現代社会の継続的な発展に伴い、非再生可能エネルギーはますます枯渇しつつあり、人類社会は「風力、太陽光、水力、原子力」に代表される再生可能エネルギーの利用をますます切実に求めています。他の再生可能エネルギー源と比較して、人類は太陽エネルギーを利用するための最も成熟した、安全で信頼性の高い技術を有しています。中でも、高純度シリコンを基板とする太陽電池産業は極めて急速に発展してきました。2023年末までに、我が国の太陽光発電の累積設備容量は250ギガワットを超え、太陽光発電量は2663億キロワット時に達し、前年比約30%増加しました。また、新たに追加された発電容量は7842万キロワットで、前年比154%増加しました。6月末時点で、太陽光発電の累積設備容量は約4億7000万キロワットに達し、水力発電を上回り、我が国で2番目に大きな電源となりました。
太陽光発電産業は急速に発展しているが、それを支える新素材産業も急速に発展している。石英部品など石英るつぼ石英製るつぼ、石英製ボート、石英製ボトルなどは、太陽光発電製造工程において重要な役割を果たしています。例えば、石英るつぼはシリコン棒やシリコンインゴットの製造において溶融シリコンを保持するために使用されます。石英製ボート、チューブ、ボトル、洗浄タンクなどは、太陽電池などの製造における拡散、洗浄などの工程で支持機能を果たし、シリコン材料の純度と品質を保証します。
太陽光発電製造における石英部品の主な用途
太陽光発電セルの製造工程では、シリコンウェハをウェハボートに載せ、そのボートをウェハボートサポートに載せて拡散、LPCVDなどの熱処理を行います。シリコンカーバイド製カンチレバーパドルは、シリコンウェハを載せたボートサポートを加熱炉に出し入れする際の重要な荷重部品です。下図に示すように、シリコンカーバイド製カンチレバーパドルは、シリコンウェハと炉管の同心性を確保し、拡散とパッシベーションをより均一にします。同時に、高温でも汚染や変形がなく、耐熱衝撃性と耐荷重性に優れているため、太陽光発電セルの分野で広く使用されています。
主要なバッテリー負荷コンポーネントの概略図
ソフトランディング拡散プロセスでは、従来の石英ボートとウエハースボート拡散炉内の石英管に、シリコンウェハと石英ボートサポートを一緒に入れる必要があります。各拡散プロセスでは、シリコンウェハを充填した石英ボートサポートを炭化ケイ素パドルに載せます。炭化ケイ素パドルが石英管に入ると、パドルは自動的に沈み込み、石英ボートサポートとシリコンウェハを置き、その後ゆっくりと元の位置に戻ります。各プロセスの後、石英ボートサポートを石英管から取り外す必要があります。炭化ケイ素パドルこのような頻繁な操作は、長期間にわたって石英製ボート支持部材の摩耗を引き起こします。石英製ボート支持部材に亀裂や破損が生じると、支持部材全体が炭化ケイ素製パドルから脱落し、下にある石英部品、シリコンウェハー、炭化ケイ素製パドルを損傷します。炭化ケイ素製パドルは高価であり、修理も不可能です。事故が発生すると、莫大な物的損害が発生します。
LPCVDプロセスでは、上述の熱応力問題が発生するだけでなく、シリコンウェハにシランガスを通す必要があるため、長時間のプロセスではウェハボート支持部とウェハボート上にシリコンコーティングが形成されます。コーティングされたシリコンと石英の熱膨張係数の不一致により、ボート支持部とボートに亀裂が生じ、寿命が著しく低下します。LPCVDプロセスにおける一般的な石英ボートとボート支持部の寿命は通常2～3ヶ月程度です。したがって、このような事故を回避するために、ボート支持部の強度と耐用年数を向上させるボート支持部の材料を改良することが特に重要です。
