مع التطور المستمر لعالم اليوم، تتناقص مصادر الطاقة غير المتجددة بشكل متزايد، ويتزايد إلحاح المجتمع البشري على استخدام الطاقة المتجددة، ممثلةً في "طاقة الرياح والضوء والماء والطاقة النووية". وبالمقارنة مع مصادر الطاقة المتجددة الأخرى، يمتلك البشر أكثر التقنيات نضجًا وأمانًا وموثوقية لاستخدام الطاقة الشمسية. ومن بينها، شهدت صناعة الخلايا الكهروضوئية، التي تعتمد على السيليكون عالي النقاء كركيزة، تطورًا سريعًا للغاية. وبحلول نهاية عام 2023، تجاوزت السعة التراكمية المركبة للطاقة الشمسية الكهروضوئية في بلدي 250 جيجاواط، وبلغ توليد الطاقة الكهروضوئية 266.3 مليار كيلوواط/ساعة، بزيادة قدرها حوالي 30% على أساس سنوي، وبلغت سعة توليد الطاقة المضافة حديثًا 78.42 مليون كيلوواط/ساعة، بزيادة قدرها 154% على أساس سنوي. وبحلول نهاية شهر يونيو/حزيران، بلغت القدرة التراكمية المركبة لتوليد الطاقة الكهروضوئية نحو 470 مليون كيلووات، وهو ما تجاوز الطاقة الكهرومائية ليصبح ثاني أكبر مصدر للطاقة في بلدي.
بينما تشهد صناعة الطاقة الكهروضوئية تطورًا سريعًا، تشهد صناعة المواد الجديدة الداعمة لها تطورًا سريعًا أيضًا. مكونات الكوارتز مثلبوتقات الكوارتزمن بينها قوارب الكوارتز وقوارير الكوارتز، التي تلعب دورًا هامًا في عملية تصنيع الخلايا الكهروضوئية. على سبيل المثال، تُستخدم بوتقات الكوارتز لحفظ السيليكون المنصهر في إنتاج قضبان وسبائك السيليكون؛ كما تلعب قوارب الكوارتز والأنابيب والقوارير وخزانات التنظيف، وغيرها، دورًا محوريًا في عمليات الانتشار والتنظيف وغيرها من عمليات إنتاج الخلايا الشمسية، مما يضمن نقاء وجودة مواد السيليكون.
التطبيقات الرئيسية لمكونات الكوارتز في تصنيع الخلايا الكهروضوئية
في عملية تصنيع الخلايا الشمسية الكهروضوئية، تُوضع رقائق السيليكون على قاعدة الرقاقة، ثم تُوضع القاعدة على دعامة الرقاقة لعمليات الانتشار، وLPCVD، وغيرها من العمليات الحرارية. أما ذراع الكابولي المصنوع من كربيد السيليكون، فهو العنصر الرئيسي في نقل دعامة الرقاقة التي تحمل رقائق السيليكون داخل وخارج فرن التسخين. وكما هو موضح في الشكل أدناه، يضمن ذراع الكابولي المصنوع من كربيد السيليكون مركزية رقاقة السيليكون وأنبوب الفرن، مما يجعل الانتشار والتخميل أكثر اتساقًا. كما أنه خالٍ من التلوث ولا يتشوه في درجات الحرارة العالية، ويتمتع بمقاومة جيدة للصدمات الحرارية وسعة تحميل عالية، وقد استُخدم على نطاق واسع في مجال الخلايا الكهروضوئية.
