Anwendung und Forschung von Siliziumkarbidkeramik im Bereich der Photovoltaik - Vetek -Halbleiter

Mit dem zunehmenden Mangel an traditionellen Energiequellen wie Öl und Kohle haben sich in den letzten Jahren die neue Energieindustrie unter der Leitung von Solarphotovoltaiken entwickelt. Seit den 1990er Jahren hat die weltweit installierte Kapazität der Photovoltaik 60 Mal zugenommen. Die globale Photovoltaikindustrie hat vor dem Hintergrund der Energiestrukturtransformation gestartet, und die Branchenskala und die installierte Kapazitätswachstumsrate haben wiederholt neue Datensätze aufgestellt. Im Jahr 2022 erreicht die globale Kapazität von Photovoltaik 239 GW und berücksichtigt 2/3 aller neuen Kapazitäten für erneuerbare Energien. Es wird geschätzt, dass die globale installierte Kapazität von weltweiten Photovoltaik im Jahr 2023 411 GW beträgt, ein Anstieg von 59%gegenüber dem Vorjahr. Trotz des fortgesetzten Wachstums der Photovoltaik machen die Photovoltaik immer noch 4,5% der globalen Stromerzeugung aus, und sein starker Wachstumsimpuls wird bis nach 2024 fortgesetzt.

Siliziumkarbidkeramikeine gute mechanische Festigkeit, die thermische Stabilität, eine hohe Temperaturbeständigkeit, die Oxidationsresistenz, die thermische Schockresistenz und die chemische Korrosionsbeständigkeit aufweisen und in heißen Feldern wie Metallurgie, Maschinen, neuen Energie- und Baumaterialien und Chemikalien häufig verwendet werden. Im Photovoltaikfeld wird es hauptsächlich bei der Diffusion von Topcon -Zellen LPCVD (chemische Dampfabscheidung mit niedrigem Druck) verwendet.PECVD (Plasma Chemische Dampfabscheidung)und andere thermische Prozessverbindungen. Im Vergleich zu herkömmlichen Quarzmaterialien haben Bootsstützen, Boote und Rohrbeschläge aus Siliziumkarbidkeramikmaterialien eine höhere Festigkeit, eine bessere thermische Stabilität, keine Verformung bei hohen Temperaturen und eine Lebensdauer von mehr als das Fünffache von Quarzmaterialien, was die Nutzungskosten und den Verlust der Energieverlust und den Verstandsabfall erheblich reduzieren kann, und offensichtliche Kostenvoranschläge.

Ⅰ Vorteile von Siliziumkarbidkeramik im Photovoltaikfeld

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 Boote. Aufgrund ihrer offensichtlichen Vorteile und ihrer schnellen Entwicklung sind sie zu einer guten Wahl für wichtige Trägermaterialien im Produktionsprozess von Photovoltaikzellen geworden, und ihre Marktnachfrage zieht zunehmend die Aufmerksamkeit der Branche auf sich.

Reaktionsklinik -Carbid (RBSC) -Keramik sind die am häufigsten verwendete Siliziumcarbidkeramik auf dem Gebiet der Photovoltaikzellen. Die Vorteile sind niedrige Sintertemperaturen, niedrige Produktionskosten und hohe Materialverdichtung. Insbesondere gibt es während des Reaktionssinternprozesses fast kein Volumenschrumpfung. Es ist besonders für die Herstellung von großgrößten und komplexförmigen Strukturteilen geeignet. 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 secondary Phase-β-SIC ist in situ kombiniert mit den α-Sic-Partikeln im Blindpulver, und die verbleibenden Poren werden weiterhin mit freiem Silizium gefüllt, und schließlich wird die Verdichtung von RBSC-Keramikmaterialien erreicht. Die verschiedenen Eigenschaften von RBSC -Keramikprodukten im In- und Ausland sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1 Vergleich der Leistung der Reaktion gesinterte SIC -Keramikprodukte in großen Ländern

Im Herstellungsprozess von Solarphotovoltaikzellen werden Siliziumwafer auf ein Boot gestellt und das Boot zur Diffusion, LPCVD und anderen thermischen Prozessen auf einen Bootshalter gelegt. Das Silizium -Carbid -Cantilever -Paddel (Stab) ist eine wichtige Lastkomponente, um den Boothalter mit Siliziumwafern in den Heizofen zu bewegen. Wie in Abbildung 1 gezeigt, kann das Silizium -Carbid -Cantilever -Paddel (Stab) die Konzentrik des Siliziumwafers und des Ofenrohrs sicherstellen, wodurch die Diffusion und Passivierung gleichmäßiger wird. Gleichzeitig ist es umweltfreundlich und bei hohen Temperaturen nicht verformt, hat eine gute thermische Stoßwiderstand und große Belastungskapazität und wurde im Bereich der Photovoltaikzellen weit verbreitet.

