Với sự phát triển không ngừng của thế giới hiện nay, các nguồn năng lượng không tái tạo đang ngày càng cạn kiệt, và xã hội loài người ngày càng cần thiết phải sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như “gió, điện, nước và hạt nhân”. So với các nguồn năng lượng tái tạo khác, con người sở hữu công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời trưởng thành, an toàn và đáng tin cậy nhất. Trong đó, ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sử dụng silicon tinh khiết làm chất nền đã phát triển cực kỳ nhanh chóng. Đến cuối năm 2023, tổng công suất lắp đặt điện mặt trời của cả nước đã vượt quá 250 gigawatt, sản lượng điện mặt trời đạt 266,3 tỷ kWh, tăng khoảng 30% so với năm trước, và công suất phát điện mới bổ sung là 78,42 triệu kilowatt, tăng 154% so với năm trước. Tính đến cuối tháng 6, tổng công suất lắp đặt điện mặt trời đạt khoảng 470 triệu kilowatt, đã vượt qua thủy điện để trở thành nguồn năng lượng lớn thứ hai tại nước ta.
Trong khi ngành công nghiệp quang điện đang phát triển nhanh chóng, ngành công nghiệp vật liệu mới hỗ trợ nó cũng đang phát triển mạnh mẽ. Các thành phần thạch anh như...chén nung thạch anhTrong số đó, thuyền thạch anh và bình thạch anh đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất quang điện. Ví dụ, nồi nấu thạch anh được sử dụng để chứa silic nóng chảy trong sản xuất thanh silic và thỏi silic; thuyền thạch anh, ống, bình, bể làm sạch, v.v. đóng vai trò hỗ trợ trong các khâu khuếch tán, làm sạch và các khâu khác trong sản xuất pin mặt trời, v.v., đảm bảo độ tinh khiết và chất lượng của vật liệu silic.
Các ứng dụng chính của linh kiện thạch anh trong sản xuất quang điện
Trong quy trình sản xuất pin mặt trời quang điện, các tấm silicon được đặt trên một chiếc thuyền đựng wafer, và chiếc thuyền này được đặt trên giá đỡ để thực hiện các quá trình khuếch tán, LPCVD và các quá trình nhiệt khác. Cánh gạt bằng silicon carbide là bộ phận chịu tải chính để di chuyển giá đỡ thuyền mang các tấm silicon vào và ra khỏi lò nung. Như hình dưới đây, cánh gạt bằng silicon carbide đảm bảo độ đồng tâm giữa tấm silicon và ống lò, nhờ đó quá trình khuếch tán và thụ động hóa diễn ra đồng đều hơn. Đồng thời, nó không gây ô nhiễm và không bị biến dạng ở nhiệt độ cao, có khả năng chịu sốc nhiệt tốt và tải trọng lớn, được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực pin mặt trời.
Sơ đồ cấu tạo các thành phần chính của bộ phận nạp pin.
Trong quy trình khuếch tán hạ cánh nhẹ nhàng, thuyền thạch anh truyền thống vàthuyền bánh xốpĐể thực hiện quá trình khuếch tán, cần đặt tấm silicon cùng với giá đỡ thuyền thạch anh vào ống thạch anh trong lò khuếch tán. Trong mỗi quá trình khuếch tán, giá đỡ thuyền thạch anh chứa các tấm silicon được đặt trên cánh khuấy silicon carbide. Sau khi cánh khuấy silicon carbide đi vào ống thạch anh, cánh khuấy sẽ tự động chìm xuống để đặt giá đỡ thuyền thạch anh và tấm silicon xuống, sau đó từ từ quay trở lại vị trí ban đầu. Sau mỗi quá trình, cần phải lấy giá đỡ thuyền thạch anh ra khỏi ống.mái chèo cacbua silicViệc vận hành thường xuyên như vậy sẽ khiến giá đỡ thuyền thạch anh bị mòn theo thời gian. Khi giá đỡ thuyền thạch anh bị nứt và vỡ, toàn bộ giá đỡ sẽ rơi khỏi cánh khuấy silicon carbide, làm hư hại các bộ phận thạch anh, tấm silicon và cánh khuấy silicon carbide bên dưới. Cánh khuấy silicon carbide rất đắt tiền và không thể sửa chữa. Một khi tai nạn xảy ra, nó sẽ gây ra thiệt hại tài sản rất lớn.
Trong quy trình LPCVD, không chỉ xảy ra các vấn đề về ứng suất nhiệt đã đề cập ở trên, mà do quy trình LPCVD yêu cầu khí silan đi qua tấm silicon, quá trình lâu dài cũng sẽ tạo ra một lớp phủ silicon trên giá đỡ thuyền wafer và chính thuyền wafer. Do sự không nhất quán về hệ số giãn nở nhiệt giữa silicon phủ và thạch anh, giá đỡ thuyền và thuyền sẽ bị nứt, và tuổi thọ sẽ bị giảm nghiêm trọng. Tuổi thọ của thuyền thạch anh và giá đỡ thuyền thông thường trong quy trình LPCVD thường chỉ từ 2 đến 3 tháng. Do đó, việc cải tiến vật liệu giá đỡ thuyền để tăng cường độ bền và tuổi thọ là đặc biệt quan trọng để tránh những sự cố như vậy.
