เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์: จุดจบของส่วนประกอบควอตซ์สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์

ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของโลกในปัจจุบัน พลังงานที่ไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้กำลังหมดลงเรื่อยๆ และสังคมมนุษย์จึงมีความเร่งด่วนมากขึ้นในการใช้พลังงานหมุนเวียน เช่น “ลม แสง น้ำ และนิวเคลียร์” เมื่อเทียบกับแหล่งพลังงานหมุนเวียนอื่นๆ มนุษย์มีเทคโนโลยีการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ที่พัฒนาแล้ว ปลอดภัย และเชื่อถือได้มากที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ซิลิคอนบริสุทธิ์สูงเป็นวัสดุรองรับ ซึ่งมีการพัฒนาอย่างรวดเร็วมาก ภายในสิ้นปี 2023 กำลังการผลิตติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์สะสมของประเทศเกิน 250 กิกะวัตต์ และการผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ได้ถึง 266.3 พันล้านกิโลวัตต์ชั่วโมง เพิ่มขึ้นประมาณ 30% เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า และกำลังการผลิตไฟฟ้าที่เพิ่มเข้ามาใหม่มีจำนวน 78.42 ล้านกิโลวัตต์ เพิ่มขึ้น 154% เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า ณ สิ้นเดือนมิถุนายน กำลังการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ที่ติดตั้งสะสมมีประมาณ 470 ล้านกิโลวัตต์ ซึ่งแซงหน้าพลังงานน้ำและกลายเป็นแหล่งพลังงานที่ใหญ่เป็นอันดับสองในประเทศของฉัน

ในขณะที่อุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว อุตสาหกรรมวัสดุใหม่ที่รองรับอุตสาหกรรมนี้ก็กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วเช่นกัน เช่น ชิ้นส่วนควอตซ์เบ้าหลอมควอตซ์เรือควอตซ์และขวดควอตซ์เป็นหนึ่งในนั้น โดยมีบทบาทสำคัญในกระบวนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ ตัวอย่างเช่น เบ้าหลอมควอตซ์ใช้สำหรับบรรจุซิลิคอนหลอมเหลวในการผลิตแท่งซิลิคอนและแท่งซิลิคอน เรือควอตซ์ ท่อ ขวด ถังทำความสะอาด ฯลฯ ทำหน้าที่รองรับในขั้นตอนการแพร่กระจาย การทำความสะอาด และขั้นตอนอื่นๆ ในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ ฯลฯ เพื่อรับประกันความบริสุทธิ์และคุณภาพของวัสดุซิลิคอน

การใช้งานหลักของส่วนประกอบควอตซ์ในการผลิตแผงโซลาร์เซลล์

ในกระบวนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนจะถูกวางบนแท่นวางเวเฟอร์ และแท่นวางเวเฟอร์จะถูกวางบนฐานรองเวเฟอร์เพื่อทำการแพร่ การเคลือบผิวด้วยความร้อนแบบ LPCVD และกระบวนการทางความร้อนอื่นๆ ในขณะที่ใบพัดคานยื่นที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นส่วนประกอบสำคัญในการเคลื่อนย้ายฐานรองเวเฟอร์ที่บรรทุกแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนเข้าและออกจากเตาเผา ดังแสดงในรูปด้านล่าง ใบพัดคานยื่นที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์ช่วยให้มั่นใจได้ว่าแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนและท่อเตาเผามีความเป็นศูนย์กลางตรงกัน ทำให้การแพร่และการเคลือบผิวมีความสม่ำเสมอมากขึ้น ในขณะเดียวกันก็ปราศจากมลพิษและไม่เสียรูปที่อุณหภูมิสูง มีความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้ดี และรับน้ำหนักได้มาก จึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในด้านเซลล์แสงอาทิตย์