Abbildung 1 schematisches Diagramm der wichtigsten Komponenten der Batteriebelastung

Im traditionellenQuarzbootund Bootshalter, im weichen Landungsdiffusionsprozess müssen der Siliziumwafer und der Quarzboothalter im Quarzrohr im Diffusionsofen gestellt werden. In jedem Diffusionsprozess wird der mit Siliziumwafern gefüllte Quarzboothalter auf das Siliziumkohlenhydrat -Paddel platziert. Nachdem das Silizium -Carbid -Paddel in das Quarzrohr gelangt, sinkt das Paddel automatisch, um den Quarzboothalter und den Siliziumwafer abzulegen, und rennt dann langsam zum Ursprung zurück. Nach jedem Vorgang muss der Quarzboothalter aus dem Silizium -Carbid -Paddel entfernt werden. Ein solcher häufiger Betrieb führt dazu, dass die Quarzbootunterstützung über einen langen Zeitraum abnimmt. Sobald die Quarzbootstrecke geknackt und bricht, fällt die gesamte Quarzbootstrecke vom Siliziumkarbid -Paddel aus und beschädigt dann die Quarzteile, Siliziumwafer und Siliziumkarbidpaddel darunter. Siliziumkarbidpaddel sind teuer und können nicht repariert werden. Sobald ein Unfall auftritt, verursacht er enorme Immobilienverluste.

Im LPCVD-Verfahren treten nicht nur die oben genannten thermischen Spannungsprobleme auf, sondern da das LPCVD-Verfahren erforderlich ist, um durch den Siliziumwafer zu gelangen, bildet der langfristige Prozess eine Siliziumbeschichtung auf der Bootsunterstützung und des Bootes. Aufgrund der Inkonsistenz der thermischen Expansionskoeffizienten des beschichteten Siliziums und des Quarzes wird die Bootsstütze und das Boot knacken, und die Lebensdauer wird ernsthaft reduziert. Die Lebensdauer der gewöhnlichen Quarzboote und des Bootsbetriebs im LPCVD -Prozess beträgt normalerweise nur 2 bis 3 Monate. Daher ist es besonders wichtig, das Bootsunterstützungsmaterial zu verbessern, um die Stärke und Lebensdauer der Bootsunterstützung zu erhöhen, um solche Unfälle zu vermeiden.

Ⅱ Entwicklungstrend von Siliziumkarbidkeramikmaterialien im Photovoltaikfeld

Aus der 13. Shanghai Photovoltaic -Ausstellung SNEC 2023 haben viele Photovoltaikunternehmen im Land begonnen, Silizium -Carbid -Bootsunterstützung zu verwenden, wie in Abbildung 2 gezeigt, wie Longi Green Energy Technology Co., Ltd., Jinkosarte Co., Ltd., Yida New Energy Technology Co., Ltd. und andere Leitfirmen der Photovolten. Silizium -Carbid -Bootsstützen für die Borerweiterung aufgrund der hohen Nutzungstemperatur der Borerweiterung, normalerweise bei 1000 ~ 1050 ℃, sind die Verunreinigungen der Bootsunterstützung bei hoher Temperatur leicht zu volatilisieren, um die Batteriezelle zu verschmutzen, wodurch die Umwandlungseffizienz der Batteriezelle beeinträchtigt wird. Es gibt eine höhere Anforderungen für die Reinheit des Bootsunterstützungsmateriales.

