เซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์: จุดสิ้นสุดของส่วนประกอบควอทซ์โฟโตวอลตาอิค

ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของโลกในปัจจุบัน พลังงานที่ไม่หมุนเวียนก็เริ่มหมดลงเรื่อยๆ และสังคมมนุษย์ก็มีความเร่งด่วนมากขึ้นในการใช้พลังงานหมุนเวียนที่เป็นตัวแทนของ "ลม แสง น้ำ และนิวเคลียร์" เมื่อเปรียบเทียบกับแหล่งพลังงานหมุนเวียนอื่นๆ มนุษย์มีเทคโนโลยีที่โตเต็มที่ ปลอดภัย และเชื่อถือได้มากที่สุดในการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ ในบรรดานั้น อุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นสารตั้งต้นได้พัฒนาอย่างรวดเร็วมาก ภายในสิ้นปี 2023 กำลังการผลิตติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์สะสมของประเทศของฉันเกิน 250 กิกะวัตต์ และการผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ได้สูงถึง 266,300 ล้านกิโลวัตต์ชั่วโมง เพิ่มขึ้นประมาณ 30% เมื่อเทียบเป็นรายปี และกำลังการผลิตไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นใหม่คือ 78.42 ล้านกิโลวัตต์ เพิ่มขึ้น 154% เมื่อเทียบเป็นรายปี ณ สิ้นเดือนมิถุนายน กำลังการผลิตติดตั้งรวมของการผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์อยู่ที่ประมาณ 470 ล้านกิโลวัตต์ ซึ่งแซงหน้าพลังงานน้ำและกลายมาเป็นแหล่งพลังงานที่ใหญ่เป็นอันดับสองในประเทศของฉัน

ในขณะที่อุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว อุตสาหกรรมวัสดุใหม่ที่สนับสนุนก็กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วเช่นกัน ส่วนประกอบควอตซ์ เช่นเบ้าหลอมควอตซ์เรือควอทซ์และขวดควอทซ์เป็นหนึ่งในเรือที่มีบทบาทสำคัญในกระบวนการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ ตัวอย่างเช่น เบ้าหลอมควอทซ์ใช้บรรจุซิลิคอนหลอมเหลวในการผลิตแท่งซิลิคอนและแท่งซิลิคอน เรือควอทซ์ หลอด ขวด ถังทำความสะอาด ฯลฯ ทำหน้าที่ในการรับน้ำหนักในการแพร่กระจาย ทำความสะอาด และขั้นตอนอื่นๆ ในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ ฯลฯ โดยรับประกันความบริสุทธิ์และคุณภาพของวัสดุซิลิคอน

การใช้งานหลักของส่วนประกอบควอตซ์สำหรับการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์

ในกระบวนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์แบบโฟโตวอลตาอิค แผ่นเวเฟอร์ซิลิกอนจะถูกวางบนเรือเวเฟอร์ และเรือจะถูกวางบนฐานรองรับเรือเวเฟอร์สำหรับการแพร่กระจาย LPCVD และกระบวนการความร้อนอื่นๆ ในขณะที่ใบพายแคนติลีเวอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์เป็นส่วนประกอบสำคัญในการเคลื่อนย้ายฐานรองรับเรือที่บรรจุแผ่นเวเฟอร์ซิลิกอนเข้าและออกจากเตาเผาความร้อน ดังที่แสดงในภาพด้านล่าง ใบพายแคนติลีเวอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถรับประกันความเป็นศูนย์กลางของแผ่นเวเฟอร์ซิลิกอนและท่อเตาเผาได้ ทำให้การแพร่กระจายและการทำให้เฉื่อยมีความสม่ำเสมอมากขึ้น ในเวลาเดียวกัน ยังปราศจากมลพิษและไม่เสียรูปเมื่ออยู่ที่อุณหภูมิสูง ทนทานต่อแรงกระแทกจากความร้อนได้ดี และรับน้ำหนักได้มาก และถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านเซลล์แสงอาทิตย์แบบโฟโตวอลตาอิค

