سرامیک‌های سیلیکون کاربید: پایان‌دهنده‌ی اجزای کوارتز فتوولتائیک

با توسعه مداوم جهان امروز، انرژی‌های تجدیدناپذیر به طور فزاینده‌ای رو به اتمام هستند و جامعه بشری به طور فزاینده‌ای به استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر که شامل «باد، نور، آب و هسته‌ای» می‌شوند، نیاز مبرم دارد. در مقایسه با سایر منابع انرژی تجدیدپذیر، بشر از بالغ‌ترین، ایمن‌ترین و قابل اعتمادترین فناوری برای استفاده از انرژی خورشیدی برخوردار است. در میان آنها، صنعت سلول‌های فتوولتائیک با سیلیکون با خلوص بالا به عنوان زیرلایه، به سرعت در حال توسعه است. تا پایان سال 2023، ظرفیت نصب شده فتوولتائیک خورشیدی کشور من از 250 گیگاوات فراتر رفته و تولید برق فتوولتائیک به 266.3 میلیارد کیلووات ساعت رسیده است که نسبت به سال قبل حدود 30 درصد افزایش یافته است و ظرفیت تولید برق جدید اضافه شده 78.42 میلیون کیلووات است که نسبت به سال قبل 154 درصد افزایش یافته است. تا پایان ماه ژوئن، ظرفیت نصب شده تجمعی تولید برق فتوولتائیک حدود 470 میلیون کیلووات بوده است که از انرژی آبی پیشی گرفته و به دومین منبع بزرگ برق در کشور من تبدیل شده است.

در حالی که صنعت فتوولتائیک به سرعت در حال توسعه است، صنعت مواد جدید پشتیبان آن نیز به سرعت در حال توسعه است. قطعات کوارتز مانندبوته‌های کوارتز، قایق‌های کوارتز و بطری‌های کوارتز از جمله آنها هستند که نقش مهمی در فرآیند تولید فتوولتائیک ایفا می‌کنند. به عنوان مثال، بوته‌های کوارتز برای نگهداری سیلیکون مذاب در تولید میله‌های سیلیکونی و شمش‌های سیلیکونی استفاده می‌شوند؛ قایق‌های کوارتز، لوله‌ها، بطری‌ها، مخازن تمیزکننده و غیره نقش مهمی در انتشار، تمیز کردن و سایر پیوندهای فرآیندی در تولید سلول‌های خورشیدی و غیره ایفا می‌کنند و خلوص و کیفیت مواد سیلیکونی را تضمین می‌کنند.

کاربردهای اصلی اجزای کوارتز برای تولید فتوولتائیک

در فرآیند تولید سلول‌های فتوولتائیک خورشیدی، ویفرهای سیلیکونی روی یک قایق ویفر قرار می‌گیرند و قایق برای انتشار، LPCVD و سایر فرآیندهای حرارتی روی یک پایه قایق ویفر قرار می‌گیرد، در حالی که پارویی کنسول کاربید سیلیکون جزء اصلی بارگذاری برای جابجایی پایه قایق حامل ویفرهای سیلیکونی به داخل و خارج از کوره گرمایشی است. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، پارویی کنسول کاربید سیلیکون می‌تواند از تمرکز ویفر سیلیکونی و لوله کوره اطمینان حاصل کند و در نتیجه انتشار و غیرفعال‌سازی را یکنواخت‌تر کند. در عین حال، در دماهای بالا بدون آلودگی و بدون تغییر شکل است، مقاومت خوبی در برابر شوک حرارتی و ظرفیت بار زیادی دارد و به طور گسترده در زمینه سلول‌های فتوولتائیک مورد استفاده قرار گرفته است.

