Com o desenvolvimento contínuo do mundo atual, as energias não renováveis estão se esgotando cada vez mais, e a sociedade humana sente uma urgência crescente em utilizar energias renováveis, como a eólica, a solar, a hídrica e a nuclear. Comparada a outras fontes de energia renovável, a energia solar é a tecnologia mais madura, segura e confiável que a humanidade possui. Dentre elas, a indústria de células fotovoltaicas com silício de alta pureza como substrato se desenvolveu extremamente rápido. Até o final de 2023, a capacidade instalada acumulada de energia solar fotovoltaica no país ultrapassou 250 gigawatts, e a geração de energia fotovoltaica atingiu 266,3 bilhões de kWh, um aumento de cerca de 30% em relação ao ano anterior, com uma capacidade de geração de energia adicionada de 78,42 milhões de quilowatts, um aumento de 154% em relação ao ano anterior. Até o final de junho, a capacidade instalada acumulada de geração de energia fotovoltaica era de cerca de 470 milhões de quilowatts, ultrapassando a energia hidrelétrica e se tornando a segunda maior fonte de energia do país.
Embora a indústria fotovoltaica esteja se desenvolvendo rapidamente, a indústria de novos materiais que a apoia também está se desenvolvendo rapidamente. Componentes de quartzo, como...cadinhos de quartzoBarcos e frascos de quartzo, entre outros, desempenham um papel importante no processo de fabricação de células fotovoltaicas. Por exemplo, os cadinhos de quartzo são usados para armazenar silício fundido na produção de barras e lingotes de silício; barcos, tubos, frascos e tanques de limpeza de quartzo, etc., são essenciais nas etapas de difusão, limpeza e outras etapas do processo de produção de células solares, garantindo a pureza e a qualidade dos materiais de silício.
Principais aplicações de componentes de quartzo na fabricação de células fotovoltaicas
No processo de fabricação de células fotovoltaicas solares, as pastilhas de silício são colocadas em um barco de wafers, que por sua vez é posicionado sobre um suporte para processos de difusão, LPCVD e outras etapas térmicas. A pá de carbeto de silício em balanço é o componente chave para movimentar o suporte que transporta as pastilhas de silício para dentro e para fora do forno de aquecimento. Como ilustrado na figura abaixo, a pá de carbeto de silício em balanço garante a concentricidade entre a pastilha de silício e o tubo do forno, tornando a difusão e a passivação mais uniformes. Além disso, ela é livre de contaminantes e não se deforma em altas temperaturas, possui boa resistência ao choque térmico e grande capacidade de carga, sendo amplamente utilizada na área de células fotovoltaicas.
Diagrama esquemático dos principais componentes de carregamento da bateria
No processo de difusão de pouso suave, o barco de quartzo tradicional ebarco de waferPara realizar o processo de difusão, é necessário colocar a pastilha de silício juntamente com o suporte de quartzo dentro do tubo de quartzo no forno de difusão. Em cada etapa, o suporte de quartzo contendo as pastilhas de silício é posicionado sobre a pá de carbeto de silício. Após a pá de carbeto de silício entrar no tubo de quartzo, ela afunda automaticamente, depositando o suporte de quartzo e a pastilha de silício, e então retorna lentamente à posição inicial. Após cada etapa, o suporte de quartzo precisa ser removido do tubo.pá de carboneto de silícioA operação frequente causará o desgaste do suporte do barco de quartzo ao longo do tempo. Quando o suporte do barco de quartzo rachar e quebrar, ele se desprenderá completamente da pá de carbeto de silício, danificando as peças de quartzo, os wafers de silício e as pás de carbeto de silício abaixo. A pá de carbeto de silício é cara e não pode ser reparada. Um acidente pode causar enormes prejuízos materiais.
No processo LPCVD, além dos problemas de tensão térmica já mencionados, o processo também envolve a passagem de gás silano através da pastilha de silício, o que resulta na formação de um revestimento de silício no suporte e na própria pastilha. Devido à inconsistência dos coeficientes de expansão térmica do silício e do quartzo, o suporte e a pastilha podem apresentar fissuras, reduzindo significativamente sua vida útil. A vida útil de suportes e bases de quartzo comuns no processo LPCVD é geralmente de apenas 2 a 3 meses. Portanto, é crucial aprimorar o material de suporte da pastilha para aumentar sua resistência e prolongar sua vida útil, evitando assim tais problemas.
