現代世界の継続的な発展に伴い、再生不可能なエネルギーはますます枯渇しつつあり、人類社会は「風力、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迫られています。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の利用において最も成熟し、安全で信頼性の高い技術を有しています。その中でも、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ました。2023年末までに、わが国の太陽光発電の累計設置容量は250ギガワットを超え、太陽光発電量は2663億kWhに達し、前年比約30％増、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％増となっています。6月末現在、太陽光発電の累計設置容量は約4億7000万キロワットで、水力発電を抜いてわが国で2番目に大きな電源となっています。
太陽光発電産業が急速に発展する一方で、それを支える新素材産業も急速に発展しています。例えば、石英るつぼその中には、石英ボート、石英ボトルなどがあり、太陽光発電の製造プロセス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、シリコンロッド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。また、石英ボート、チューブ、ボトル、洗浄タンクなどは、太陽電池の製造における拡散、洗浄などのプロセスリンクにおいてベアリング機能を果たし、シリコン材料の純度と品質を確保します。
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、シリコンウェーハをウェーハボートに載せ、ボートをウェーハボートサポートに載せて拡散、LPCVDなどの熱処理工程を行います。一方、シリコンカーバイドカンチレバーパドルは、シリコンウェーハを載せたボートサポートを加熱炉に出し入れするため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カンチレバーパドルは、シリコンウェーハと炉管の同心度を確保し、拡散と不動態化をより均一にします。同時に、無公害で高温でも変形せず、耐熱衝撃性に優れ、荷重容量も大きく、太陽光発電セル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ェーハボート拡散炉内の石英管にシリコンウェーハを石英ボート支持台ごと投入するには、拡散工程ごとにシリコンウェーハを充填した石英ボート支持台をシリコンカーバイドパドル上に載置する。シリコンカーバイドパドルが石英管内に入ると、パドルは自動的に沈み込み、石英ボート支持台とシリコンウェーハを下ろし、その後ゆっくりと元の位置に戻る。各工程の終了後、石英ボート支持台を炉から取り外す必要がある。シリコンカーバイドパドルこのような頻繁な操作は、長期間にわたって石英ボート支持部の摩耗を引き起こします。石英ボート支持部に亀裂や破損が生じると、石英ボート支持部全体がシリコンカーバイドパドルから脱落し、その下にある石英部品、シリコンウェハ、そしてシリコンカーバイドパドルに損傷を与えます。シリコンカーバイドパドルは高価で修理不可能です。ひとたび事故が発生すると、甚大な物的損失につながります。
LPCVDプロセスでは、前述の熱応力の問題が発生するだけでなく、シランガスをシリコンウェーハに通過させる必要があるため、長期間のプロセスにより、ウェーハボートサポートとウェーハボート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、ボートサポート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サポートの寿命は、通常わずか2～3ヶ月です。そのため、このような事故を回避するために、ボートサポート材料を改良し、ボートサポートの強度と耐用年数を向上させることが特に重要です。
つまり、太陽電池の製造工程における工程時間と工程回数の増加に伴い、石英ボートなどの部品に隠れた亀裂や破損が発生しやすくなっています。現在、中国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、定期的に停止して清掃、メンテナンス、石英キャリアの交換を行う必要があります。さらに、石英部品の原料となる高純度石英砂は現在、需給逼迫状態にあり、価格も長期にわたって高止まりしているため、生産効率の向上や経済効果の向上には明らかに不利な状況です。
炭化ケイ素セラミックス「現れる」
現在、一部の石英部品に代わる、より優れた性能を持つ材料、炭化ケイ素セラミックが開発されています。
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、耐化学腐食性を備えており、冶金、機械、新エネルギー、建材、化学薬品などの高温分野で広く使用されています。その性能は、太陽光発電製造、LPCVD（低圧化学蒸着）、PECVD（プラズマ化学蒸着）などの熱処理工程におけるTOPconセルの普及にも十分です。
LPCVDシリコンカーバイドボートサポートとホウ素拡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サポート、ボート、チューブ製品は、強度が高く、熱安定性が優れ、高温でも変形せず、寿命は石英材料の5倍以上であり、メンテナンスやダウンタイムによる使用コストとエネルギー損失を大幅に削減できます。コスト優位性は明らかで、原材料の供給源も広いです。
中でも、反応焼結炭化ケイ素（RBSiC）は、焼結温度が低く、生産コストが低く、材料の緻密化が高く、反応焼結時の体積収縮がほとんどないことが特徴です。特に大型で複雑な形状の構造部品の製造に適しており、ボートの支柱、ボート、片持ちパドル、炉管など、大型で複雑な製品の製造に最適です。
シリコンカーバイドウェーハボート将来的にも大きな発展の見通しがあります。LPCVDプロセスやホウ素膨張プロセスに関係なく、石英ボートの寿命は比較的低く、石英材料の熱膨張係数はシリコンカーバイド材料と一致していません。そのため、高温でシリコンカーバイドボートホルダーとマッチングするプロセスで偏差が発生しやすく、ボートが揺れたり、ボートが壊れたりする可能性があります。シリコンカーバイドボートは、一体成形と全体処理のプロセスルートを採用しています。その形状と位置の公差要件は高く、シリコンカーバイドボートホルダーとの連携が優れています。さらに、シリコンカーバイドは強度が高く、石英ボートよりも人体との衝突による破損の可能性がはるかに低くなります。
シリコンカーバイドウェーハボート
炉管は炉の主要な伝熱部品であり、密閉性と均一な伝熱を担っています。石英炉管と比較して、炭化ケイ素炉管は優れた熱伝導性、均一な加熱、優れた熱安定性を備えており、寿命は石英管の5倍以上です。
まとめ
一般的に、製品の性能や使用コストの面から見ても、太陽電池分野の特定の側面では、炭化ケイ素セラミック材料は石英材料よりも多くの利点を持っています。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のに大きく役立っています。今後、大型炭化ケイ素炉管、高純度炭化ケイ素ボート、ボートサポートの大量応用と継続的なコスト削減により、太陽光発電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発展に重要な影響を与えるでしょう。
投稿日時: 2024年11月5日