Abbildung 2 LPCVD Silicon Carbid -Bootsunterstützung und Bor Expansion Silicon Carbid -Bootshalterung

Gegenwärtig muss die für die Borerweiterung verwendete Bootsunterstützung gereinigt werden. Erstens ist das Rohstoff-Siliziumcarbidpulver säurerwaschen und gereinigt. Die Reinheit von Rohstoffen von Lithium-Silizium-Carbidpulver muss über 99,5%liegen. Nach der Säurewäsche und Reinigung mit Schwefelsäure + Hydrofluorsäure kann die Reinheit der Rohstoffe über 99,9%erreichen. Gleichzeitig müssen die während der Vorbereitung der Bootsunterstützung eingeführten Verunreinigungen kontrolliert werden. Daher wird der Bor -Expansionsboothalter hauptsächlich durch Verfugen gebildet, um die Verwendung von Metallverunreinigungen zu verringern. Die Verpackungsmethode wird normalerweise durch sekundäres Sintern gebildet. Nach dem Wiederversetzen wird die Reinheit des Silizium-Carbid-Bootshalters bis zu einem gewissen Grad verbessert.

Darüber hinaus muss während des Sinterprozesses des Bootsinhabers der Sinterofen im Voraus gereinigt werden und das Graphit -Wärmefeld im Ofen ebenfalls gereinigt werden. Normalerweise beträgt die Reinheit des für die Borerweiterung verwendeten Silizium -Carbid -Bootshalters etwa 3n.

Das Silizium -Carbide -Boot hat eine vielversprechende Zukunft. Das Silizium -Carbid -Boot ist in Abbildung 3 dargestellt. Unabhängig vom LPCVD -Prozess oder des Borerweiterungsprozesses ist die Lebensdauer des Quarzboots relativ niedrig, und der thermische Expansionskoeffizient des Quarzmaterials ist nicht mit dem des Silizium -Carbid -Materials inkonsistent. Daher ist es leicht, Abweichungen im Zusammenhang mit dem Silizium -Carbid -Boot bei hoher Temperatur zu haben, was zum Schütteln oder sogar zum Brechen des Bootes führt.

Das Silizium -Carbid -Boot nimmt eine integrierte Route für Form- und Gesamtverarbeitungsprozess an. Seine Form und Positionstoleranzanforderungen sind hoch und kooperiert besser mit dem Silizium -Carbid -Bootshalter. Darüber hinaus hat Siliziumkarbid eine hohe Stärke und der durch menschliche Kollision verursachte Bootsbrüche ist viel geringer als das des Quarzboots. Aufgrund der hohen Reinheit und der Verarbeitung der Präzisionsanforderungen von Siliziumcarbidbooten befinden sie sich jedoch noch in der kleinen Batch -Überprüfungsphase.

Da das Silizium -Carbid -Boot in direktem Kontakt mit der Batteriezelle ist, muss es auch im LPCVD -Verfahren eine hohe Reinheit aufweisen, um eine Kontamination des Siliziumwafers zu verhindern.

Die größte Schwierigkeit von Siliziumcarbidbooten liegt in der Bearbeitung. Wie wir alle wissen, sind Siliziumkarbidkeramik typische harte und spröde Materialien, die schwer zu bearbeiten sind, und die Form- und Positions -Toleranzanforderungen des Bootes sind sehr streng. Es ist schwierig, Siliziumcarbidboote mit herkömmlicher Verarbeitungstechnologie zu verarbeiten. Gegenwärtig wird das Silizium -Carbid -Boot hauptsächlich mit dem Diamant -Werkzeugschleifen verarbeitet und dann poliert, eingelegt und andere Behandlungen durchgeführt.

Abbildung 3 Silizium -Carbidboot

Im Vergleich zu Quarzofenröhrchen haben Siliziumkarbidofenofenröhrchen eine gute thermische Leitfähigkeit, eine gleichmäßige Erwärmung und eine gute thermische Stabilität, und ihre Lebensdauer beträgt mehr als das Fünffache der Quarzrohre. Das Ofenrohr ist die wichtigste Wärmeübertragungskomponente des Ofens, die eine Rolle bei der Versiegelung und der gleichmäßigen Wärmeübertragung spielt. Die Herstellungsschwierigkeit von Siliziumkarbidofenofenröhrchen ist sehr hoch und die Streckgrenze ist ebenfalls sehr niedrig. Erstens ist es aufgrund der enormen Größe des Ofenrohrs und der Wandstärke zwischen 5 und 8 mm während der Blindformung sehr einfach, zu verformen, zu kollabieren oder sogar zu knacken.