Tóm lại, khi thời gian và số lần sản xuất tăng lên trong quá trình sản xuất pin mặt trời, các giá đỡ thạch anh và các bộ phận khác dễ bị nứt hoặc thậm chí vỡ. Tuổi thọ của giá đỡ thạch anh và ống thạch anh trong các dây chuyền sản xuất chính hiện nay ở Trung Quốc chỉ khoảng 3-6 tháng, và chúng cần được dừng hoạt động thường xuyên để vệ sinh, bảo trì và thay thế giá đỡ thạch anh. Hơn nữa, cát thạch anh tinh khiết được sử dụng làm nguyên liệu cho các bộ phận thạch anh hiện đang trong tình trạng cung cầu khan hiếm, và giá cả đã duy trì ở mức cao trong thời gian dài, điều này rõ ràng không có lợi cho việc nâng cao hiệu quả sản xuất và lợi ích kinh tế.
Gốm cacbua silic“xuất hiện”
Hiện nay, người ta đã tìm ra một loại vật liệu có hiệu suất tốt hơn để thay thế một số thành phần thạch anh - đó là gốm silicon carbide.
Gốm silicon carbide có độ bền cơ học tốt, ổn định nhiệt, chịu nhiệt độ cao, chống oxy hóa, chống sốc nhiệt và chống ăn mòn hóa học, được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực nhiệt độ cao như luyện kim, cơ khí, năng lượng mới, vật liệu xây dựng và hóa chất. Hiệu suất của nó cũng đủ để ứng dụng trong sản xuất tế bào TOPcon bằng phương pháp quang điện, LPCVD (lắng đọng hơi hóa học áp suất thấp), PECVD (lắng đọng hơi hóa học plasma) và các công đoạn xử lý nhiệt khác.
Giá đỡ thuyền silicon carbide LPCVD và giá đỡ thuyền silicon carbide mở rộng boron
So với các vật liệu thạch anh truyền thống, các sản phẩm khung đỡ thuyền, thuyền và ống làm từ vật liệu gốm silicon carbide có độ bền cao hơn, ổn định nhiệt tốt hơn, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao và tuổi thọ gấp hơn 5 lần so với vật liệu thạch anh, giúp giảm đáng kể chi phí sử dụng và tổn thất năng lượng do bảo trì và thời gian ngừng hoạt động. Ưu điểm về chi phí rất rõ ràng, và nguồn nguyên liệu dồi dào.
Trong số đó, cacbua silic thiêu kết phản ứng (RBSiC) có nhiệt độ thiêu kết thấp, chi phí sản xuất thấp, độ đặc chắc vật liệu cao và hầu như không bị co ngót thể tích trong quá trình thiêu kết phản ứng. Nó đặc biệt thích hợp cho việc chế tạo các bộ phận kết cấu có kích thước lớn và hình dạng phức tạp. Do đó, nó phù hợp nhất cho việc sản xuất các sản phẩm có kích thước lớn và phức tạp như giá đỡ thuyền, thuyền, mái chèo, ống lò nung, v.v.
Thuyền wafer silicon carbideNgoài ra, chúng còn có triển vọng phát triển rất lớn trong tương lai. Cho dù là quy trình LPCVD hay quy trình giãn nở boron, tuổi thọ của thuyền thạch anh đều tương đối thấp, và hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu thạch anh không nhất quán với vật liệu silicon carbide. Do đó, rất dễ xảy ra sai lệch trong quá trình ghép nối với giá đỡ thuyền silicon carbide ở nhiệt độ cao, dẫn đến tình trạng thuyền bị rung lắc hoặc thậm chí bị vỡ. Thuyền silicon carbide sử dụng quy trình đúc nguyên khối và gia công tổng thể. Yêu cầu về dung sai hình dạng và vị trí của nó rất cao, và nó phối hợp tốt hơn với giá đỡ thuyền silicon carbide. Thêm vào đó, silicon carbide có độ bền cao, và thuyền ít có khả năng bị vỡ do va chạm của con người hơn so với thuyền thạch anh.
Thuyền đựng tấm wafer silicon carbide
Ống lò nung là bộ phận truyền nhiệt chính của lò, đóng vai trò làm kín và truyền nhiệt đồng đều. So với ống lò nung thạch anh, ống lò nung silicon carbide có độ dẫn nhiệt tốt, khả năng gia nhiệt đồng đều, độ ổn định nhiệt tốt và tuổi thọ cao hơn gấp 5 lần so với ống thạch anh.
Bản tóm tắt
Nhìn chung, xét về hiệu suất sản phẩm hay chi phí sử dụng, vật liệu gốm silicon carbide có nhiều ưu điểm hơn vật liệu thạch anh ở một số khía cạnh trong lĩnh vực pin mặt trời. Việc ứng dụng vật liệu gốm silicon carbide trong ngành công nghiệp quang điện đã giúp các công ty quang điện giảm đáng kể chi phí đầu tư vật liệu phụ trợ, nâng cao chất lượng sản phẩm và khả năng cạnh tranh. Trong tương lai, với việc ứng dụng rộng rãi các ống lò silicon carbide kích thước lớn, thuyền silicon carbide độ tinh khiết cao và giá đỡ thuyền, cùng với việc giảm chi phí liên tục, việc ứng dụng vật liệu gốm silicon carbide trong lĩnh vực pin mặt trời sẽ trở thành yếu tố then chốt trong việc nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng ánh sáng và giảm chi phí công nghiệp trong lĩnh vực sản xuất điện mặt trời, đồng thời sẽ có tác động quan trọng đến sự phát triển của năng lượng mặt trời mới.
Thời gian đăng bài: 05/11/2024