مخطط تخطيطي لمكونات تحميل البطارية الرئيسية
في عملية انتشار الهبوط الناعم، يتم استخدام قارب الكوارتز التقليدي وقارب الرقاقةيجب وضع رقاقة السيليكون مع دعامة قارب الكوارتز في أنبوب الكوارتز بفرن الانتشار. في كل عملية انتشار، يُوضع دعامة قارب الكوارتز المملوءة برقائق السيليكون على مجداف كربيد السيليكون. بعد دخول مجداف كربيد السيليكون في أنبوب الكوارتز، يغوص المجداف تلقائيًا لوضع دعامة قارب الكوارتز ورقاقة السيليكون، ثم يعود ببطء إلى نقطة البداية. بعد كل عملية، يجب إزالة دعامة قارب الكوارتز من الفرن.مجداف كربيد السيليكونسيؤدي هذا التشغيل المتكرر إلى تآكل دعامة قارب الكوارتز على مدى فترة طويلة. بمجرد تشقق دعامة قارب الكوارتز وانكسارها، ستسقط دعامة قارب الكوارتز بأكملها من مجداف كربيد السيليكون، مما يؤدي إلى تلف أجزاء الكوارتز ورقائق السيليكون ومجاديف كربيد السيليكون الموجودة أسفلها. مجداف كربيد السيليكون باهظ الثمن ولا يمكن إصلاحه. في حال وقوع حادث، سيؤدي ذلك إلى خسائر مادية فادحة.
في عملية LPCVD، لا تقتصر مشاكل الإجهاد الحراري المذكورة أعلاه على حدوثها فحسب، بل تتطلب عملية LPCVD مرور غاز السيلان عبر رقاقة السيليكون، مما يؤدي إلى تكوين طبقة سيليكون على دعامة القارب ولوح القارب. وبسبب عدم تناسق معاملات التمدد الحراري للسيليكون المطلي والكوارتز، سيتشقق دعامة القارب ولوح القارب، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في عمرها الافتراضي. عادةً ما يكون عمر دعامات وألواح الكوارتز العادية في عملية LPCVD من شهرين إلى ثلاثة أشهر فقط. لذلك، من المهم للغاية تحسين مادة دعامة القارب لزيادة قوتها وعمرها الافتراضي لتجنب مثل هذه الحوادث.
باختصار، مع زيادة وقت المعالجة وعدد مراتها أثناء إنتاج الخلايا الشمسية، تصبح قوارب الكوارتز والمكونات الأخرى عرضة للتشققات الخفية أو حتى الكسر. يتراوح عمر قوارب الكوارتز وأنابيب الكوارتز في خطوط الإنتاج الرئيسية الحالية في الصين بين 3 و6 أشهر، وتحتاج إلى إيقاف التشغيل بانتظام للتنظيف والصيانة واستبدال حاملات الكوارتز. علاوة على ذلك، يشهد رمل الكوارتز عالي النقاء المستخدم كمادة خام لمكونات الكوارتز حاليًا نقصًا في العرض والطلب، كما أن سعره مرتفع منذ فترة طويلة، مما لا يُسهم في تحسين كفاءة الإنتاج والفوائد الاقتصادية.
سيراميك كربيد السيليكون"اظهر"
والآن توصل الناس إلى مادة ذات أداء أفضل لتحل محل بعض مكونات الكوارتز - وهي سيراميك كربيد السيليكون.
تتميز سيراميكات كربيد السيليكون بقوة ميكانيكية ممتازة، وثبات حراري، ومقاومة عالية لدرجات الحرارة، ومقاومة للأكسدة، ومقاومة للصدمات الحرارية، ومقاومة للتآكل الكيميائي، وتُستخدم على نطاق واسع في المجالات الساخنة مثل علم المعادن، والآلات، والطاقة الجديدة، ومواد البناء، والمواد الكيميائية. كما أن أداؤها كافٍ لنشر خلايا TOPcon في تصنيع الطاقة الكهروضوئية، وترسيب البخار الكيميائي منخفض الضغط (LPCVD)، وترسيب البخار الكيميائي البلازمي (PECVD)، وغيرها من عمليات المعالجة الحرارية.
