В условиях непрерывного развития современного мира невозобновляемые источники энергии все больше истощаются, и для человеческого общества становится все более актуальной задача использования возобновляемых источников энергии, представленных «ветром, светом, водой и ядерной энергией». По сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии, человечество обладает наиболее зрелой, безопасной и надежной технологией использования солнечной энергии. Среди них чрезвычайно быстро развивается индустрия фотоэлектрических элементов с использованием высокочистого кремния в качестве подложки. К концу 2023 года совокупная установленная мощность солнечных фотоэлектрических систем в нашей стране превысила 250 гигаватт, а выработка электроэнергии на основе фотоэлектрических элементов достигла 266,3 млрд кВт·ч, что примерно на 30% больше, чем годом ранее, а вновь введенные в эксплуатацию мощности составили 78,42 млн киловатт, что на 154% больше, чем годом ранее. По состоянию на конец июня суммарная установленная мощность фотоэлектрических электростанций составила около 470 миллионов киловатт, что превзошло гидроэнергетику и сделало ее вторым по величине источником энергии в моей стране.
В то время как фотоэлектрическая промышленность стремительно развивается, быстро развивается и поддерживающая её индустрия новых материалов. Кварцевые компоненты, такие каккварцевые тиглиКварцевые лодочки и бутылки, а также другие кварцевые емкости, играют важную роль в процессе производства фотоэлектрических элементов. Например, кварцевые тигли используются для хранения расплавленного кремния при производстве кремниевых стержней и слитков; кварцевые лодочки, трубки, бутылки, емкости для очистки и т. д. выполняют функцию подшипников на этапах диффузии, очистки и других технологических этапах производства солнечных элементов, обеспечивая чистоту и качество кремниевых материалов.
Основные области применения кварцевых компонентов в производстве фотоэлектрических элементов.
В процессе производства солнечных фотоэлектрических элементов кремниевые пластины помещаются на подложку, которая, в свою очередь, устанавливается на опору для подложки для диффузии, LPCVD и других термических процессов. Ключевым элементом, обеспечивающим перемещение опоры с кремниевыми пластинами в нагревательную печь и обратно, является консольная лопасть из карбида кремния. Как показано на рисунке ниже, консольная лопасть из карбида кремния обеспечивает концентричность кремниевой пластины и трубки печи, что делает диффузию и пассивацию более равномерными. В то же время она экологически безопасна и не деформируется при высоких температурах, обладает хорошей термостойкостью и большой грузоподъемностью, и широко используется в области фотоэлектрических элементов.
Схема основных компонентов системы зарядки аккумулятора.
В процессе диффузии с мягкой посадкой традиционная кварцевая лодка илодка из вафельДля диффузионной печи необходимо поместить кремниевую пластину вместе с кварцевой лодочкой в кварцевую трубку. В каждом процессе диффузии кварцевая лодка с кремниевыми пластинами помещается на лопатку из карбида кремния. После того, как лопатка из карбида кремния входит в кварцевую трубку, она автоматически опускается, опуская кварцевую лодочку и кремниевую пластину, а затем медленно возвращается в исходное положение. После каждого процесса кварцевую лодочку необходимо извлечь из трубки.лопатка из карбида кремнияТакая частая эксплуатация приведет к износу кварцевой опоры со временем. Как только кварцевая опора треснет и сломается, вся она отвалится от лопасти из карбида кремния, повредив кварцевые детали, кремниевые пластины и лопасти из карбида кремния, расположенные ниже. Лопасть из карбида кремния дорогостоящая и не подлежит ремонту. В случае аварии это приведет к огромным материальным убыткам.
В процессе LPCVD возникают не только вышеупомянутые проблемы, связанные с термическими напряжениями, но и, поскольку в процессе LPCVD требуется прохождение силана через кремниевую пластину, в течение длительного времени на подложке и самой пластине образуется кремниевое покрытие. Из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения покрытого кремния и кварца подложка и пластина трескаются, что значительно сокращает срок их службы. Срок службы обычных кварцевых пластин и подложек в процессе LPCVD обычно составляет всего 2-3 месяца. Поэтому особенно важно улучшить материал подложки для повышения прочности и срока службы, чтобы избежать подобных проблем.
