แอปพลิเคชันและการวิจัยของเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ในสาขาโซลาร์เซลล์ - Vetek Semiconductor

ด้วยการขาดแคลนแหล่งพลังงานแบบดั้งเดิมที่เพิ่มขึ้นเช่นน้ำมันและถ่านหินอุตสาหกรรมพลังงานใหม่นำโดยโซลาร์เซลล์แสงอาทิตย์ได้พัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ตั้งแต่ปี 1990 ความสามารถในการติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์ของโลกเพิ่มขึ้น 60 ครั้ง อุตสาหกรรมไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ทั่วโลกได้ถูกถอดออกจากฉากหลังของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพลังงานและระดับอุตสาหกรรมและอัตราการเติบโตของกำลังการผลิตที่ติดตั้งได้สร้างสถิติใหม่ซ้ำ ๆ ในปี 2565 กำลังการผลิตที่ติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์ทั่วโลกจะสูงถึง 239GW ซึ่งคิดเป็น 2/3 ของความจุพลังงานทดแทนใหม่ทั้งหมด คาดว่าในปี 2566 กำลังการผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ทั่วโลกจะเพิ่มขึ้น 411GW เพิ่มขึ้น 59%เมื่อเทียบเป็นรายปี แม้จะมีการเติบโตของเซลล์แสงอาทิตย์อย่างต่อเนื่อง แต่เซลล์แสงอาทิตย์ยังคงคิดเป็นเพียง 4.5% ของการผลิตพลังงานทั่วโลกและโมเมนตัมการเติบโตที่แข็งแกร่งจะดำเนินต่อไปจนถึงหลังจากปี 2567

เซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์มีความแข็งแรงเชิงกลที่ดีความเสถียรทางความร้อนความต้านทานอุณหภูมิสูงความต้านทานออกซิเดชันความต้านทานการกระแทกด้วยความร้อนและความต้านทานการกัดกร่อนทางเคมีและใช้กันอย่างแพร่หลายในทุ่งร้อนเช่นโลหะวิทยาเครื่องจักรพลังงานใหม่และวัสดุก่อสร้างและสารเคมี ในสนามไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ส่วนใหญ่จะใช้ในการแพร่กระจายของเซลล์ TopCon, LPCVD (การสะสมไอสารเคมีความดันต่ำ),PECVD (การสะสมไอเคมีพลาสมา)และลิงก์กระบวนการความร้อนอื่น ๆ เมื่อเทียบกับวัสดุควอตซ์แบบดั้งเดิมรองรับเรือเรือและอุปกรณ์ท่อที่ทำจากวัสดุเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์มีความแข็งแรงสูงความเสถียรทางความร้อนที่ดีขึ้นไม่มีการเสียรูปที่อุณหภูมิสูงและอายุการใช้งานมากกว่า 5 เท่าของวัสดุควอทซ์

Ⅰ ข้อดีของเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ในสนามไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

ผลิตภัณฑ์หลักของเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ในสนามเซลล์แสงอาทิตย์รวมถึงการรองรับเรือซิลิกอนคาร์ไบด์, เรือซิลิกอนคาร์ไบด์, ท่อเตาซิลิกอนคาร์ไบด์, เรือคานซิลิคอนคาร์ไบด์ สนับสนุนและเรือ เนื่องจากข้อได้เปรียบที่ชัดเจนและการพัฒนาอย่างรวดเร็วพวกเขาได้กลายเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับวัสดุผู้ให้บริการหลักในกระบวนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์และความต้องการของตลาดของพวกเขาดึงดูดความสนใจจากอุตสาหกรรมมากขึ้น

ปฏิกิริยาเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ (RBSC) ที่ถูกผูกมัดเป็นเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในสาขาเซลล์แสงอาทิตย์ ข้อดีของมันคืออุณหภูมิการเผาต่ำต้นทุนการผลิตต่ำและความหนาแน่นของวัสดุสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งแทบจะไม่มีการหดตัวของปริมาณในระหว่างกระบวนการเผาปฏิกิริยา มันเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเตรียมชิ้นส่วนโครงสร้างขนาดใหญ่และรูปทรงซับซ้อน ดังนั้นจึงเหมาะสมที่สุดสำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์ขนาดใหญ่และซับซ้อนเช่นเรือรองรับเรือขนาดเล็กพายคานเท้าแขนท่อเตา ฯลฯ หลักการพื้นฐานของการเตรียมเซรามิก RBSC คือ: ภายใต้การกระทำของเส้นเลือดฝอย เฟสรองβ-SIC อยู่ในแหล่งกำเนิดรวมกับอนุภาคα-SIC ในผงเปล่าและรูขุมขนที่เหลือยังคงเต็มไปด้วยซิลิคอนอิสระและในที่สุดก็มีความหนาแน่นของวัสดุเซรามิก RBSC คุณสมบัติต่าง ๆ ของผลิตภัณฑ์เซรามิก RBSC ทั้งที่บ้านและต่างประเทศแสดงในตารางที่ 1