แผนผังของส่วนประกอบการโหลดแบตเตอรี่หลัก

ในกระบวนการกระจายแบบลงจอดอย่างนุ่มนวล เรือควอตซ์แบบดั้งเดิมและเรือเวเฟอร์การสนับสนุนจำเป็นต้องวางเวเฟอร์ซิลิกอนร่วมกับตัวรองรับเรือควอตซ์ลงในหลอดควอตซ์ในเตากระจาย ในกระบวนการกระจายแต่ละครั้ง ตัวรองรับเรือควอตซ์ที่เต็มไปด้วยเวเฟอร์ซิลิกอนจะถูกวางบนพายซิลิกอนคาร์ไบด์ หลังจากที่พายซิลิกอนคาร์ไบด์เข้าไปในหลอดควอตซ์แล้ว พายจะจมโดยอัตโนมัติเพื่อวางตัวรองรับเรือควอตซ์และเวเฟอร์ซิลิกอนลง จากนั้นจะค่อยๆ ไหลกลับไปยังจุดเริ่มต้น หลังจากแต่ละกระบวนการ ต้องถอดตัวรองรับเรือควอตซ์ออกจากพายซิลิกอนคาร์ไบด์การทำงานบ่อยครั้งเช่นนี้จะทำให้ตัวรองรับเรือควอตซ์สึกหรอลงเป็นเวลานาน เมื่อตัวรองรับเรือควอตซ์แตกร้าวและแตกหัก ตัวรองรับเรือควอตซ์ทั้งหมดจะหลุดออกจากใบพายซิลิกอนคาร์ไบด์ และทำให้ชิ้นส่วนควอตซ์ แผ่นเวเฟอร์ซิลิกอน และใบพายซิลิกอนคาร์ไบด์ด้านล่างเสียหาย ใบพายซิลิกอนคาร์ไบด์มีราคาแพงและไม่สามารถซ่อมแซมได้ เมื่อเกิดอุบัติเหตุขึ้น จะทำให้สูญเสียทรัพย์สินจำนวนมาก

ในกระบวนการ LPCVD ไม่เพียงแต่จะเกิดปัญหาความเครียดจากความร้อนที่กล่าวข้างต้นเท่านั้น แต่เนื่องจากกระบวนการ LPCVD ต้องใช้ก๊าซไซเลนเพื่อผ่านเวเฟอร์ซิลิกอน กระบวนการระยะยาวจึงจะสร้างการเคลือบซิลิกอนบนตัวรองรับเรือเวเฟอร์และเรือเวเฟอร์ด้วย เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของซิลิกอนและควอตซ์ที่เคลือบนั้นไม่สม่ำเสมอ ตัวรองรับเรือและเรือจะแตกร้าว และอายุการใช้งานจะลดลงอย่างมาก อายุการใช้งานของเรือควอตซ์ทั่วไปและตัวรองรับเรือในกระบวนการ LPCVD มักจะอยู่ที่ 2 ถึง 3 เดือนเท่านั้น ดังนั้น จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องปรับปรุงวัสดุรองรับเรือเพื่อเพิ่มความแข็งแรงและอายุการใช้งานของตัวรองรับเรือเพื่อหลีกเลี่ยงอุบัติเหตุดังกล่าว

โดยสรุป เมื่อเวลาและจำนวนครั้งของกระบวนการเพิ่มขึ้นในระหว่างการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ เรือควอทซ์และส่วนประกอบอื่นๆ มีแนวโน้มที่จะมีรอยแตกหรือแม้แต่แตกหักที่ซ่อนอยู่ อายุการใช้งานของเรือควอทซ์และหลอดควอทซ์ในสายการผลิตหลักในปัจจุบันของจีนอยู่ที่ประมาณ 3-6 เดือน และจำเป็นต้องปิดเครื่องเป็นประจำเพื่อทำความสะอาด บำรุงรักษา และเปลี่ยนตัวพาควอทซ์ นอกจากนี้ ทรายควอทซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูงที่ใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับส่วนประกอบควอทซ์ในปัจจุบันอยู่ในสภาวะที่มีอุปทานและอุปสงค์ที่ตึงตัว และราคาอยู่ในระดับสูงมาเป็นเวลานาน ซึ่งเห็นได้ชัดว่าไม่เอื้อต่อการปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตและผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจ

เซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์“ปรากฏตัว”

ปัจจุบัน ผู้คนได้คิดค้นวัสดุที่มีประสิทธิภาพดีขึ้นเพื่อทดแทนส่วนประกอบควอตซ์บางชนิด เช่น เซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์

เซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์มีความแข็งแรงเชิงกลที่ดี มีเสถียรภาพทางความร้อน ทนต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการเกิดออกซิเดชัน ทนต่อการกระแทกจากความร้อน และทนต่อการกัดกร่อนของสารเคมี และใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาที่มีอุณหภูมิสูง เช่น โลหะวิทยา เครื่องจักร พลังงานใหม่ วัสดุก่อสร้าง และสารเคมี ประสิทธิภาพยังเพียงพอสำหรับการแพร่กระจายของเซลล์ TOPcon ในการผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ การสะสมไอเคมีด้วยแรงดันต่ำ PECVD และกระบวนการทางความร้อนอื่นๆ

