تطبيق وبحوث السيراميك كربيد السيليكون في مجال الخلايا الكهروضوئية - أشباه الموصلات النقش

مع زيادة النقص في مصادر الطاقة التقليدية مثل النفط والفحم ، تطورت صناعات الطاقة الجديدة ، بقيادة الألواح الكهروضوئية الشمسية ، بسرعة في السنوات الأخيرة. منذ التسعينيات ، زادت القدرة المثبتة الكهروضوئية في العالم 60 مرة. لقد انطلقت صناعة الكهروضوئية العالمية على خلفية تحويل هيكل الطاقة ، وقد حدد حجم الصناعة ومعدل نمو السعة المثبت مرارًا وتكرارًا سجلات جديدة. في عام 2022 ، ستصل السعة المثبتة الكهروضوئية العالمية إلى 239 جيجاوات ، وهو ما يمثل 2/3 من جميع سعة الطاقة المتجددة الجديدة. تشير التقديرات إلى أنه في عام 2023 ، ستكون السعة المثبتة الكهروضوئية العالمية 411GW ، وهي زيادة على أساس سنوي قدرها 59 ٪. على الرغم من النمو المستمر للألعاب الضوئية ، لا يزال الخلايا الكهروضوئية لا يمثل سوى 4.5 ٪ من توليد الطاقة العالمي ، وسيستمر زخم النمو القوي حتى بعد عام 2024.

السيراميك سيليكون كربيدلديك قوة ميكانيكية جيدة ، والاستقرار الحراري ، ومقاومة درجة الحرارة العالية ، ومقاومة الأكسدة ، ومقاومة الصدمة الحرارية ، ومقاومة التآكل الكيميائي ، وتستخدم على نطاق واسع في الحقول الساخنة مثل المعادن والآلات والطاقة الجديدة والمواد الكيميائية. في الحقل الضوئي ، يتم استخدامه بشكل رئيسي في نشر خلايا Topcon ، LPCVD (ترسب بخار كيميائي منخفض الضغط) ،PECVD (ترسيب البخار الكيميائي للبلازما)وروابط العملية الحرارية الأخرى. بالمقارنة مع مواد الكوارتز التقليدية ، فإن دعم القوارب ، والقوارب ، وتجهيزات الأنابيب المصنوعة من مواد السيراميك السيليكون لها قوة أعلى ، واستقرار حراري أفضل ، ولا تشوه في درجات حرارة عالية ، وعمر أكثر من 5 أضعاف مواد الكوارتز ، والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من تكلفة الاستخدام وفقدان الطاقة الناتجة عن الصيانة ووقت الترحيل ، وتكلفة مناسبة.

Ⅰ مزايا السيراميك كربيد السيليكون في الحقل الكهروضوئي

تشمل المنتجات الرئيسية لسيراميك كربيد السيليكون في حقل الخلايا الكهروضوئية دعامات قوارب كربيد السيليكون ، وقوارب كربيد السيليكون ، وأنابيب فرن كربيد السيليكون ، ومواد الكابينة من السيليكون ، ودعم كاربيد سيليكون قوارب القوارب السيليكون ، ودعم القوارب السيليكون ، ودعم القوارب السيليكون القوارب القوارب القوارب السيليكونة ، قوارب. نظرًا لمزاياه الواضحة والتطور السريع ، فقد أصبحوا خيارًا جيدًا للمواد الناقلة الرئيسية في عملية إنتاج الخلايا الكهروضوئية ، ويجذب طلب السوق بشكل متزايد الانتباه من هذه الصناعة.

الخزف السيليكون المرتبط بالسيليكون (RBSC) هي السيراميك الأكثر استخدامًا للسيليكون في مجال الخلايا الكهروضوئية. مزاياها منخفضة درجة حرارة التلبد ، وتكلفة الإنتاج المنخفضة ، وارتفاع تكثيف المواد. على وجه الخصوص ، لا يوجد تقلص في الحجم تقريبًا أثناء عملية تلبيد التفاعل. إنه مناسب بشكل خاص لإعداد الأجزاء الهيكلية ذات الحجم الكبير والمعقد. لذلك ، فهي الأنسب لإنتاج المنتجات ذات الحجم الكبير والمعقد مثل دعم القوارب ، والقوارب الصغيرة ، والمجاذيف الكابولي ، وأنابيب الفرن ، وما إلى ذلك. المبدأ الأساسي لإعداد السيراميك RBSC هو: تحت عمل القوة الشعرية ، والسيليكون المتفاعل المتفاعل ، والكربون يخترق الفراغ المقطوعة المحتوية على الكربون ، والراحة المثيرة للتكوين ، وفي الوقت الحالي ، والرسم. يتم التوصل إلى المرحلة β-SIC مع جزيئات α-SIC في المسحوق الفارغ ، وتظل المسام المتبقية مليئة بالسيليكون الحرة ، وأخيراً يتحقق تكثيف مواد السيراميك RBSC. يوضح الجدول 1 خصائص منتجات RBSC للسيراميك في المنزل والخارج.