แผนภาพแสดงส่วนประกอบสำคัญในการชาร์จแบตเตอรี่

ในกระบวนการกระจายตัวแบบนุ่มนวล เรือควอตซ์แบบดั้งเดิมและเรือเวเฟอร์จำเป็นต้องวางแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนพร้อมกับแท่นรองควอตซ์ลงในท่อควอตซ์ภายในเตาแพร่กระจาย ในแต่ละกระบวนการแพร่กระจาย แท่นรองควอตซ์ที่บรรจุแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนจะถูกวางบนใบพัดซิลิคอนคาร์ไบด์ หลังจากที่ใบพัดซิลิคอนคาร์ไบด์เข้าไปในท่อควอตซ์แล้ว ใบพัดจะจมลงโดยอัตโนมัติเพื่อวางแท่นรองควอตซ์และแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน จากนั้นจะค่อยๆ เคลื่อนกลับไปยังจุดเริ่มต้น หลังจากแต่ละกระบวนการเสร็จสิ้น แท่นรองควอตซ์จะต้องถูกนำออกจากเตาแพร่กระจายใบพายซิลิคอนคาร์ไบด์การใช้งานบ่อยครั้งเช่นนี้จะทำให้ตัวรองรับเรือควอตซ์สึกหรอในระยะยาว เมื่อตัวรองรับเรือควอตซ์แตกหัก ตัวรองรับเรือควอตซ์ทั้งหมดจะหลุดออกจากใบพัดซิลิคอนคาร์ไบด์ และจะทำให้ชิ้นส่วนควอตซ์ แผ่นซิลิคอน และใบพัดซิลิคอนคาร์ไบด์ด้านล่างเสียหาย ใบพัดซิลิคอนคาร์ไบด์มีราคาแพงและไม่สามารถซ่อมแซมได้ เมื่อเกิดอุบัติเหตุขึ้น จะทำให้เกิดความเสียหายต่อทรัพย์สินอย่างมหาศาล

ในกระบวนการ LPCVD ไม่เพียงแต่จะเกิดปัญหาความเครียดจากความร้อนดังที่กล่าวมาข้างต้นเท่านั้น แต่เนื่องจากกระบวนการ LPCVD ต้องใช้ก๊าซไซเลนผ่านแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน กระบวนการในระยะยาวจะทำให้เกิดการเคลือบซิลิคอนบนตัวรองรับเวเฟอร์และตัวเวเฟอร์เองด้วย เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของซิลิคอนที่เคลือบและควอตซ์ไม่สอดคล้องกัน ตัวรองรับและตัวเวเฟอร์จะแตก และอายุการใช้งานจะลดลงอย่างมาก อายุการใช้งานของตัวเวเฟอร์และตัวรองรับที่ทำจากควอตซ์ทั่วไปในกระบวนการ LPCVD มักจะอยู่ที่เพียง 2 ถึง 3 เดือนเท่านั้น ดังนั้น การปรับปรุงวัสดุของตัวรองรับเวเฟอร์เพื่อเพิ่มความแข็งแรงและอายุการใช้งานจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งเพื่อหลีกเลี่ยงอุบัติเหตุเช่นนี้

โดยสรุปแล้ว เมื่อเวลาและจำนวนครั้งในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์เพิ่มขึ้น เรือควอตซ์และส่วนประกอบอื่นๆ มีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตกร้าวที่ซ่อนอยู่หรือแม้กระทั่งแตกหักได้ อายุการใช้งานของเรือควอตซ์และท่อควอตซ์ในสายการผลิตหลักในปัจจุบันของจีนอยู่ที่ประมาณ 3-6 เดือน และจำเป็นต้องหยุดการผลิตเป็นประจำเพื่อทำความสะอาด บำรุงรักษา และเปลี่ยนตัวรองรับควอตซ์ นอกจากนี้ ทรายควอตซ์บริสุทธิ์สูงที่ใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับส่วนประกอบควอตซ์ในปัจจุบันอยู่ในภาวะอุปทานและอุปสงค์ตึงตัว และราคาก็อยู่ในระดับสูงมาเป็นเวลานาน ซึ่งเห็นได้ชัดว่าไม่เอื้อต่อการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจ

เซรามิกส์ซิลิคอนคาร์ไบด์“ปรากฏตัว”

ปัจจุบัน มีการคิดค้นวัสดุที่มีประสิทธิภาพดีกว่ามาใช้แทนส่วนประกอบบางอย่างของควอตซ์ นั่นก็คือ เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์

เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์มีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมในด้านความแข็งแรงเชิงกล ความเสถียรทางความร้อน ความทนทานต่ออุณหภูมิสูง ความทนทานต่อการออกซิเดชัน ความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน และความทนทานต่อการกัดกร่อนทางเคมี จึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิสูง เช่น โลหะวิทยา เครื่องจักรกล พลังงานใหม่ วัสดุก่อสร้าง และสารเคมี นอกจากนี้ คุณสมบัติของมันยังเพียงพอสำหรับการใช้งานในเซลล์ TOPcon ในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ กระบวนการ LPCVD (การตกตะกอนไอสารเคมีความดันต่ำ) กระบวนการ PECVD (การตกตะกอนไอสารเคมีด้วยพลาสมา) และกระบวนการทางความร้อนอื่นๆ

ตัวรองรับเรือที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์แบบ LPCVD และตัวรองรับเรือที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์แบบขยายตัวด้วยโบรอน

เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุควอตซ์แบบดั้งเดิม โครงสร้างรองรับเรือ เรือ และผลิตภัณฑ์ท่อที่ทำจากวัสดุเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์มีความแข็งแรงสูงกว่า มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีกว่า ไม่เสียรูปที่อุณหภูมิสูง และมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าวัสดุควอตซ์ถึง 5 เท่า ซึ่งสามารถลดต้นทุนการใช้งานและการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากการบำรุงรักษาและการหยุดทำงานได้อย่างมาก ข้อได้เปรียบด้านต้นทุนนั้นชัดเจน และแหล่งวัตถุดิบก็มีให้เลือกมากมาย

ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ผ่านกระบวนการเผาผนึกด้วยปฏิกิริยา (RBSiC) มีอุณหภูมิการเผาผนึกต่ำ ต้นทุนการผลิตต่ำ ความหนาแน่นของวัสดุสูง และแทบไม่มีการหดตัวของปริมาตรในระหว่างการเผาผนึกด้วยปฏิกิริยา จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเตรียมชิ้นส่วนโครงสร้างขนาดใหญ่และรูปทรงซับซ้อน ดังนั้นจึงเหมาะที่สุดสำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์ขนาดใหญ่และซับซ้อน เช่น ตัวรองรับเรือ เรือ ใบพัดแบบคานยื่น ท่อเตาเผา เป็นต้น

เรือเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์นอกจากนี้ยังมีโอกาสในการพัฒนาที่ดีในอนาคต ไม่ว่าจะเป็นกระบวนการ LPCVD หรือกระบวนการขยายตัวของโบรอน อายุการใช้งานของเรือควอตซ์ค่อนข้างต่ำ และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุควอตซ์ไม่สอดคล้องกับวัสดุซิลิคอนคาร์ไบด์ ดังนั้นจึงง่ายต่อการเกิดความคลาดเคลื่อนในกระบวนการประกอบกับตัวยึดเรือซิลิคอนคาร์ไบด์ที่อุณหภูมิสูง ซึ่งนำไปสู่สถานการณ์ที่เรือสั่นหรือแม้กระทั่งแตก เรือซิลิคอนคาร์ไบด์ใช้วิธีการขึ้นรูปชิ้นเดียวและการประมวลผลโดยรวม มีข้อกำหนดความคลาดเคลื่อนของรูปทรงและตำแหน่งสูง และทำงานร่วมกับตัวยึดเรือซิลิคอนคาร์ไบด์ได้ดีกว่า นอกจากนี้ ซิลิคอนคาร์ไบด์ยังมีความแข็งแรงสูง และเรือมีโอกาสแตกน้อยกว่าเรือควอตซ์เนื่องจากการชนของมนุษย์

เรือเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์

ท่อเตาเป็นส่วนประกอบหลักในการถ่ายเทความร้อนของเตา ซึ่งมีบทบาทในการปิดผนึกและการถ่ายเทความร้อนอย่างสม่ำเสมอ เมื่อเปรียบเทียบกับท่อเตาควอตซ์ ท่อเตาซิลิคอนคาร์ไบด์มีค่าการนำความร้อนที่ดี การให้ความร้อนสม่ำเสมอ และเสถียรภาพทางความร้อนที่ดี อีกทั้งยังมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าท่อควอตซ์ถึง 5 เท่า

สรุป

โดยทั่วไปแล้ว ไม่ว่าจะเป็นในแง่ของประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์หรือต้นทุนการใช้งาน วัสดุเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์มีข้อได้เปรียบมากกว่าวัสดุควอตซ์ในบางแง่มุมของเซลล์แสงอาทิตย์ การประยุกต์ใช้วัสดุเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ในอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ได้ช่วยให้บริษัทผู้ผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ลดต้นทุนการลงทุนในวัสดุเสริม และปรับปรุงคุณภาพและความสามารถในการแข่งขันของผลิตภัณฑ์ได้อย่างมาก ในอนาคต ด้วยการใช้งานท่อเตาเผาซิลิคอนคาร์ไบด์ขนาดใหญ่ เรือซิลิคอนคาร์ไบด์ความบริสุทธิ์สูง และตัวรองรับเรือในวงกว้าง และการลดต้นทุนอย่างต่อเนื่อง การประยุกต์ใช้วัสดุเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ในด้านเซลล์แสงอาทิตย์จะกลายเป็นปัจจัยสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงและลดต้นทุนอุตสาหกรรมในด้านการผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ และจะมีผลกระทบสำคัญต่อการพัฒนาพลังงานใหม่จากเซลล์แสงอาทิตย์