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Con la creciente escasez de fuentes de energía tradicionales como el petróleo y el carbón, las nuevas industrias energéticas, dirigidas por solar fotovoltaica, se han desarrollado rápidamente en los últimos años. Desde la década de 1990, la capacidad instalada fotovoltaica del mundo ha aumentado 60 veces. La industria fotovoltaica global ha despegado al contexto de la transformación de la estructura energética, y la escala de la industria y la tasa de crecimiento de la capacidad instalada han establecido repetidamente nuevos registros. En 2022, la capacidad instalada fotovoltaica global alcanzará los 239GW, lo que representa 2/3 de toda la nueva capacidad de energía renovable. Se estima que en 2023, la capacidad instalada fotovoltaica global será de 411 GW, un aumento interanual del 59%. A pesar del continuo crecimiento de los fotovoltaicos, los fotovoltaicos solo representan el 4.5% de la generación de energía global, y su fuerte impulso de crecimiento continuará hasta después de 2024.
Cerámica de carburo de silicioTener una buena resistencia mecánica, estabilidad térmica, alta resistencia a la temperatura, resistencia a la oxidación, resistencia al choque térmico y resistencia a la corrosión química, y se usan ampliamente en campos calientes como metalurgia, maquinaria, nuevos materiales y productos químicos de energía y construcción. En el campo fotovoltaico, se usa principalmente en la difusión de las células TopCon, LPCVD (deposición de vapor químico de baja presión),PECVD (deposición de vapor químico en plasma)y otros enlaces de procesos térmicos. En comparación con los materiales tradicionales de cuarzo, los soportes de botes, los botes y los accesorios de tuberías hechos de materiales cerámicos de carburo de silicio tienen mayor resistencia, una mejor estabilidad térmica, sin deformación a altas temperaturas y una vida útil de más de 5 veces que los materiales de cuarzo, lo que puede reducir significativamente el costo de uso y la pérdida de energía causada por el mantenimiento y el tiempo de inactividad, y tienen ventajas de costos obvios.
Los principales productos de la cerámica de carburo de silicio en el campo celular fotovoltaico incluyen soportes para botes de carburo de silicio, botes de carburo de silicio, tubos de horno de carburo de silicio, paletas de voladizo de carburo de silicio, soporte de barcos de carburo de silicio y bosquecillos de carburo de silicio, etc. Entre ellos, soportes de botes de silicio y silicio y los botes de carburo de silicio reemplazan los botes de silicón de silicio y los botes de silicón. barcos. Debido a sus obvias ventajas y un rápido desarrollo, se han convertido en una buena opción para los materiales de transporte clave en el proceso de producción de las células fotovoltaicas, y la demanda de su mercado está atrayendo cada vez más la atención de la industria.
La cerámica de carburo de silicio unida de reacción (RBSC) es la cerámica de carburo de silicio más utilizada en el campo de las células fotovoltaicas. Sus ventajas son la baja temperatura de sinterización, el bajo costo de producción y la alta densificación de materiales. En particular, casi no hay contracción del volumen durante el proceso de sinterización de reacción. Es particularmente adecuado para la preparación de partes estructurales de gran tamaño y en forma de complejo. Por lo tanto, es más adecuado para la producción de productos de gran tamaño y complejos, como soportes para botes, botes pequeños, paletas en voladizo, tubos de horno, etc. El principio básico de la preparación de la cerámica RBSC es: bajo la acción de la fuerza capilar, la penetración de silicio de líquido reactivo en el momento en que se contiene la misma fase, y al mismo tiempo al mismo tiempo, y al mismo tiempo de la fase de la fase en blanco a la fase en blanco a la fase en blanco. La fase β-SIC está in situ combinada con las partículas α-Sic en el polvo en blanco, y los poros restantes continúan llenos de silicio libre, y finalmente se logra la densificación de los materiales de cerámica RBSC. Las diversas propiedades de los productos de cerámica RBSC en el hogar y en el extranjero se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1 Comparación del rendimiento de los productos cerámicos SIC sinterizados en reacción en los principales países