الجدول 1 مقارنة بين أداء التفاعل الملبد بالمنتجات السيراميك في البلدان الرئيسية

في عملية تصنيع الخلايا الكهروضوئية الشمسية ، يتم وضع رقائق السيليكون على متن قارب ، ويوضع القارب على حامل القارب للانتشار ، LPCVD وغيرها من العمليات الحرارية. يعد مجداف الكابيب الكاربيد السيليكون (قضيب) مكونًا رئيسيًا للتحميل لنقل حامل القارب وهو يحمل رقائق السيليكون داخل وخارج فرن التدفئة. كما هو مبين في الشكل 1 ، يمكن أن يضمن مجداف الكابيب السيليكون (قضيب) تركيز رقاقة السيليكون وأنبوب الفرن ، مما يجعل الانتشار والتخميل أكثر اتساقًا. في الوقت نفسه ، فإنه خالٍ من التلوث وغير متشابه في درجات حرارة عالية ، ولديه مقاومة صدمة حرارية جيدة وقدرة حمولة كبيرة ، وقد تم استخدامها على نطاق واسع في مجال الخلايا الكهروضوئية.

الشكل 1 الشكل التخطيطي لمكونات تحميل البطارية الرئيسية

في التقليديةقارب الكوارتزوحامل القوارب ، في عملية انتشار الهبوط الناعمة ، يجب وضع رقاقة السيليكون وحامل القارب الكوارتز في أنبوب الكوارتز في فرن الانتشار. في كل عملية انتشار ، يتم وضع حامل قارب الكوارتز المملوء بالرقصات السيليكون على مجداف كربيد السيليكون. بعد أن يدخل مجداف كربيد السيليكون إلى أنبوب الكوارتز ، يغرق المجداف تلقائيًا لوضع حامل قارب الكوارتز ويفر السيليكون ، ثم يعود ببطء إلى الأصل. بعد كل عملية ، يجب إزالة حامل قارب الكوارتز من مجداف كربيد السيليكون. ستؤدي هذه العملية المتكررة إلى تآكل دعم قارب الكوارتز على مدى فترة طويلة من الزمن. بمجرد أن يتشقق قارب الكوارتز والكسر ، سوف يسقط دعم قارب الكوارتز بأكمله من مجداف كربيد السيليكون ، ثم يلحق الضرر بأجزاء الكوارتز ، رقائق السيليكون ومجاذيف كربيد السيليكون أدناه. مجاذيف كربيد السيليكون باهظة الثمن ولا يمكن إصلاحها. بمجرد حدوث حادث ، سيؤدي ذلك إلى خسائر ضخمة في الممتلكات.

في عملية LPCVD ، لن تحدث مشاكل الإجهاد الحراري المذكورة أعلاه فحسب ، ولكن نظرًا لأن عملية LPCVD تتطلب غاز السيلان للمرور عبر رقاقة السيليكون ، فإن العملية طويلة الأجل ستشكل طبقة من السيليكون على دعم القارب والقارب. بسبب عدم تناسق معاملات التمدد الحراري للسيليكون المطلي والكوارتز ، فإن دعم القارب والقارب سيصدع ، وسيتم تقليل فترة العمر بشكل خطير. عادة ما تكون فترة حياة قوارب الكوارتز العادية ودعم القوارب في عملية LPCVD شهرين إلى 3 أشهر فقط. لذلك ، من المهم بشكل خاص تحسين مواد دعم القوارب لزيادة قوة وخدمة دعم القارب لتجنب مثل هذه الحوادث.

Ⅱ اتجاه تطوير مواد سيراميك سيليكون كربيد في الحقل الكهروضوئي

من معرض Shanghai الكهروضوئي الثالث عشر ، بدأت العديد من الشركات الكهروضوئية في البلاد في استخدام دعامات قوارب كربيد السيليكون ، كما هو موضح في الشكل 2 ، مثل شركة Longi Green Energy Co. ، Ltd. ، شركة Jinkosolar Co. ، Ltd. دعامات قارب كربيد السيليكون المستخدمة في توسيع البورون ، نظرًا لدرجة حرارة الاستخدام العالية لتوسيع البورون ، عادةً عند 1000 ~ 1050 ℃ ، من السهل التنقل في دعم القوارب في درجة حرارة عالية لتلويث خلية البطارية ، مما يؤثر على كفاءة تحويل خلية البطارية ، بحيث تكون هناك متطلبات أعلى لمادة دعم القارب.