ฐานรองรับเรือซิลิกอนคาร์ไบด์ LPCVD และฐานรองรับเรือซิลิกอนคาร์ไบด์ขยายโบรอน

เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุควอตซ์แบบดั้งเดิมแล้ว โครงเรือ เรือ และผลิตภัณฑ์ท่อที่ทำจากวัสดุเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์จะมีความแข็งแรงที่สูงกว่า มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีกว่า ไม่มีการเสียรูปในอุณหภูมิสูง และอายุการใช้งานมากกว่าวัสดุควอตซ์ถึง 5 เท่า ซึ่งสามารถลดต้นทุนการใช้งานและการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากการบำรุงรักษาและเวลาหยุดทำงานได้อย่างมาก ข้อได้เปรียบด้านต้นทุนนั้นชัดเจน และแหล่งที่มาของวัตถุดิบก็กว้างขวาง

ในบรรดานั้น ซิลิกอนคาร์ไบด์เผาปฏิกิริยา (RBSiC) มีอุณหภูมิการเผาต่ำ ต้นทุนการผลิตต่ำ วัสดุมีความหนาแน่นสูง และแทบไม่มีการหดตัวตามปริมาตรระหว่างการเผาปฏิกิริยา เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเตรียมชิ้นส่วนโครงสร้างขนาดใหญ่และมีรูปร่างซับซ้อน จึงเหมาะที่สุดสำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์ขนาดใหญ่และซับซ้อน เช่น โครงยึดเรือ เรือ พายคานยื่น ท่อเตาเผา เป็นต้น

เรือเวเฟอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์ยังมีแนวโน้มการพัฒนาที่ดีในอนาคต ไม่ว่าจะเป็นกระบวนการ LPCVD หรือกระบวนการขยายโบรอน อายุการใช้งานของเรือควอตซ์ค่อนข้างต่ำ และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุควอตซ์ไม่สอดคล้องกับวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์ ดังนั้นจึงมีความเบี่ยงเบนได้ง่ายในกระบวนการจับคู่กับที่ยึดเรือซิลิกอนคาร์ไบด์ที่อุณหภูมิสูง ซึ่งนำไปสู่สถานการณ์ที่เรือสั่นหรือแม้กระทั่งทำลายเรือ เรือซิลิกอนคาร์ไบด์ใช้เส้นทางกระบวนการของการขึ้นรูปชิ้นเดียวและการประมวลผลโดยรวม ความต้องการความทนทานต่อรูปร่างและตำแหน่งนั้นสูง และทำงานร่วมกับที่ยึดเรือซิลิกอนคาร์ไบด์ได้ดีขึ้น นอกจากนี้ ซิลิกอนคาร์ไบด์ยังมีความแข็งแรงสูง และมีโอกาสแตกหักเนื่องจากการชนของมนุษย์น้อยกว่าเรือควอตซ์มาก

เรือเวเฟอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์

ท่อเตาเผาเป็นส่วนประกอบการถ่ายเทความร้อนหลักของเตาเผา ซึ่งมีบทบาทในการปิดผนึกและถ่ายเทความร้อนอย่างสม่ำเสมอ เมื่อเปรียบเทียบกับท่อเตาเผาควอตซ์ ท่อเตาเผาซิลิกอนคาร์ไบด์มีการนำความร้อนที่ดี ให้ความร้อนสม่ำเสมอ และมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดี และมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าท่อควอตซ์มากกว่า 5 เท่า

สรุป

โดยทั่วไป ไม่ว่าจะเป็นในแง่ของประสิทธิภาพผลิตภัณฑ์หรือต้นทุนการใช้งาน วัสดุเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ก็มีข้อได้เปรียบมากกว่าวัสดุควอตซ์ในบางแง่มุมของสาขาเซลล์แสงอาทิตย์ การใช้วัสดุเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ในอุตสาหกรรมโฟโตวอลตาอิกส์ช่วยให้บริษัทโฟโตวอลตาอิกส์ลดต้นทุนการลงทุนของวัสดุเสริมและปรับปรุงคุณภาพและความสามารถในการแข่งขันของผลิตภัณฑ์ได้อย่างมาก ในอนาคต ด้วยการใช้ท่อเตาเผาซิลิกอนคาร์ไบด์ขนาดใหญ่ เรือซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงและตัวรองรับเรือ และการลดต้นทุนอย่างต่อเนื่อง การใช้วัสดุเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ในด้านเซลล์แสงอาทิตย์จะกลายเป็นปัจจัยสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงและลดต้นทุนอุตสาหกรรมในด้านการผลิตพลังงานโฟโตวอลตาอิก และจะมีผลกระทบสำคัญต่อการพัฒนาพลังงานใหม่จากโฟโตวอลตาอิก