Aplicação e pesquisa da cerâmica de carboneto de silício no campo da fotovoltaica - vetek semicondutor

Com a crescente escassez de fontes de energia tradicionais, como petróleo e carvão, novas indústrias de energia, lideradas pela Solar Photovoltaics, se desenvolveram rapidamente nos últimos anos. Desde os anos 90, a capacidade instalada fotovoltaica do mundo aumentou 60 vezes. A indústria fotovoltaica global decolou no contexto da transformação da estrutura energética, e a escala da indústria e a taxa de crescimento da capacidade instalada estabeleceu repetidamente novos registros. Em 2022, a capacidade instalada fotovoltaica global atingirá 239GW, representando 2/3 de toda a nova capacidade de energia renovável. Estima-se que, em 2023, a capacidade instalada da fotovoltaica global será de 411GW, um aumento de 59%ano a ano. Apesar do crescimento contínuo da fotovoltaica, a fotovoltaica ainda representa apenas 4,5% da geração global de energia, e seu forte momento de crescimento continuará até depois de 2024.

Cerâmica de carboneto de silíciotêm boa resistência mecânica, estabilidade térmica, resistência à alta temperatura, resistência a oxidação, resistência ao choque térmico e resistência à corrosão química e são amplamente utilizadas em campos quentes, como metalurgia, máquinas, novas energia e materiais de construção e produtos químicos. No campo fotovoltaico, é usado principalmente na difusão de células topcon, LPCVD (deposição de vapor químico de baixa pressão),PECVD (deposição de vapor químico plasmático)e outros links de processo térmico. Em comparação com os materiais tradicionais de quartzo, os suportes de barcos, barcos e acessórios de tubulação feitos de materiais de cerâmica de carboneto de silício têm maior resistência, melhor estabilidade térmica, sem deformação a altas temperaturas e uma vida útil de mais de 5 vezes a dos materiais de quartzo, o que pode reduzir significativamente o custo de uso e a perda de energia causada por tempo de manutenção e tempo de redução e tempo de redução e tem tempo de quartzo, e têm um número de custo.

Ⅰ Vantagens da cerâmica de carboneto de silício no campo fotovoltaico

Os principais produtos da cerâmica de carboneto de silício no campo celular fotovoltaico incluem suportes de barco de carboneto de silício, barcos de carboneto de silício, tubos de forno de carboneto de silício, pás de cantilever de cantilever de carboneto de silício, barbas de carbido de silício suportes de barbado de silício, etc. barcos. Devido às suas vantagens óbvias e ao rápido desenvolvimento, eles se tornaram uma boa opção para materiais de transportadora -chave no processo de produção de células fotovoltaicas, e sua demanda de mercado está cada vez mais atraindo a atenção da indústria.

A cerâmica de carboneto de silício ligado à reação (RBSC) é a cerâmica de carboneto de silício mais amplamente utilizada no campo de células fotovoltaicas. Suas vantagens são baixa temperatura de sinterização, baixo custo de produção e alta densificação de material. Em particular, quase não há encolhimento de volume durante o processo de sinterização da reação. É particularmente adequado para a preparação de peças estruturais de grande e formato complexo. 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 A fase secundária β-SIC é in situ combinada com as partículas α-SIC no pó em branco, e os demais poros continuam sendo preenchidos com silício livre e, finalmente, a densificação dos materiais de cerâmica RBSC é alcançada. As várias propriedades dos produtos de cerâmica RBSC em casa e no exterior são mostrados na Tabela 1.

Tabela 1 Comparação do desempenho da reação Sinted SiC Ceramic Products nos principais países

No processo de fabricação de células fotovoltaicas solares, as bolachas de silício são colocadas em um barco e o barco é colocado em um suporte de barco para difusão, LPCVD e outros processos térmicos. O Silicon Carbide Cantilever Paddle (haste) é um componente de carregamento chave para mover o suporte do barco que carrega as bolachas de silício para dentro e para fora do forno de aquecimento. Como mostrado na Figura 1, a pá de cantilever de carboneto de silício (haste) pode garantir a concenticidade da bolacha de silício e do tubo do forno, tornando a difusão e passivação mais uniformes. Ao mesmo tempo, é livre de poluição e não deformado a altas temperaturas, possui boa resistência ao choque térmico e grande capacidade de carga e tem sido amplamente utilizada no campo das células fotovoltaicas.