Compañía |
Densidad masiva / (g / cm3) |
Resistencia a la flexión / MPA |
Módulo elástico / GPA |
NGK, Japón |
3.15 |
500 | 430 |
KT, EE. UU. |
3.09 |
159 | 386 |
Si, Alemania |
3.12 |
350 | 400 |
CNAB, China |
3.05 |
380 | 380 |
En el proceso de fabricación de las células solares fotovoltaicas, las obleas de silicio se colocan en un bote y el bote se coloca en un soporte para la difusión, LPCVD y otros procesos térmicos. La paleta de voladizo de carburo de silicio (varilla) es un componente de carga clave para mover el soporte para el bote que transporta obleas de silicio dentro y fuera del horno de calefacción. Como se muestra en la Figura 1, la paleta en voladizo de carburo de silicio (barra) puede garantizar que la concentricidad de la oblea de silicio y el tubo del horno, lo que hace que la difusión y la pasivación sean más uniformes. Al mismo tiempo, es libre de contaminación y no es defensor a altas temperaturas, tiene una buena resistencia a los choques térmicos y una gran capacidad de carga, y se ha utilizado ampliamente en el campo de las células fotovoltaicas.
Figura 1 Diagrama esquemático de componentes de carga de batería clave
En lo tradicionalbote de cuarzoy el soporte del bote, en el proceso de difusión de aterrizaje suave, la oblea de silicio y el soporte para el bote de cuarzo deben colocarse en el tubo de cuarzo en el horno de difusión. En cada proceso de difusión, el soporte para botes de cuarzo lleno de obleas de silicio se coloca en la paleta de carburo de silicio. Después de que la paleta de carburo de silicio ingresa al tubo de cuarzo, la paleta se hunde automáticamente para colocar el soporte del bote de cuarzo y la oblea de silicio, y luego lentamente regresa al origen. Después de cada proceso, el soporte del bote de cuarzo debe retirarse de la paleta de carburo de silicio. Dicha operación frecuente hará que el soporte del bote de cuarzo se desgaste durante un largo período de tiempo. Una vez que el soporte del bote de cuarzo se rompa y se rompe, todo el soporte del bote de cuarzo se caerá de la paleta de carburo de silicio y luego dañará las piezas de cuarzo, las obleas de silicio y las paletas de carburo de silicio debajo. Las paletas de carburo de silicio son caras y no se pueden reparar. Una vez que ocurre un accidente, causará grandes pérdidas de propiedad.
En el proceso LPCVD, no solo ocurrirán los problemas de estrés térmico mencionados anteriormente, sino que el proceso LPCVD requiere que el gas de silano pase a través de la oblea de silicio, el proceso a largo plazo formará un recubrimiento de silicio en el soporte del bote y el bote. Debido a la inconsistencia de los coeficientes de expansión térmica del silicio y el cuarzo recubiertos, el soporte del bote y el bote se romperán, y la vida útil se reducirá seriamente. La vida útil de los barcos y soportes de barcos ordinarios en el proceso LPCVD suele ser de solo 2 a 3 meses. Por lo tanto, es particularmente importante mejorar el material de apoyo del barco para aumentar la fuerza y la vida útil del apoyo del barco para evitar tales accidentes.
Desde la 13a Exposición Fotovoltaica de Shanghai SNEC 2023, muchas compañías fotovoltaicas en el país han comenzado a usar soportes de botes de carburo de silicio, como se muestra en la Figura 2, como Longi Green Energy Technology Co., Ltd., Jinkosolar Co., Ltd., Yida Energy Technology Co., Ltd. y otras compañías líderes fotovoltas. Los soportes de botes de carburo de silicio utilizados para la expansión del boro, debido a la alta temperatura de uso de la expansión del boro, generalmente a 1000 ~ 1050 ℃, las impurezas en el soporte de la embarcación son fáciles de volatilizar a alta temperatura para contaminar la celda de la batería, afectando así la eficiencia de conversión de la celda de la batería, por lo que hay mayores requisitos para la pureza de la materia de soporte de la embarcación.