الشكل 2 الشكل 2 LPCVD دعم قارب كربيد السيليكون ودعم قارب سيليكون سيليكون توسع السيليكون

في الوقت الحاضر ، يجب تنقية دعم القارب المستخدم لتوسيع بورون. أولاً ، مسحوق كربيد السيليكون المادي الخام مغسول وتنقيته. يجب أن تكون نقاء المواد الخام للسيليكون للسيليكون من فئة الليثيوم أعلى من 99.5 ٪. بعد غسل الأحماض وتنقيته مع حمض الكبريتيك + حمض الهيدروفلوريك ، يمكن أن تصل نقاء المواد الخام إلى 99.9 ٪. في الوقت نفسه ، يجب التحكم في الشوائب التي تم تقديمها أثناء تحضير دعم القارب. لذلك ، يتشكل حامل قارب التوسع في البورون في الغالب عن طريق الحشو لتقليل استخدام الشوائب المعدنية. عادة ما تتشكل طريقة الحشو عن طريق التلبيد الثانوي. بعد إعادة الإرسال ، يتم تحسين نقاء حامل قارب كربيد السيليكون إلى حد ما.

بالإضافة إلى ذلك ، أثناء عملية التلبد من حامل القارب ، يجب تنقية الفرن الملبد مسبقًا ، ويجب تنقية حقل حرارة الجرافيت في الفرن. عادةً ما يكون نقاء حامل قارب كربيد السيليكون المستخدم لتوسيع البورون حوالي 3 ن.

قارب كربيد السيليكون لديه مستقبل واعد. يظهر في الشكل 3 قارب كربيد السيليكون ، بغض النظر عن عملية LPCVD أو عملية توسيع البورون ، تكون عمر قارب الكوارتز منخفضًا نسبيًا ، ومعامل التمدد الحراري لمادة الكوارتز لا يتوافق مع تلك الموجودة في مادة كربريد السيليكون. لذلك ، من السهل أن يكون هناك انحرافات في عملية المطابقة مع قارب كربيد السيليكون في درجة حرارة عالية ، مما يؤدي إلى هز القارب أو حتى كسر القارب.

يتبنى قارب كربيد السيليكون مسارًا متكاملًا للمعالجة. متطلبات التسامح مع الشكل والموقف مرتفع ، وتعاون بشكل أفضل مع حامل قارب كربيد السيليكون. بالإضافة إلى ذلك ، يتمتع كربيد السيليكون بقوة عالية ، وكسر القوارب الناجم عن الاصطدام البشري أقل بكثير من قارب الكوارتز. ومع ذلك ، نظرًا لارتفاع نقاء ومعالجة المتطلبات الدقيقة لقوارب كربيد السيليكون ، فهي لا تزال في مرحلة التحقق من الدُفعات الصغيرة.

نظرًا لأن قارب كربيد السيليكون على اتصال مباشر مع خلية البطارية ، يجب أن يكون له نقاء عالي حتى في عملية LPCVD لمنع تلوث رقاقة السيليكون.

تكمن أكبر صعوبة في قوارب كربيد السيليكون في الآلات. كما نعلم جميعًا ، فإن السيراميك كربيد السيليكون هي مواد صعبة وهشة يصعب معالجتها ، ومتطلبات تحمل الشكل والموقف في القارب صارمة للغاية. من الصعب معالجة قوارب كربيد السيليكون مع تكنولوجيا المعالجة التقليدية. في الوقت الحاضر ، تتم معالجة قارب كربيد السيليكون في الغالب بواسطة أداة Diamond Tool ، ثم يتم إجراء علاجات مصقولة ومخللة وغيرها من العلاجات.

الشكل 3 قارب كربيد السيليكون

بالمقارنة مع أنابيب فرن الكوارتز ، فإن أنابيب فرن كربيد السيليكون لها توصيل حراري جيد ، وتدفئة موحدة ، والاستقرار الحراري الجيد ، وعمرها أكثر من 5 أضعاف أنابيب الكوارتز. أنبوب الفرن هو مكون نقل الحرارة الرئيسي في الفرن ، والذي يلعب دورًا في الختم ونقل الحرارة الموحدة. صعوبة تصنيع أنابيب فرن كربيد السيليكون مرتفع للغاية ، كما أن معدل العائد منخفض للغاية. أولاً ، نظرًا للحجم الكبير لأنبوب الفرن وسمك الجدار عادة ما بين 5 و 8 مم ، من السهل جدًا تشويه أو انهيار أو حتى الكراك أثناء عملية التكوين الفارغ.