Figura 1 Diagrama esquemático dos principais componentes de carregamento da bateria

No tradicionalbarco de quartzoe o suporte do barco, no processo de difusão de pouso suave, a bolacha de silício e o suporte do barco de quartzo precisam ser colocados no tubo de quartzo no forno de difusão. Em cada processo de difusão, o suporte do barco de quartzo cheio de bolachas de silício é colocado na raquete de carboneto de silício. Depois que a raquete de carboneto de silício entra no tubo de quartzo, o paddle afunda automaticamente para abaixar o suporte do barco de quartzo e a bolacha de silício e depois corre de volta lentamente à origem. Após cada processo, o suporte do barco de quartzo precisa ser removido da raquete de carboneto de silício. Essa operação frequente fará com que o suporte de barcos de quartzo se desgaste por um longo período de tempo. Depois que o barco de quartzo suporta rachaduras e quebras, todo o suporte de barco de quartzo cairá da raquete do carboneto de silício e danificará as peças de quartzo, as bolachas de silício e os remos de carboneto de silício abaixo. As pás de carboneto de silício são caras e não podem ser reparadas. Uma vez que ocorre um acidente, causará enormes perdas de propriedades.

No processo de LPCVD, não apenas os problemas de estresse térmico acima mencionados ocorrerão, mas como o processo LPCVD exige que o gás de silano passe pela bolacha de silício, o processo de longo prazo formará um revestimento de silício no suporte do barco e no barco. Devido à inconsistência dos coeficientes de expansão térmica do silício e quartzo revestidos, o suporte do barco e o barco quebrarão, e a vida útil será seriamente reduzida. A vida útil dos barcos e barcos de quartzo comuns no processo LPCVD geralmente é de apenas 2 a 3 meses. Portanto, é particularmente importante melhorar o material de suporte do barco para aumentar a força e a vida útil do apoio do barco para evitar tais acidentes.

Ⅱ Tendência de desenvolvimento de materiais de cerâmica de carboneto de silício no campo fotovoltaico

Da 13ª Exposição Fotovoltaica de Xangai, SNEC 2023, muitas empresas fotovoltaicas do país começaram a usar suportes de barbo de carboneto de silício, como mostra a Figura 2, como Longi Green Energy Technology Co., Ltd., Ltd. e outros fhotvololtic Co., Ltd., Yida New Energy Technology Co., Ltd. e outros fofógrafos. Os suportes de barcos de carboneto de silício utilizados para expansão de boro, devido à alta temperatura de uso da expansão do boro, geralmente a 1000 ~ 1050 ℃, as impurezas no suporte do barco são fáceis de se volatilizar em alta temperatura para poluir a célula da bateria, afetando assim a eficiência da conversão da célula da bateria;

Figura 2 LPCVD Silicone Carbone

Atualmente, o suporte de barco usado para expansão de boro precisa ser purificado. Primeiro, o pó de carboneto de silício de matéria-prima é lavado com ácido e purificado. É necessário que a pureza das matérias-primas de pó de carboneto de silício de lítio de lítio esteja acima de 99,5%. Após lavagem de ácido e purificação com ácido sulfúrico + ácido hidrofluórico, a pureza das matérias -primas pode atingir acima de 99,9%. Ao mesmo tempo, as impurezas introduzidas durante a preparação do suporte do barco devem ser controladas. Portanto, o suporte do barco de expansão de boro é formado principalmente pela rejuntamento para reduzir o uso de impurezas de metal. O método de rejunte é geralmente formado por sinterização secundária. Após novamente, a pureza do suporte do barco de carboneto de silício é melhorada até certo ponto.

Além disso, durante o processo de sinterização do suporte do barco, o forno de sinterização deve ser purificado com antecedência e o campo de calor de grafite no forno também precisa ser purificado. Geralmente, a pureza do suporte do barco de carboneto de silício usado para a expansão do boro é de cerca de 3N.

O barco de carboneto de silício tem um futuro promissor. O barco de carboneto de silício é mostrado na Figura 3. Independentemente do processo de LPCVD ou do processo de expansão de boro, a vida útil do barco de quartzo é relativamente baixa e o coeficiente de expansão térmica do material de quartzo é inconsistente com o do material de carbido de silício. Portanto, é fácil ter desvios no processo de combinação com o barco de carboneto de silício a alta temperatura, o que leva ao tremor ou até mesmo à quebra do barco.

O barco de carboneto de silício adota uma rota integrada de moldagem e processamento geral. Seus requisitos de tolerância de forma e posição são altos e cooperam melhor com o suporte do barco de carboneto de silício. Além disso, o carboneto de silício tem alta resistência, e a quebra do barco causada pela colisão humana é muito menor que a do barco de quartzo. No entanto, devido aos requisitos de precisão de alta pureza e processamento dos barcos de carboneto de silício, eles ainda estão no estágio de verificação de pequenos lote.

Como o barco de carboneto de silício está em contato direto com a célula da bateria, ele deve ter uma alta pureza, mesmo no processo de LPCVD para evitar a contaminação da bolacha de silício.

A maior dificuldade de barcos de carboneto de silício está na usinagem. Como todos sabemos, a cerâmica de carboneto de silício são materiais típicos e quebradiços que são difíceis de processar, e os requisitos de tolerância de forma e posição do barco são muito rigorosos. É difícil processar barcos de carboneto de silício com tecnologia de processamento tradicional. Atualmente, o barco de carboneto de silício é processado principalmente por moagem de ferramentas de diamante e, em seguida, são realizados tratamentos polidos, em conserva e outros tratamentos.