Figura 2 LPCVD Silicon Carbide Boat Support y Boron Expansion Silicon Carbide Boat Support
En la actualidad, el soporte del barco utilizado para la expansión de boro debe purificarse. Primero, el polvo de carburo de silicio de materia prima está lavado y purificado. Se requiere que la pureza de las materias primas de polvo de carburo de silicio de grado de litio sea superior al 99.5%. Después del lavado de ácido y la purificación con ácido sulfúrico + ácido hidrofluorico, la pureza de las materias primas puede alcanzar más del 99,9%. Al mismo tiempo, las impurezas introducidas durante la preparación del soporte del barco deben controlarse. Por lo tanto, el soporte para el barco de expansión de boro se forma principalmente mediante la lechada para reducir el uso de impurezas metálicas. El método de lechada generalmente se forma por sinterización secundaria. Después de la reinterracción, la pureza del soporte para botes de carburo de silicio se mejora en cierta medida.
Además, durante el proceso de sinterización del soporte del barco, el horno de sinterización debe purificarse de antemano, y el campo de calor de grafito en el horno también debe purificarse. Por lo general, la pureza del soporte para botes de carburo de silicio que se usa para la expansión del boro es de aproximadamente 3n.
El bote Silicon Carbide tiene un futuro prometedor. El bote de carburo de silicio se muestra en la Figura 3. Independientemente del proceso LPCVD o el proceso de expansión del boro, la vida útil del bote de cuarzo es relativamente baja, y el coeficiente de expansión térmica del material de cuarzo es inconsistente con la del material de carburo de silicio. Por lo tanto, es fácil tener desviaciones en el proceso de coincidencia con el bote de carburo de silicio a alta temperatura, lo que conduce a temblores o incluso a la ruptura del bote.
El barco de carburo de silicio adopta una ruta integrada de moldeo y proceso de procesamiento general. Sus requisitos de tolerancia a la forma y posición son altos, y coopera mejor con el soporte de botes de carburo de silicio. Además, el carburo de silicio tiene alta resistencia, y la rotura del bote causada por la colisión humana es mucho menor que la del bote de cuarzo. Sin embargo, debido a los requisitos de precisión de alta pureza y procesamiento de los barcos de carburo de silicio, todavía están en la pequeña etapa de verificación por lotes.
Dado que el bote de carburo de silicio está en contacto directo con la celda de la batería, debe tener una alta pureza incluso en el proceso LPCVD para evitar la contaminación de la oblea de silicio.
La mayor dificultad de los botes de carburo de silicio se encuentra en el mecanizado. Como todos sabemos, la cerámica de carburo de silicio son materiales duros y frágiles que son difíciles de procesar, y los requisitos de tolerancia de forma y posición del bote son muy estrictos. Es difícil procesar botes de carburo de silicio con tecnología de procesamiento tradicional. En la actualidad, el bote de carburo de silicio se procesa principalmente por la molienda de herramientas de diamantes, y luego se realizan tratamientos pulidos, en escabeche y otros tratamientos.
Figura 3 Barco de carburo de silicio
En comparación con los tubos de horno de cuarzo, los tubos de horno de carburo de silicio tienen buena conductividad térmica, calentamiento uniforme y buena estabilidad térmica, y su vida útil es más de 5 veces la de los tubos de cuarzo. El tubo del horno es el principal componente de transferencia de calor del horno, que juega un papel en el sellado y la transferencia de calor uniforme. La dificultad de fabricación de los tubos de horno de carburo de silicio es muy alta, y la tasa de rendimiento también es muy baja. Primero, debido al gran tamaño del tubo del horno y el grosor de la pared, generalmente entre 5 y 8 mm, es muy fácil de deformarse, colapsar o incluso crack durante el proceso de formación en blanco.