أثناء التلبد ، بسبب الحجم الكبير لأنبوب الفرن ، من الصعب أيضًا التأكد من أنه لن يتشوه أثناء عملية التلبيد. إن توحيد محتوى السيليكون ضعيف ، ومن السهل أن يكون هناك غير سيليكونسيون محليين ، انهيار ، تكسير ، وما إلى ذلك ، وتتجاوز دورة إنتاج أنابيب فرن كربيد السيليكون طويلة جدًا ، وتتجاوز دورة إنتاج أنبوب فرن واحد 50 يومًا. لذلك ، لا تزال أنابيب فرن كربيد السيليكون في حالة البحث والتطوير ولم يتم إنتاجها بعد.

تأتي التكلفة الرئيسية للمواد السيراميك السيليكون المستخدمة في الحقل الكهروضوئي من مواد مسحوق كربيد السيليكون عالية النقاء ، والسيليكون متعدد البلورات ، وتكاليف تلبيس التفاعل.

مع التطور المستمر لتكنولوجيا تنقية مسحوق كربيد السيليكون ، يستمر نقاء مسحوق كربيد السيليكون في الزيادة من خلال الفصل المغناطيسي ، والمخالبة وغيرها من التقنيات ، وينخفض ​​محتوى الشوائب تدريجياً من 1 ٪ إلى 0.1 ٪. مع الزيادة المستمرة في سعة إنتاج مسحوق كربيد السيليكون ، تتناقص تكلفة مسحوق كربيد السيليكون العالي النقاء.

منذ النصف الثاني من عام 2020 ، أعلنت شركات Polysilicon على التوالي عن التوسعات. حاليًا ، يوجد أكثر من 17 شركة إنتاج من Polysilicon المحلية ، ويقدر أن الناتج السنوي يتجاوز 1.45 مليون طن في عام 2023. وقد أدت قدرة البوليسيليكون المفرطة إلى انخفاض مستمر في الأسعار ، مما أدى بدوره إلى خفض تكلفة السيراميك السيليكون.

فيما يتعلق بتلبيخ التفاعل ، يتزايد حجم فرن تلبيد التفاعل أيضًا ، كما أن قدرة التحميل للفرن الواحد تزداد أيضًا. يمكن لأحدث فرن تلبيد التفاعل كبير الحجم تحميل أكثر من 40 قطعة في وقت واحد ، وهو أكبر بكثير من سعة تحميل أفران التفاعل الحالية من 4 إلى 6 قطع. لذلك ، سوف تنخفض تكلفة التلبد بشكل كبير.

على العموم ، تتطور مواد السيراميك السيليكون في الحقل الكهروضوئي بشكل أساسي نحو نقاء أعلى ، وسعة حمل أقوى ، وسعة تحميل أعلى ، وتكلفة أقل.

Ⅲ أهمية مواد سيراميك كربيد السيليكون في الحقل الكهروضوئي

في الوقت الحاضر ، لا تزال رمال الكوارتز عالية النقاء المطلوبة لمواد الكوارتز المستخدمة في مجال السلطات الكهروضوئية المحلية تعتمد بشكل أساسي على الواردات ، في حين أن كمية ومواصفات الرمال الكوارتز عالية النقاء التي يتم تصديرها من الدول الأجنبية إلى الصين يتم التحكم فيها بشكل صارم. لم يتم تخفيف الإمداد الضيق للمواد الرملية الكوارتز عالية النقاء وتقييد تطوير صناعة الكهروضوئية. في الوقت نفسه ، نظرًا لانخفاض عمر مواد الكوارتز وسهولة الأضرار التي أدت إلى التوقف عن العمل ، فقد تم تقييد تطوير تكنولوجيا البطارية بشكل خطير. لذلك ، من الأهمية بمكان بالنسبة لبلدي التخلص من الحصار التكنولوجي الأجنبي من خلال إجراء أبحاث حول الاستبدال التدريجي للمواد الكوارتز مع مواد سيراميك السيليكون.

في مقارنة شاملة ، سواء كان أداء المنتج أو تكلفة استخدامه ، فإن تطبيق مواد السيراميك السيليكون في مجال الخلايا الشمسية أكثر فائدة من مواد الكوارتز. إن تطبيق مواد السيراميك السيليكون في صناعة الكهروضوئية يتمتع بمساعدة كبيرة لشركات الكهروضوئية لخفض تكلفة الاستثمار للمواد الإضافية وتحسين جودة المنتج والقدرة التنافسية. في المستقبل ، مع تطبيق كبير الحجمأنابيب فرن كربيد السيليكون، قوارب كربيد السيليكون عالية النقاء ودعم القوارب والحد المستمر للتكاليف ، وسيصبح تطبيق مواد السيراميد السيليكون كربيد في مجال الخلايا الكهروضوئية عاملاً رئيسياً في تحسين كفاءة تحويل الطاقة الخفيفة وتقليل تكاليف الصناعة في مجال توليد الطاقة الضوئية ، وسيكون لها تأثير مهم على نمو الطاقة الضوئية.