سيراميك كربيد السيليكون: نهاية مكونات الكوارتز الكهروضوئية

مع التطور المتواصل لعالمنا المعاصر، تتناقص مصادر الطاقة غير المتجددة بشكل متزايد، مما يُحتّم على المجتمع البشري اللجوء إلى الطاقة المتجددة المتمثلة في طاقة الرياح والضوء والماء والطاقة النووية. وبالمقارنة مع مصادر الطاقة المتجددة الأخرى، يمتلك الإنسان أكثر التقنيات نضجًا وأمانًا وموثوقية لاستخدام الطاقة الشمسية. ومن بين هذه التقنيات، شهدت صناعة الخلايا الكهروضوئية، التي تستخدم السيليكون عالي النقاء كركيزة، نموًا سريعًا للغاية. وبحلول نهاية عام 2023، تجاوزت القدرة المركبة التراكمية للطاقة الشمسية الكهروضوئية في بلادي 250 جيجاوات، ووصل إنتاج الطاقة الكهروضوئية إلى 266.3 مليار كيلوواط/ساعة، بزيادة قدرها 30% تقريبًا على أساس سنوي، وبلغت القدرة الإنتاجية الجديدة 78.42 مليون كيلوواط، بزيادة قدرها 154% على أساس سنوي. وفي نهاية يونيو، بلغت القدرة المركبة التراكمية لتوليد الطاقة الكهروضوئية حوالي 470 مليون كيلوواط، متجاوزةً بذلك الطاقة الكهرومائية لتصبح ثاني أكبر مصدر للطاقة في بلادي.

بينما تشهد صناعة الخلايا الكهروضوئية نموًا سريعًا، تشهد صناعة المواد الجديدة الداعمة لها نموًا سريعًا أيضًا. مكونات الكوارتز مثلبوتقات كوارتزتُعدّ قوارب الكوارتز وقوارير الكوارتز من بين هذه الأدوات، وتلعب دورًا هامًا في عملية تصنيع الخلايا الكهروضوئية. فعلى سبيل المثال، تُستخدم بوتقات الكوارتز لحفظ السيليكون المنصهر في إنتاج قضبان وسبائك السيليكون؛ كما تؤدي قوارب الكوارتز والأنابيب والقوارير وخزانات التنظيف وغيرها من الأدوات دورًا أساسيًا في عمليات الانتشار والتنظيف وغيرها من مراحل إنتاج الخلايا الشمسية، مما يضمن نقاء وجودة مواد السيليكون.

التطبيقات الرئيسية لمكونات الكوارتز في تصنيع الخلايا الكهروضوئية

في عملية تصنيع الخلايا الكهروضوئية الشمسية، تُوضع رقائق السيليكون على حامل رقائق، ثم يُوضع هذا الحامل على دعامة خاصة به لإجراء عمليات الانتشار والترسيب الكيميائي للبخار عند ضغط منخفض (LPCVD) وغيرها من العمليات الحرارية. ويُعدّ ذراع التحميل المصنوع من كربيد السيليكون عنصرًا أساسيًا لتحريك حامل الرقائق داخل وخارج فرن التسخين. وكما هو موضح في الشكل أدناه، يضمن ذراع التحميل المصنوع من كربيد السيليكون تمركز رقاقة السيليكون داخل أنبوب الفرن، مما يُحسّن من انتظام عملية الانتشار والتخميل. إضافةً إلى ذلك، فهو خالٍ من التلوث ولا يتشوه عند درجات الحرارة العالية، ويتمتع بمقاومة جيدة للصدمات الحرارية وقدرة تحمل عالية، ولذا يُستخدم على نطاق واسع في مجال الخلايا الكهروضوئية.