دعامة قارب من كربيد السيليكون LPCVD ودعامة قارب من كربيد السيليكون الموسع بالبورون
بالمقارنة مع مواد الكوارتز التقليدية، تتميز دعامات القوارب والقوارب ومنتجات الأنابيب المصنوعة من مواد سيراميك كربيد السيليكون بمتانة أعلى، وثبات حراري أفضل، وعدم تشوه في درجات الحرارة العالية، وعمر افتراضي يزيد عن خمسة أضعاف عمر مواد الكوارتز، مما يُقلل بشكل كبير من تكلفة الاستخدام وهدر الطاقة الناتج عن الصيانة وتوقف العمل. ميزة التكلفة واضحة، ومصادر المواد الخام واسعة.
من بينها، يتميز كربيد السيليكون المُلبَّد تفاعليًا (RBSiC) بدرجة حرارة تلبيد منخفضة، وتكلفة إنتاج منخفضة، وكثافة عالية للمواد، وانكماش حجمي شبه منعدم أثناء التلبيد التفاعلي. وهو مناسب بشكل خاص لتحضير الأجزاء الهيكلية كبيرة الحجم ومعقدة الأشكال. لذلك، يُعد الأنسب لإنتاج منتجات كبيرة الحجم ومعقدة، مثل دعائم القوارب، والقوارب، ومجاديف الكابولي، وأنابيب الأفران، وغيرها.
قوارب رقائق كربيد السيليكونتتمتع أيضًا بآفاق تطوير كبيرة في المستقبل. بغض النظر عن عملية LPCVD أو عملية تمدد البورون، فإن عمر قارب الكوارتز منخفض نسبيًا، ومعامل التمدد الحراري لمادة الكوارتز غير متوافق مع معامل تمدد مادة كربيد السيليكون. لذلك، من السهل حدوث انحرافات في عملية المطابقة مع حامل قارب كربيد السيليكون عند درجات الحرارة العالية، مما يؤدي إلى اهتزاز القارب أو حتى كسره. يعتمد قارب كربيد السيليكون على عملية التشكيل من قطعة واحدة والمعالجة الشاملة. متطلبات تحمل الشكل والموضع عالية، ويتعاون بشكل أفضل مع حامل قارب كربيد السيليكون. بالإضافة إلى ذلك، يتمتع كربيد السيليكون بقوة عالية، والقارب أقل عرضة للكسر بسبب الاصطدام البشري من قارب الكوارتز.
قارب رقاقة كربيد السيليكون
أنبوب الفرن هو المكون الرئيسي لنقل الحرارة في الفرن، ويلعب دورًا في إحكام التوصيل الحراري ونقل الحرارة بشكل موحد. بالمقارنة مع أنابيب فرن الكوارتز، تتميز أنابيب فرن كربيد السيليكون بموصلية حرارية جيدة، وتسخين موحد، واستقرار حراري جيد، وعمرها الافتراضي أطول بخمس مرات من أنابيب الكوارتز.
ملخص
بشكل عام، سواءً من حيث أداء المنتج أو تكلفة الاستخدام، تتمتع مواد سيراميك كربيد السيليكون بمزايا أكثر من مواد الكوارتز في جوانب معينة من مجال الخلايا الشمسية. وقد ساعد استخدام مواد سيراميك كربيد السيليكون في صناعة الطاقة الكهروضوئية شركات الطاقة الكهروضوئية بشكل كبير على خفض تكلفة الاستثمار في المواد المساعدة وتحسين جودة المنتج وقدرته التنافسية. في المستقبل، ومع الاستخدام الواسع النطاق لأنابيب أفران كربيد السيليكون كبيرة الحجم، وقوارب كربيد السيليكون عالية النقاء، ودعامات القوارب، والانخفاض المستمر في التكاليف، سيصبح استخدام مواد سيراميك كربيد السيليكون في مجال الخلايا الكهروضوئية عاملاً رئيسياً في تحسين كفاءة تحويل الطاقة الضوئية وخفض تكاليف الصناعة في مجال توليد الطاقة الكهروضوئية، وسيكون له تأثير مهم على تطوير الطاقة الكهروضوئية الجديدة.
وقت النشر: 5 نوفمبر 2024