ตารางที่ 1 การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของการตอบสนองของผลิตภัณฑ์เซรามิก SIC ในประเทศสำคัญ ๆ

ในกระบวนการผลิตของเซลล์แสงอาทิตย์เซลล์แสงอาทิตย์เวเฟอร์ซิลิคอนจะถูกวางไว้บนเรือและวางเรือไว้บนที่วางเรือสำหรับการแพร่กระจาย LPCVD และกระบวนการระบายความร้อนอื่น ๆ Silicon Carbide Cantilever Paddle (ROD) เป็นส่วนประกอบที่สำคัญสำหรับการเคลื่อนย้ายที่ยึดเรือที่มีเวเฟอร์ซิลิคอนเข้าและออกจากเตาทำความร้อน ดังที่แสดงในรูปที่ 1 พายคานซิลิกอนคาร์ไบด์ (ก้าน) สามารถมั่นใจได้ว่าศูนย์กลางของเวเฟอร์ซิลิคอนและหลอดเตาเผาดังนั้นจึงทำให้การแพร่กระจายและการพาสซีฟนั้นสม่ำเสมอมากขึ้น ในขณะเดียวกันก็ปราศจากมลพิษและไม่ได้ถูกกำหนดที่อุณหภูมิสูงมีความต้านทานต่อการกระแทกด้วยความร้อนที่ดีและความสามารถในการโหลดขนาดใหญ่และถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในสาขาเซลล์แสงอาทิตย์

รูปที่ 1 แผนผังไดอะแกรมของส่วนประกอบการโหลดแบตเตอรี่ที่สำคัญ

ในแบบดั้งเดิมเรือควอตซ์และผู้ถือเรือในกระบวนการกระจายลงจอดที่นุ่มนวลเวเฟอร์ซิลิคอนและที่ใส่เรือควอตซ์จะต้องวางไว้ในหลอดควอตซ์ในเตาหลอม ในแต่ละขั้นตอนการแพร่กระจายที่ยึดเรือควอตซ์ที่เต็มไปด้วยเวเฟอร์ซิลิกอนจะถูกวางไว้บนพายซิลิคอนคาร์ไบด์ หลังจากไม้พายซิลิคอนคาร์ไบด์เข้าสู่หลอดควอตซ์ไม้พายจะจมลงโดยอัตโนมัติเพื่อวางที่วางเรือควอตซ์และเวเฟอร์ซิลิคอนจากนั้นค่อยๆวิ่งกลับไปที่จุดกำเนิด หลังจากแต่ละกระบวนการแล้วที่วางเรือควอตซ์จะต้องถูกลบออกจากพายซิลิคอนคาร์ไบด์ การดำเนินการบ่อยครั้งดังกล่าวจะทำให้การสนับสนุนเรือควอตซ์หายไปเป็นเวลานาน เมื่อเรือควอตซ์รองรับรอยแตกและหยุดพักการรองรับเรือควอตซ์ทั้งหมดจะหลุดออกจากไม้พายซิลิคอนคาร์ไบด์จากนั้นสร้างความเสียหายให้กับชิ้นส่วนควอตซ์, เวเฟอร์ซิลิกอนและแผ่นซิลิคอนคาร์ไบด์ด้านล่าง Silicon Carbide Paddles มีราคาแพงและไม่สามารถซ่อมแซมได้ เมื่อเกิดอุบัติเหตุมันจะทำให้เกิดการสูญเสียทรัพย์สินจำนวนมาก

ในกระบวนการ LPCVD ไม่เพียง แต่ปัญหาความเครียดจากความร้อนที่กล่าวถึงข้างต้นจะเกิดขึ้นเท่านั้น แต่เนื่องจากกระบวนการ LPCVD ต้องใช้ก๊าซไซเลนในการผ่านเวเฟอร์ซิลิคอนกระบวนการระยะยาวจะก่อให้เกิดการเคลือบซิลิกอนบนเรือและเรือ เนื่องจากความไม่สอดคล้องกันของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของซิลิคอนที่เคลือบและควอตซ์การสนับสนุนเรือและเรือจะแตกและช่วงชีวิตจะลดลงอย่างจริงจัง ช่วงชีวิตของเรือควอตซ์ธรรมดาและเรือรองรับในกระบวนการ LPCVD มักจะเพียง 2 ถึง 3 เดือน ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องปรับปรุงวัสดุสนับสนุนเรือเพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งและอายุการใช้งานของการสนับสนุนเรือเพื่อหลีกเลี่ยงอุบัติเหตุดังกล่าว

Ⅱ แนวโน้มการพัฒนาของวัสดุเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ในสนามไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