مخطط توضيحي لمكونات تحميل البطارية الرئيسية

في عملية الانتشار بالهبوط الناعم، قارب الكوارتز التقليدي وقارب رقائق الويفريلزم وضع رقاقة السيليكون مع دعامة قارب الكوارتز داخل أنبوب الكوارتز في فرن الانتشار. في كل عملية انتشار، توضع دعامة قارب الكوارتز المملوءة برقائق السيليكون على مجداف كربيد السيليكون. بعد دخول مجداف كربيد السيليكون إلى أنبوب الكوارتز، يغوص المجداف تلقائيًا ليضع دعامة قارب الكوارتز ورقاقة السيليكون، ثم يعود ببطء إلى نقطة البداية. بعد كل عملية، يجب إزالة دعامة قارب الكوارتز من الفرن.مجداف من كربيد السيليكونسيؤدي هذا التشغيل المتكرر إلى تآكل دعامة قارب الكوارتز على مدى فترة طويلة. عند تشققها أو انكسارها، ستسقط الدعامة بأكملها عن لوح كربيد السيليكون، مما يُلحق الضرر بأجزاء الكوارتز ورقائق السيليكون وألواح كربيد السيليكون الموجودة أسفلها. لوح كربيد السيليكون باهظ الثمن ولا يُمكن إصلاحه. في حال وقوع أي حادث، سيتسبب ذلك في خسائر مادية فادحة.

في عملية الترسيب الكيميائي للبخار عند ضغط منخفض (LPCVD)، لا تقتصر المشكلة على الإجهاد الحراري المذكور آنفًا، بل إن العملية تتطلب أيضًا مرور غاز السيلان عبر رقاقة السيليكون، مما يؤدي على المدى الطويل إلى تكوين طبقة سيليكون على دعامة الرقاقة والرقاقة نفسها. ونظرًا لاختلاف معاملات التمدد الحراري بين السيليكون المطلي والكوارتز، ستتشقق الدعامة والرقاقة، مما يقلل عمرها الافتراضي بشكل كبير. عادةً ما يتراوح عمر دعامات الرقاقة المصنوعة من الكوارتز العادي في عملية LPCVD بين شهرين وثلاثة أشهر فقط. لذلك، من الأهمية بمكان تحسين مادة دعامة الرقاقة لزيادة متانتها وإطالة عمرها الافتراضي لتجنب مثل هذه الحوادث.

باختصار، مع ازدياد وقت العملية وعدد مرات إنتاج الخلايا الشمسية، تصبح حوامل الكوارتز والمكونات الأخرى عرضةً للتشققات الخفية أو حتى الكسور. يبلغ عمر حوامل وأنابيب الكوارتز في خطوط الإنتاج الرئيسية الحالية في الصين حوالي 3-6 أشهر، وتتطلب هذه الخطوط إيقافها دوريًا للتنظيف والصيانة واستبدال حوامل الكوارتز. علاوة على ذلك، يشهد رمل الكوارتز عالي النقاء، المستخدم كمادة خام لمكونات الكوارتز، نقصًا حادًا في العرض والطلب، كما أن سعره مرتفع منذ فترة طويلة، مما يؤثر سلبًا على كفاءة الإنتاج والجدوى الاقتصادية.

سيراميك كربيد السيليكون"الحضور"

والآن، توصل الناس إلى مادة ذات أداء أفضل لاستبدال بعض مكونات الكوارتز - وهي سيراميك كربيد السيليكون.

تتميز سيراميكات كربيد السيليكون بقوة ميكانيكية عالية، وثبات حراري، ومقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة، ومقاومة للأكسدة، ومقاومة للصدمات الحرارية، ومقاومة للتآكل الكيميائي، وتُستخدم على نطاق واسع في مجالات حيوية مثل التعدين، والآلات، والطاقة المتجددة، ومواد البناء، والمواد الكيميائية. كما أن أداءها مناسب لتطبيقات خلايا TOPcon في تصنيع الخلايا الكهروضوئية، وتقنيات الترسيب الكيميائي للبخار تحت ضغط منخفض (LPCVD)، والترسيب الكيميائي للبخار بالبلازما (PECVD)، وغيرها من عمليات المعالجة الحرارية.