要するに、太陽電池の製造工程において、工程時間と回数が増加するにつれて、石英ボートなどの部品に隠れた亀裂や破損が生じやすくなる。中国の現在の主流生産ラインにおける石英ボートと石英管の寿命は約3～6ヶ月であり、洗浄、メンテナンス、石英キャリアの交換のために定期的にラインを停止する必要がある。さらに、石英部品の原料として使用される高純度石英砂は現在、需給が逼迫しており、価格も長期間高止まりしているため、生産効率と経済効果の向上には明らかに不利である。
炭化ケイ素セラミックス「姿を現す」
現在、人々は石英部品の一部を置き換えるための、より優れた性能を持つ材料、すなわち炭化ケイ素セラミックスを開発しました。
炭化ケイ素セラミックスは、優れた機械的強度、熱安定性、耐高温性、耐酸化性、耐熱衝撃性、耐薬品性を有しており、冶金、機械、新エネルギー、建築材料、化学薬品などの高温分野で幅広く使用されています。また、太陽光発電製造におけるTOPconセルの普及、LPCVD（低圧化学気相成長法）、PECVD（プラズマ化学気相成長法）などの熱処理工程においても十分な性能を発揮します。
LPCVDシリコンカーバイドボートサポートおよびホウ素膨張シリコンカーバイドボートサポート
従来の石英材料と比較して、炭化ケイ素セラミック材料で作られたボート支持部材、ボート、およびチューブ製品は、強度が高く、熱安定性に優れ、高温でも変形せず、寿命は石英材料の5倍以上です。これにより、使用コストと、メンテナンスやダウンタイムによるエネルギー損失を大幅に削減できます。コスト面での優位性は明らかであり、原材料の供給源も豊富です。
中でも、反応焼結炭化ケイ素（RBSiC）は、焼結温度が低く、製造コストが低く、材料の緻密化度が高く、反応焼結中の体積収縮がほとんどないという特徴があります。そのため、大型で複雑な形状の構造部品の製造に特に適しています。したがって、ボートの支柱、ボート、片持ち式パドル、炉管などの大型で複雑な製品の製造に最適です。
炭化ケイ素ウェハーボートまた、将来的に大きな発展の見込みがあります。LPCVDプロセスやホウ素膨張プロセスに関わらず、石英ボートの寿命は比較的短く、石英材料の熱膨張係数は炭化ケイ素材料の熱膨張係数と一致しません。そのため、高温での炭化ケイ素ボートホルダーとのマッチングプロセスでずれが生じやすく、ボートが揺れたり、最悪の場合はボートが破損したりする可能性があります。炭化ケイ素ボートは一体成形と全体加工のプロセスルートを採用しています。形状と位置の公差要件が高く、炭化ケイ素ボートホルダーとの連携が良好です。さらに、炭化ケイ素は強度が高く、石英ボートに比べて人による衝突でボートが破損する可能性がはるかに低くなります。
炭化ケイ素ウェハーボート
炉管は炉の主要な熱伝達部品であり、密閉性と均一な熱伝達に重要な役割を果たします。石英製炉管と比較して、炭化ケイ素製炉管は熱伝導率、加熱の均一性、熱安定性に優れ、寿命は石英製炉管の5倍以上です。
まとめ
一般的に、製品性能や使用コストの面では、炭化ケイ素セラミック材料は太陽電池分野の特定の側面において石英材料よりも優位性があります。太陽光発電産業における炭化ケイ素セラミック材料の応用は、太陽光発電企業が補助材料の投資コストを削減し、製品の品質と競争力を向上させる上で大きな助けとなっています。今後、大型炭化ケイ素炉管、高純度炭化ケイ素ボートおよびボート支持材の大規模応用と継続的なコスト削減により、太陽電池分野における炭化ケイ素セラミック材料の応用は、太陽光発電分野における光エネルギー変換効率の向上と産業コストの削減の重要な要素となり、太陽光発電新エネルギーの開発に重要な影響を与えるでしょう。
投稿日時：2024年11月5日