancora stati prodotti in serie.

Il costo principale dei materiali ceramici in carburo di silicio utilizzati nel campo fotovoltaico derivano da materie prime in polvere in carburo di silicio di alta purezza, silicio policristallino di alta purezza e costi di sinterizzazione delle reazioni.

Con il continuo sviluppo della tecnologia di purificazione delle polveri in carburo di silicio, la purezza della polvere di carburo di silicio continua ad aumentare attraverso la separazione magnetica, il palassino e altre tecnologie e il contenuto di impurità diminuisce gradualmente dall'1% allo 0,1%. Con il continuo aumento della capacità di produzione in polvere in carburo di silicio, anche il costo della polvere di carburo di silicio ad alta purezza sta diminuendo.

Dalla seconda metà del 2020, le società di Polysilicon hanno successivamente annunciato espansioni. Attualmente, nel 2023 esistono più di 17 società di produzione di polisilicon nazionali e la produzione annuale superi 1,45 milioni di tonnellate nel 2023. L'eccessiva capacità di Polysilicon ha portato a un continuo calo dei prezzi, che a sua volta ha ridotto il costo della ceramica in carburo di silicio.

In termini di sinterizzazione di reazione, anche la dimensione del forno di sinterizzazione di reazione è in aumento e anche la capacità di carico di un singolo forno è in aumento. L'ultima fornace di sinterizzazione di reazione di grandi dimensioni può caricare più di 40 pezzi alla volta, che è molto più grande della capacità di caricamento del forno di sinterizzazione di reazione esistente da 4 a 6 pezzi. Pertanto, anche il costo di sinterizzazione diminuirà in modo significativo.

Nel complesso, i materiali ceramici in carburo di silicio nel campo fotovoltaico si stanno sviluppando principalmente verso una maggiore purezza, una capacità di carico più forte, una maggiore capacità di carico e un costo inferiore.

Ⅲ Il significato dei materiali ceramici in carburo di silicio nel campo fotovoltaico

Allo stato attuale, la sabbia di quarzo ad alta purezza richiesta per i materiali al quarzo utilizzati nel campo fotovoltaico domestico dipende principalmente dalle importazioni, mentre la quantità e le specifiche della sabbia al quarzo ad alta purezza esportate da paesi stranieri alla Cina sono rigorosamente controllate. La stretta offerta di materiali di sabbia al quarzo ad alta purezza non è stato alleviato e ha limitato lo sviluppo dell'industria fotovoltaica. Allo stesso tempo, a causa della bassa durata dei materiali al quarzo e dei facili danni che portano a tempi di inattività, lo sviluppo della tecnologia della batteria è stato seriamente limitato. Pertanto, è di grande significato per il mio paese sbarazzarsi dei blocchi tecnologici stranieri conducendo ricerche sulla graduale sostituzione di materiali al quarzo con materiali ceramici in carburo di silicio.

In un confronto completo, che si tratti di prestazioni del prodotto o di utilizzo, l'applicazione di materiali ceramici in carburo di silicio nel campo delle celle solari è più vantaggiosa dei materiali di quarzo. L'applicazione di materiali ceramici in carburo di silicio nell'industria fotovoltaica ha un grande aiuto per le aziende fotovoltaiche per ridurre il costo di investimento dei materiali ausiliari e migliorare la qualità e la competitività del prodotto. In futuro, con l'applicazione su larga scala di grandi dimensionitubi fornace in carburo di silicio, imbarcazioni in carburo di silicio di alta purezza e supporti per barche e la continua riduzione dei costi, l'applicazione di materiali ceramici in carburo di silicio nel campo delle cellule fotovoltaiche diventerà un fattore chiave per migliorare l'efficienza della conversione dell'energia della luce e ridurre i costi del settore nel campo della generazione di energia fotovoltaica.