دعامة قارب من كربيد السيليكون بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار عند ضغط منخفض ودعامة قارب من كربيد السيليكون الموسع بالبورون

بالمقارنة مع مواد الكوارتز التقليدية، تتميز دعامات القوارب والقوارب ومنتجات الأنابيب المصنوعة من مواد سيراميك كربيد السيليكون بقوة أعلى، وثبات حراري أفضل، وعدم تشوه عند درجات الحرارة العالية، وعمر افتراضي يزيد عن خمسة أضعاف عمر مواد الكوارتز، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة الاستخدام وفقدان الطاقة الناتج عن الصيانة وفترات التوقف. وتُعد ميزة التكلفة واضحة، كما أن مصادر المواد الخام متوفرة بكثرة.

من بينها، يتميز كربيد السيليكون المُلبّد بالتفاعل (RBSiC) بانخفاض درجة حرارة التلبيد، وانخفاض تكلفة الإنتاج، وارتفاع كثافة المادة، وانعدام انكماش الحجم تقريبًا أثناء التلبيد بالتفاعل. وهو مناسب بشكل خاص لتحضير الأجزاء الهيكلية كبيرة الحجم والمعقدة الشكل. لذلك، فهو الأنسب لإنتاج منتجات كبيرة الحجم ومعقدة مثل دعامات القوارب، والقوارب، والمجاديف الكابولية، وأنابيب الأفران، وما إلى ذلك.

قوارب رقائق كربيد السيليكونتتمتع هذه التقنية بآفاق تطوير واعدة في المستقبل. وبغض النظر عن عملية الترسيب الكيميائي للبخار عند ضغط منخفض (LPCVD) أو عملية التمدد بالبورون، فإن عمر قارب الكوارتز قصير نسبيًا، كما أن معامل التمدد الحراري لمادة الكوارتز لا يتوافق مع معامل التمدد الحراري لمادة كربيد السيليكون. لذلك، من السهل حدوث انحرافات أثناء عملية التوافق مع حامل قارب كربيد السيليكون عند درجات الحرارة العالية، مما قد يؤدي إلى اهتزاز القارب أو حتى كسره. أما قارب كربيد السيليكون، فيُصنع بتقنية التشكيل كوحدة واحدة والمعالجة الشاملة. يتميز هذا القارب بدقة عالية في الشكل والموضع، ويتوافق بشكل أفضل مع حامل قارب كربيد السيليكون. إضافةً إلى ذلك، يتمتع كربيد السيليكون بقوة عالية، مما يجعل القارب أقل عرضة للكسر نتيجة الاصطدام البشري مقارنةً بقارب الكوارتز.

قارب رقائق كربيد السيليكون

يُعد أنبوب الفرن المكون الرئيسي لنقل الحرارة في الفرن، حيث يؤدي دورًا هامًا في منع التسرب وضمان توزيع الحرارة بشكل متجانس. وبالمقارنة مع أنابيب فرن الكوارتز، تتميز أنابيب فرن كربيد السيليكون بموصلية حرارية عالية، وتسخين متجانس، وثبات حراري ممتاز، كما أن عمرها الافتراضي يزيد عن خمسة أضعاف عمر أنابيب الكوارتز.

ملخص

بشكل عام، سواء من حيث أداء المنتج أو تكلفة الاستخدام، تتمتع مواد السيراميك المصنوعة من كربيد السيليكون بمزايا أكثر من مواد الكوارتز في جوانب معينة من مجال الخلايا الشمسية. وقد ساهم استخدام هذه المواد في صناعة الخلايا الكهروضوئية بشكل كبير في خفض تكلفة الاستثمار في المواد المساعدة وتحسين جودة المنتج وقدرته التنافسية. في المستقبل، ومع التوسع في استخدام أنابيب أفران كربيد السيليكون كبيرة الحجم، وقوارب كربيد السيليكون عالية النقاء، ودعاماتها، والانخفاض المستمر في التكاليف، سيصبح استخدام مواد السيراميك المصنوعة من كربيد السيليكون في مجال الخلايا الكهروضوئية عاملاً أساسياً في تحسين كفاءة تحويل الطاقة الضوئية وخفض تكاليف الصناعة في مجال توليد الطاقة الكهروضوئية، وسيكون له تأثير بالغ على تطوير الطاقة الكهروضوئية الجديدة.