Durante la sinterización, debido al gran tamaño del tubo del horno, también es difícil asegurarse de que no se deforme durante el proceso de sinterización. La uniformidad del contenido de silicio es pobre, y es fácil tener no siliconización local, colapso, agrietamiento, etc., y el ciclo de producción de tubos de horno de carburo de silicio es muy largo, y el ciclo de producción de un solo tubo de horno supera los 50 días. Por lo tanto, los tubos de horno de carburo de silicio todavía están en el estado de investigación y desarrollo y aún no se han producido en masa.
El costo principal de los materiales cerámicos de carburo de silicio utilizados en el campo fotovoltaico proviene de materias primas de polvo de carburo de silicio de alta pureza, silicio policristalino de alta pureza y costos de sinterización de reacción.
Con el desarrollo continuo de la tecnología de purificación de polvo de carburo de silicio, la pureza del polvo de carburo de silicio continúa aumentando a través de la separación magnética, el encurtimiento y otras tecnologías, y el contenido de impureza disminuye gradualmente del 1% al 0.1%. Con el aumento continuo en la capacidad de producción de polvo de carburo de silicio, el costo del polvo de carburo de silicio de alta pureza también está disminuyendo.
Desde la segunda mitad de 2020, las compañías de Polysilicon han anunciado sucesivamente expansiones. Actualmente, hay más de 17 compañías de producción nacionales de polisilicio, y se estima que la producción anual excede 1,45 millones de toneladas en 2023. La sobrecapacidad de Polysilicon ha llevado a una disminución continua de los precios, lo que a su vez ha reducido el costo de las cerámicas de carburo de silicio.
En términos de sinterización de reacción, el tamaño del horno de sinterización de reacción también está aumentando, y la capacidad de carga de un solo horno también está aumentando. El último horno de sinterización de reacción de gran tamaño puede cargar más de 40 piezas a la vez, que es mucho más grande que la capacidad de carga del horno de sinterización de reacción existente de 4 a 6 piezas. Por lo tanto, el costo de sinterización también caerá significativamente.
En general, los materiales cerámicos de carburo de silicio en el campo fotovoltaico se están desarrollando principalmente hacia una mayor pureza, capacidad de carga más fuerte, mayor capacidad de carga y menor costo.
En la actualidad, la arena de cuarzo de alta pureza requerida para los materiales de cuarzo utilizados en el campo fotovoltaico nacional depende principalmente de las importaciones, mientras que la cantidad y especificaciones de arena de cuarzo de alta pureza exportada de países extranjeros a China están estrictamente controladas. El suministro ajustado de materiales de arena de cuarzo de alta pureza no se ha aliviado y ha restringido el desarrollo de la industria fotovoltaica. Al mismo tiempo, debido a la baja vida útil de los materiales de cuarzo y el daño fácil que conduce al tiempo de inactividad, el desarrollo de la tecnología de la batería se ha restringido seriamente. Por lo tanto, es de gran importancia para mi país deshacerse de los bloqueos tecnológicos extranjeros realizando investigaciones sobre el reemplazo gradual de materiales de cuarzo con materiales cerámicos de carburo de silicio.
En una comparación integral, ya sea el rendimiento del producto o el costo de uso, la aplicación de materiales cerámicos de carburo de silicio en el campo de las células solares es más ventajosa que los materiales de cuarzo. La aplicación de materiales cerámicos de carburo de silicio en la industria fotovoltaica tiene una gran ayuda para las empresas fotovoltaicas para reducir el costo de inversión de los materiales auxiliares y mejorar la calidad y competitividad del producto. En el futuro, con la aplicación a gran escala de gran tamañotubos de horno de carburo de silicio, soportes de barcos y soportes de carburo de silicio de alta pureza y la reducción continua de los costos, la aplicación de materiales cerámicos de carburo de silicio en el campo de las células fotovoltaicas se convertirá en un factor clave para mejorar la eficiencia de la conversión de energía de la luz y reducir los costos de la industria en el campo de la generación de energía fotovoltaica, y tendrá un impacto importante en el desarrollo de la nueva energía fotovoltaica.
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