Вкратце, по мере увеличения времени и количества циклов обработки при производстве солнечных элементов, кварцевые лодочки и другие компоненты подвержены скрытым трещинам или даже поломкам. Срок службы кварцевых лодочек и трубок на современных основных производственных линиях в Китае составляет около 3-6 месяцев, и их необходимо регулярно останавливать для очистки, технического обслуживания и замены кварцевых носителей. Кроме того, высокочистый кварцевый песок, используемый в качестве сырья для кварцевых компонентов, в настоящее время находится в состоянии дефицита, а его цена уже долгое время остается на высоком уровне, что явно не способствует повышению эффективности производства и экономической выгоды.
Керамика из карбида кремния«прийти»
Теперь же был разработан материал с лучшими характеристиками для замены некоторых кварцевых компонентов — керамика из карбида кремния.
Керамика из карбида кремния обладает хорошей механической прочностью, термической стабильностью, термостойкостью, стойкостью к окислению, термоударам и химической коррозии, и широко используется в таких областях, как металлургия, машиностроение, возобновляемая энергетика, строительные материалы и химическая промышленность. Ее характеристики также достаточны для применения в фотоэлектрических элементах, таких как ячейки TOPcon, при низкотемпературном химическом осаждении из газовой фазы (LPCVD), плазменном химическом осаждении из газовой фазы (PECVD) и других процессах с использованием высоких температур.
Опора для лодок из карбида кремния, полученного методом LPCVD, и опора для лодок из карбида кремния, расширенного бором.
По сравнению с традиционными кварцевыми материалами, опоры для лодок, сами лодки и трубчатые изделия, изготовленные из керамики на основе карбида кремния, обладают более высокой прочностью, лучшей термической стабильностью, не деформируются при высоких температурах и имеют срок службы более чем в 5 раз превышающий срок службы кварцевых материалов. Это позволяет значительно снизить эксплуатационные расходы и потери энергии, вызванные техническим обслуживанием и простоями. Преимущества в стоимости очевидны, а источники сырья широки.
Среди них реакционно-спеченный карбид кремния (RBSiC) обладает низкой температурой спекания, низкой себестоимостью производства, высокой плотностью материала и практически полным отсутствием усадки объема в процессе реакционного спекания. Он особенно подходит для изготовления крупногабаритных и сложных по форме конструкционных деталей. Поэтому он наиболее подходит для производства крупногабаритных и сложных изделий, таких как опоры для лодок, сами лодки, консольные лопасти, трубы для печей и т. д.
Лодки из кремниевых пластинТакже они обладают большими перспективами развития в будущем. Независимо от процесса LPCVD или процесса расширения бора, срок службы кварцевой лодочки относительно невелик, а коэффициент теплового расширения кварцевого материала не соответствует коэффициенту теплового расширения карбида кремния. Поэтому при высоких температурах легко возникают отклонения в процессе сопряжения с держателем лодочки из карбида кремния, что приводит к раскачиванию лодочки или даже ее поломке. Лодочка из карбида кремния изготавливается методом цельного литья и комплексной обработки. К ее форме и положению предъявляются высокие требования, и она лучше взаимодействует с держателем лодочки из карбида кремния. Кроме того, карбид кремния обладает высокой прочностью, и вероятность поломки лодочки из-за удара человека значительно ниже, чем у кварцевой лодочки.
Лодка из кремниевой пластины карбида
Трубка печи является основным теплопередающим элементом печи, играющим роль в герметизации и равномерном распределении тепла. По сравнению с кварцевыми трубками, трубки из карбида кремния обладают хорошей теплопроводностью, равномерным нагревом и высокой термической стабильностью, а срок их службы более чем в 5 раз превышает срок службы кварцевых трубок.
Краткое содержание
В целом, как с точки зрения производительности, так и стоимости использования, керамические материалы на основе карбида кремния обладают большими преимуществами по сравнению с кварцевыми материалами в некоторых аспектах области солнечных элементов. Применение керамических материалов на основе карбида кремния в фотоэлектрической промышленности значительно помогло фотоэлектрическим компаниям снизить инвестиционные затраты на вспомогательные материалы и повысить качество продукции и конкурентоспособность. В будущем, с широкомасштабным применением крупногабаритных труб из карбида кремния, высокочистых лодочек и опор для лодочек из карбида кремния и непрерывным снижением затрат, применение керамических материалов на основе карбида кремния в области фотоэлектрических элементов станет ключевым фактором повышения эффективности преобразования световой энергии и снижения отраслевых затрат в области фотоэлектрической энергетики, а также окажет важное влияние на развитие фотоэлектрической энергетики.
Дата публикации: 05.11.2024