نمودار شماتیک اجزای کلیدی بارگذاری باتری

در فرآیند انتشار فرود نرم، قایق کوارتز سنتی وقایق ویفریبرای قرار دادن ویفر سیلیکونی به همراه پایه قایق کوارتزی در لوله کوارتز در کوره دیفیوژن، باید از پایه استفاده شود. در هر فرآیند دیفیوژن، پایه قایق کوارتزی پر از ویفرهای سیلیکونی روی پاروی کاربید سیلیکونی قرار می‌گیرد. پس از ورود پاروی کاربید سیلیکونی به لوله کوارتز، پارو به طور خودکار فرو می‌رود تا پایه قایق کوارتزی و ویفر سیلیکونی را پایین بیاورد و سپس به آرامی به سمت مبدا برمی‌گردد. پس از هر فرآیند، پایه قایق کوارتزی باید از کوره خارج شود.پد سیلیکون کاربیدچنین کارکرد مکرری باعث می‌شود که تکیه‌گاه قایق کوارتز در مدت زمان طولانی فرسوده شود. به محض اینکه تکیه‌گاه قایق کوارتز ترک بخورد و بشکند، کل تکیه‌گاه قایق کوارتز از روی پاروی سیلیکون کاربید می‌افتد و سپس به قطعات کوارتز، ویفرهای سیلیکون کاربید و پاروهای سیلیکون کاربید زیرین آسیب می‌رساند. پاروی سیلیکون کاربید گران است و قابل تعمیر نیست. در صورت بروز حادثه، خسارات مالی زیادی به بار خواهد آورد.

در فرآیند LPCVD، نه تنها مشکلات تنش حرارتی ذکر شده در بالا رخ می‌دهد، بلکه از آنجایی که فرآیند LPCVD نیاز به عبور گاز سیلان از ویفر سیلیکونی دارد، این فرآیند طولانی مدت همچنین یک پوشش سیلیکونی روی تکیه‌گاه قایق ویفر و قایق ویفر تشکیل می‌دهد. به دلیل عدم تطابق ضرایب انبساط حرارتی سیلیکون پوشش داده شده و کوارتز، تکیه‌گاه قایق و قایق ترک می‌خورند و طول عمر آنها به طور جدی کاهش می‌یابد. طول عمر قایق‌ها و تکیه‌گاه‌های قایق کوارتز معمولی در فرآیند LPCVD معمولاً فقط 2 تا 3 ماه است. بنابراین، بهبود مواد تکیه‌گاه قایق برای افزایش استحکام و عمر مفید تکیه‌گاه قایق و جلوگیری از چنین حوادثی بسیار مهم است.

به طور خلاصه، با افزایش زمان فرآیند و تعداد دفعات تولید در طول تولید سلول‌های خورشیدی، قایق‌های کوارتز و سایر قطعات مستعد ترک‌های پنهان یا حتی شکستگی هستند. عمر قایق‌های کوارتز و لوله‌های کوارتز در خطوط تولید اصلی فعلی در چین حدود ۳ تا ۶ ماه است و آنها باید به طور منظم برای تمیز کردن، نگهداری و تعویض حامل‌های کوارتز خاموش شوند. علاوه بر این، شن کوارتز با خلوص بالا که به عنوان ماده اولیه برای اجزای کوارتز استفاده می‌شود، در حال حاضر در وضعیت عرضه و تقاضای محدودی قرار دارد و قیمت آن مدت زیادی است که در سطح بالایی قرار دارد که بدیهی است برای بهبود راندمان تولید و مزایای اقتصادی مفید نیست.

سرامیک‌های سیلیکون کاربیدی«ظاهر شدن»

اکنون، دانشمندان ماده‌ای با عملکرد بهتر برای جایگزینی برخی از اجزای کوارتز - سرامیک‌های کاربید سیلیکون - ارائه داده‌اند.

سرامیک‌های سیلیکون کاربیدی از استحکام مکانیکی، پایداری حرارتی، مقاومت در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر اکسیداسیون، مقاومت در برابر شوک حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی خوبی برخوردارند و به طور گسترده در زمینه‌های گرم مانند متالورژی، ماشین‌آلات، انرژی‌های نو و مصالح ساختمانی و شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. عملکرد آن همچنین برای نفوذ سلول‌های TOPcon در تولید فتوولتائیک، LPCVD (رسوب بخار شیمیایی کم‌فشار)، PECVD (رسوب بخار شیمیایی پلاسما) و سایر پیوندهای فرآیند حرارتی کافی است.