Em resumo, à medida que o tempo de processo e o número de ciclos aumentam durante a produção de células solares, os barcos de quartzo e outros componentes ficam propensos a rachaduras ocultas ou mesmo quebras. A vida útil dos barcos e tubos de quartzo nas linhas de produção convencionais na China é de cerca de 3 a 6 meses, sendo necessário interromper regularmente as operações para limpeza, manutenção e substituição dos suportes de quartzo. Além disso, a areia de quartzo de alta pureza, utilizada como matéria-prima para os componentes de quartzo, encontra-se atualmente em situação de escassez de oferta e demanda, com preço elevado há muito tempo, o que obviamente não contribui para o aumento da eficiência da produção e dos benefícios econômicos.
cerâmica de carbeto de silício"aparecer"
Agora, foi desenvolvido um material com melhor desempenho para substituir alguns componentes de quartzo: a cerâmica de carbeto de silício.
A cerâmica de carbeto de silício possui boa resistência mecânica, estabilidade térmica, resistência a altas temperaturas, resistência à oxidação, resistência ao choque térmico e resistência à corrosão química, sendo amplamente utilizada em setores de alta tecnologia como metalurgia, máquinas, novas energias, materiais de construção e química. Seu desempenho também é suficiente para a difusão de células TOPcon na fabricação de células fotovoltaicas, por meio de processos como LPCVD (deposição química de vapor a baixa pressão), PECVD (deposição química de vapor por plasma) e outras etapas de processamento térmico.
Suporte de barco de carbeto de silício LPCVD e suporte de barco de carbeto de silício expandido com boro
Em comparação com os materiais tradicionais de quartzo, os suportes, barcos e tubos fabricados com materiais cerâmicos de carboneto de silício apresentam maior resistência, melhor estabilidade térmica, não deformam em altas temperaturas e têm uma vida útil mais de 5 vezes superior à dos materiais de quartzo, o que pode reduzir significativamente os custos de utilização e as perdas de energia causadas por manutenção e tempo de inatividade. A vantagem em termos de custos é evidente e a disponibilidade de matérias-primas é ampla.
Dentre eles, o carbeto de silício sinterizado por reação (RBSiC) apresenta baixa temperatura de sinterização, baixo custo de produção, alta densificação do material e praticamente nenhuma contração volumétrica durante a sinterização por reação. É particularmente adequado para a preparação de peças estruturais de grandes dimensões e formatos complexos. Portanto, é ideal para a produção de produtos de grandes dimensões e com formas complexas, como suportes de barcos, barcos, pás em balanço, tubos de fornos, etc.
barcos de wafer de carboneto de silícioAlém disso, apresentam ótimas perspectivas de desenvolvimento futuro. Independentemente do processo LPCVD ou do processo de expansão de boro, a vida útil do barco de quartzo é relativamente baixa, e o coeficiente de expansão térmica do quartzo é incompatível com o do carboneto de silício. Portanto, é comum ocorrerem desvios durante o processo de encaixe com o suporte de carboneto de silício em altas temperaturas, o que pode levar à vibração ou até mesmo à quebra do barco. O barco de carboneto de silício adota o processo de moldagem em peça única e usinagem completa. Suas exigências de tolerância de forma e posição são elevadas, e ele se encaixa melhor no suporte de carboneto de silício. Além disso, o carboneto de silício possui alta resistência, e o barco é muito menos propenso a quebrar devido a colisões humanas do que o barco de quartzo.
barco de wafer de carboneto de silício
O tubo do forno é o principal componente de transferência de calor do forno, desempenhando um papel fundamental na vedação e na distribuição uniforme do calor. Comparados aos tubos de quartzo, os tubos de carboneto de silício apresentam boa condutividade térmica, aquecimento uniforme e boa estabilidade térmica, com uma vida útil mais de 5 vezes superior à dos tubos de quartzo.
Resumo
De modo geral, seja em termos de desempenho do produto ou custo de uso, os materiais cerâmicos de carbeto de silício apresentam mais vantagens do que os materiais de quartzo em certos aspectos do campo das células solares. A aplicação de materiais cerâmicos de carbeto de silício na indústria fotovoltaica tem contribuído significativamente para a redução dos custos de investimento em materiais auxiliares e para a melhoria da qualidade e competitividade dos produtos. No futuro, com a aplicação em larga escala de tubos de carbeto de silício de grandes dimensões para fornos, barcos de carbeto de silício de alta pureza e suportes para barcos, e com a contínua redução de custos, a aplicação de materiais cerâmicos de carbeto de silício no campo das células fotovoltaicas se tornará um fator-chave para o aumento da eficiência da conversão de energia luminosa e para a redução dos custos da indústria na geração de energia fotovoltaica, tendo um impacto importante no desenvolvimento de novas fontes de energia fotovoltaica.
Data da publicação: 05/11/2024