Figura 3 barco de carboneto de silício

Comparado aos tubos de forno de quartzo, os tubos de forno de carboneto de silício têm boa condutividade térmica, aquecimento uniforme e boa estabilidade térmica, e sua vida útil é mais de 5 vezes a dos tubos de quartzo. O tubo do forno é o principal componente de transferência de calor do forno, que desempenha um papel na seleração e na transferência de calor uniforme. A dificuldade de fabricação dos tubos do forno de carboneto de silício é muito alta e a taxa de rendimento também é muito baixa. Primeiro, devido ao enorme tamanho do tubo do forno e à espessura da parede geralmente entre 5 e 8 mm, é muito fácil se deformar, colapsar ou até rachadura durante o processo de formação em branco.

Durante a sinterização, devido ao enorme tamanho do tubo do forno, também é difícil garantir que ele não se deforme durante o processo de sinterização. A uniformidade do teor de silício é ruim e é fácil ter não-siliconização local, colapso, rachaduras etc., e o ciclo de produção dos tubos do forno de carboneto de silício é muito longo, e o ciclo de produção de um único tubo de forno excede 50 dias. Portanto, os tubos do forno de carboneto de silício ainda estão no estado de pesquisa e desenvolvimento e ainda não foram produzidos em massa.

O principal custo dos materiais de cerâmica de carboneto de silício usado no campo fotovoltaico vem de matérias-primas de pó de carboneto de silício de alta pureza, silício de policristalina de alta pureza e custos de sinterização da reação.

Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de purificação em pó de carboneto de silício, a pureza do pó de carboneto de silício continua aumentando através da separação magnética, decapagem e outras tecnologias, e o conteúdo de impureza diminui gradualmente de 1% para 0,1%. Com o aumento contínuo da capacidade de produção de pó de carboneto de silício, o custo do pó de carboneto de silício de alta pureza também está diminuindo.

Desde a segunda metade de 2020, as empresas de polissilício anunciaram sucessivamente expansões. Atualmente, existem mais de 17 empresas domésticas de produção de polissilício, e a produção anual é estimada em exceder 1,45 milhão de toneladas em 2023. A capacidade excessiva do polissilício levou a um declínio contínuo nos preços, o que, por sua vez, reduziu o custo da cerâmica de carboneto de silício.

Em termos de sinterização da reação, o tamanho do forno de sinterização da reação também está aumentando e a capacidade de carregamento de um único forno também está aumentando. O mais recente forno de sinterização de reação de tamanho grande pode carregar mais de 40 peças de cada vez, o que é muito maior que a capacidade de carregamento do forno de sinterização da reação existente de 4 a 6 peças. Portanto, o custo de sinterização também cairá significativamente.

No geral, os materiais de cerâmica de carboneto de silício no campo fotovoltaico estão se desenvolvendo principalmente para maior pureza, capacidade de carga mais forte, maior capacidade de carga e menor custo.

Ⅲ O significado dos materiais de cerâmica de carboneto de silício no campo fotovoltaico

Atualmente, a areia de quartzo de alta pureza necessária para materiais de quartzo usada no campo fotovoltaico doméstico ainda depende principalmente de importações, enquanto a quantidade e as especificações da areia de quartzo de alta pureza exportadas de países estrangeiros para a China são estritamente controlados. O suprimento rígido de materiais de areia de quartzo de alta pureza não foi aliviado e restringiu o desenvolvimento da indústria fotovoltaica. Ao mesmo tempo, devido à baixa vida útil dos materiais de quartzo e aos danos fáceis que levam ao tempo de inatividade, o desenvolvimento da tecnologia de baterias foi seriamente restrito. Portanto, é de grande importância que meu país se livre de bloqueios tecnológicos estrangeiros, realizando pesquisas sobre a substituição gradual de materiais de quartzo com materiais de cerâmica de carboneto de silício.

Em uma comparação abrangente, seja o desempenho do produto ou o custo do produto, a aplicação de materiais de cerâmica de carboneto de silício no campo das células solares é mais vantajoso que os materiais de quartzo. A aplicação de materiais de cerâmica de carboneto de silício na indústria fotovoltaica tem grande ajuda para as empresas fotovoltaicas reduzirem o custo de investimento de materiais auxiliares e melhorar a qualidade e a competitividade do produto. No futuro, com a aplicação em larga escala de grande portetubos de forno de carboneto de silícioOs barcos e os barcos de carboneto de silício de alta pureza e os suportes de barcos e a redução contínua dos custos, a aplicação de materiais cerâmicos de carboneto de silício no campo das células fotovoltaicas, se tornará um fator-chave para melhorar a eficiência da conversão de energia luminosa e reduzir os custos da indústria no campo de energia fotovoltaica e terá um impacto importante no desenvolvimento do desenvolvimento da fotovoltaica.