پایه قایق سیلیکون کاربید LPCVD و پایه قایق سیلیکون کاربید منبسط شده با بور

در مقایسه با مواد کوارتز سنتی، تکیه‌گاه‌های قایق، قایق‌ها و محصولات لوله‌ای ساخته شده از مواد سرامیکی کاربید سیلیکون دارای استحکام بالاتر، پایداری حرارتی بهتر، عدم تغییر شکل در دماهای بالا و طول عمر بیش از 5 برابر مواد کوارتز هستند که می‌تواند هزینه استفاده و اتلاف انرژی ناشی از نگهداری و خرابی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. مزیت هزینه آشکار است و منبع مواد اولیه گسترده است.

در میان آنها، کاربید سیلیکون واکنشی (RBSiC) دارای دمای پخت پایین، هزینه تولید پایین، تراکم بالای مواد و تقریباً بدون انقباض حجمی در طول پخت واکنشی است. این ماده به ویژه برای تهیه قطعات ساختاری با اندازه بزرگ و شکل پیچیده مناسب است. بنابراین، برای تولید محصولات با اندازه بزرگ و پیچیده مانند تکیه‌گاه قایق، قایق‌ها، پاروهای کنسول، لوله‌های کوره و غیره مناسب‌ترین است.

قایق‌های ویفر کاربید سیلیکونهمچنین چشم‌انداز توسعه بسیار خوبی در آینده دارند. صرف نظر از فرآیند LPCVD یا فرآیند انبساط بور، عمر قایق کوارتز نسبتاً کم است و ضریب انبساط حرارتی ماده کوارتز با ضریب انبساط حرارتی ماده کاربید سیلیکون مغایرت دارد. بنابراین، به راحتی می‌توان در فرآیند تطبیق با نگهدارنده قایق کاربید سیلیکون در دمای بالا انحرافاتی داشت که منجر به وضعیت تکان خوردن قایق یا حتی شکستن قایق می‌شود. قایق کاربید سیلیکون مسیر فرآیند قالب‌گیری یک تکه و پردازش کلی را اتخاذ می‌کند. الزامات تحمل شکل و موقعیت آن بالا است و با نگهدارنده قایق کاربید سیلیکون بهتر همکاری می‌کند. علاوه بر این، کاربید سیلیکون از استحکام بالایی برخوردار است و احتمال شکستن قایق در اثر برخورد انسان بسیار کمتر از قایق کوارتز است.

قایق ویفر کاربید سیلیکون

لوله کوره جزء اصلی انتقال حرارت کوره است که در آب بندی و انتقال یکنواخت حرارت نقش دارد. در مقایسه با لوله های کوره کوارتز، لوله های کوره سیلیکون کاربید از رسانایی حرارتی خوب، گرمایش یکنواخت و پایداری حرارتی خوبی برخوردارند و عمر آنها بیش از 5 برابر لوله های کوارتز است.

خلاصه

به طور کلی، چه از نظر عملکرد محصول و چه از نظر هزینه استفاده، مواد سرامیکی کاربید سیلیکون در جنبه‌های خاصی از حوزه سلول‌های خورشیدی مزایای بیشتری نسبت به مواد کوارتز دارند. کاربرد مواد سرامیکی کاربید سیلیکون در صنعت فتوولتائیک به شرکت‌های فتوولتائیک کمک زیادی کرده است تا هزینه سرمایه‌گذاری مواد کمکی را کاهش داده و کیفیت محصول و رقابت‌پذیری را بهبود بخشند. در آینده، با کاربرد گسترده لوله‌های کوره کاربید سیلیکون در اندازه بزرگ، قایق‌ها و پایه‌های قایق کاربید سیلیکون با خلوص بالا و کاهش مداوم هزینه‌ها، کاربرد مواد سرامیکی کاربید سیلیکون در حوزه سلول‌های فتوولتائیک به یک عامل کلیدی در بهبود راندمان تبدیل انرژی نور و کاهش هزینه‌های صنعت در حوزه تولید برق فتوولتائیک تبدیل خواهد شد و تأثیر مهمی بر توسعه انرژی جدید فتوولتائیک خواهد داشت.