Während des Sinterns ist es aufgrund der enormen Größe des Ofenrohrs auch schwierig sicherzustellen, dass es während des Sinterprozesses nicht verformt. Die Gleichmäßigkeit des Siliziumgehalts ist schlecht und es ist leicht, lokale Nicht-Silikonisierung, Kollaps, Risse usw. zu haben, und der Produktionszyklus von Silizium-Carbid-Ofenröhrchen ist sehr lang, und der Produktionszyklus eines einzelnen Ofenrohrs überschreitet 50 Tage. Daher befinden sich Siliziumkarbidofenofenröhrchen noch im Forschungs- und Entwicklungszustand und wurden noch nicht in Massenproduktion hergestellt.

Die Hauptkosten für im Photovoltaikgebiet verwendete Siliziumkarbid-Keramikmaterial stammen aus hochpurigen Siliziumcarbidpulver-Rohstoffen, hoher purity polykristallinem Silizium und Reaktionssinternkosten.

Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Siliziumcarbidpulver -Reinigungstechnologie nimmt die Reinheit von Siliziumkarbidpulver durch magnetische Trennung, Wickeln und andere Technologien weiter zu, und der Verunreinigungsgehalt nimmt allmählich von 1% auf 0,1% ab. Mit dem kontinuierlichen Anstieg der Siliziumkarbidpulverproduktionskapazität nehmen auch die Kosten für hochpurige Siliziumkarbidpulver ab.

Seit der zweiten Hälfte von 2020 haben Polysilicon -Unternehmen nacheinander Expansionen angekündigt. Derzeit gibt es mehr als 17 inländische Produktionsunternehmen inländischer Polysilicon -Produktion, und die jährliche Produktion wird im Jahr 2023 geschätzt.

In Bezug auf das Reaktionssintern nimmt auch die Größe des Reaktionssinterofens zu und die Ladekapazität eines einzelnen Ofens nimmt ebenfalls zu. Der neueste Sinterofen mit großer Größe kann mehr als 40 Teile gleichzeitig laden, was viel größer ist als die vorhandene Reaktionssinternofenladungskapazität von 4 bis 6 Teilen. Daher werden auch die Sinternkosten erheblich sinken.

Insgesamt entwickeln sich Siliziumkarbidkeramikmaterialien im Photovoltaikfeld hauptsächlich in Richtung höherer Reinheit, stärkerer Tragfähigkeit, höherer Belastungskapazität und niedrigeren Kosten.

Ⅲ Die Bedeutung von Siliziumkarbid -Keramikmaterialien im Photovoltaikfeld

Gegenwärtig ist der für Quarzmaterial, das im häuslichen Photovoltaikgebiet verwendete Quarzsand erforderlich ist, immer noch hauptsächlich von den Importen abhängig, während die Menge und Spezifikationen von hochpurigen Quarzsand aus dem Ausland nach China streng kontrolliert werden. Die enge Versorgung mit hochreinem Quarzsandmaterial wurde nicht gelindert und hat die Entwicklung der Photovoltaikindustrie eingeschränkt. Gleichzeitig wurde aufgrund der niedrigen Lebensdauer von Quarzmaterialien und leicht zu Ausfallzeiten die Entwicklung der Batterie -Technologie ernsthaft eingeschränkt. Daher ist es für mein Land von großer Bedeutung, ausländische technologische Blockaden zu beseitigen, indem er Forschungen zum allmählichen Austausch von Quarzmaterialien durch Silizium -Carbid -Keramikmaterialien durchführt.

In einem umfassenden Vergleich, unabhängig davon, ob es sich um Produktleistung oder Verwendung handelt, ist die Anwendung von Siliziumkarbid -Keramikmaterialien auf dem Gebiet der Solarzellen vorteilhafter als Quarzmaterialien. Die Anwendung von Siliciumcarbid -Keramikmaterialien in der Photovoltaikindustrie hat für Photovoltaikunternehmen große Hilfe, um die Investitionskosten für Hilfsmaterialien zu senken und die Produktqualität und -wettbewerbsfähigkeit zu verbessern. In Zukunft mit der groß angelegten Anwendung von großer GrößeSiliziumkarbidofenofenröhrchen, hohe Purity-Silizium-Carbid-Boote und -boote und die kontinuierliche Reduzierung der Kosten, die Anwendung von Siliziumcarbid-Keramikmaterialien auf dem Gebiet der Photovoltaikzellen wird zu einem Schlüsselfaktor für die Verbesserung der Effizienz der Lichtergieumwandlung und zur Reduzierung der Kosten der Branchenkosten auf dem Gebiet der Photovoltaic-Stromerzeugung.