จากการจัดนิทรรศการเซลล์แสงอาทิตย์ในเซี่ยงไฮ้ครั้งที่ 13 SNEC 2023 บริษัท ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์หลายแห่งในประเทศได้เริ่มใช้การสนับสนุนเรือซิลิคอนคาร์ไบด์ดังที่แสดงในรูปที่ 2 เช่น Longi Green Energy Technology Co. , Ltd. บริษัท Jinkosolar Co. , Ltd. เรือซิลิกอนคาร์ไบด์รองรับการขยายตัวของโบรอนเนื่องจากอุณหภูมิการใช้งานสูงของการขยายตัวของโบรอนซึ่งมักจะอยู่ที่ 1,000 ~ 1050 ℃สิ่งสกปรกในการรองรับเรือนั้นง่ายต่อการระเหยที่อุณหภูมิสูง

รูปที่ 2 การสนับสนุนเรือซิลิคอนคาร์ไบด์ LPCVD และการสนับสนุนเรือซิลิคอนคาร์ไบด์การขยายตัวของโบรอน

ในปัจจุบันการสนับสนุนเรือที่ใช้สำหรับการขยายตัวของโบรอนจะต้องได้รับการชำระให้บริสุทธิ์ อย่างแรกผงซิลิกอนคาร์ไบด์วัตถุดิบเป็นกรดล้างและบริสุทธิ์ ความบริสุทธิ์ของวัตถุดิบผงซิลิกอนคาร์ไบด์เกรดลิเธียมจะต้องสูงกว่า 99.5% หลังจากการล้างกรดและการทำให้บริสุทธิ์ด้วยกรดซัลฟูริก + กรดไฮโดรฟลูออริกความบริสุทธิ์ของวัตถุดิบสามารถสูงกว่า 99.9% ในเวลาเดียวกันสิ่งสกปรกที่แนะนำในระหว่างการเตรียมการสนับสนุนเรือจะต้องได้รับการควบคุม ดังนั้นผู้ถือเรือขยายโบรอนส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นโดยการอัดฉีดเพื่อลดการใช้สิ่งสกปรกของโลหะ วิธีการอัดฉีดมักเกิดจากการเผาทุติยภูมิ หลังจากการสังสรรค์อีกครั้งความบริสุทธิ์ของผู้ถือเรือซิลิคอนคาร์ไบด์ได้รับการปรับปรุงในระดับหนึ่ง

นอกจากนี้ในระหว่างกระบวนการเผาของผู้ถือเรือต้องชำระให้บริสุทธิ์ล่วงหน้าและสนามความร้อนกราไฟท์ในเตายังต้องได้รับการชำระให้บริสุทธิ์ โดยปกติแล้วความบริสุทธิ์ของผู้ถือเรือซิลิกอนคาร์ไบด์ที่ใช้สำหรับการขยายตัวของโบรอนอยู่ที่ประมาณ 3N

เรือซิลิคอนคาร์ไบด์มีอนาคตที่มีแนวโน้ม เรือซิลิกอนคาร์ไบด์แสดงในรูปที่ 3 โดยไม่คำนึงถึงกระบวนการ LPCVD หรือกระบวนการขยายโบรอนอายุของเรือควอตซ์ค่อนข้างต่ำและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุควอตซ์ไม่สอดคล้องกับวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องง่ายที่จะมีการเบี่ยงเบนในกระบวนการจับคู่กับเรือซิลิคอนคาร์ไบด์ที่อุณหภูมิสูงซึ่งนำไปสู่การสั่นหรือแม้กระทั่งการทำลายเรือ

เรือซิลิคอนคาร์ไบด์ใช้เส้นทางการขึ้นรูปแบบบูรณาการและเส้นทางกระบวนการประมวลผลโดยรวม ข้อกำหนดด้านความทนทานของรูปร่างและตำแหน่งนั้นสูงและให้ความร่วมมือที่ดีขึ้นกับผู้ถือเรือซิลิคอนคาร์ไบด์ นอกจากนี้ซิลิคอนคาร์ไบด์มีความแข็งแรงสูงและการแตกของเรือที่เกิดจากการชนกันของมนุษย์นั้นน้อยกว่าเรือควอตซ์ อย่างไรก็ตามเนื่องจากความบริสุทธิ์สูงและข้อกำหนดความแม่นยำในการประมวลผลของเรือซิลิกอนคาร์ไบด์พวกเขายังอยู่ในขั้นตอนการตรวจสอบชุดขนาดเล็ก

เนื่องจากเรือซิลิกอนคาร์ไบด์สัมผัสโดยตรงกับเซลล์แบตเตอรี่จึงต้องมีความบริสุทธิ์สูงแม้ในกระบวนการ LPCVD เพื่อป้องกันการปนเปื้อนของเวเฟอร์ซิลิคอน

ความยากลำบากที่สุดของเรือซิลิกอนคาร์ไบด์อยู่ในการตัดเฉือน อย่างที่เราทราบกันดีว่าเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุที่ยากและเปราะทั่วไปซึ่งยากต่อการประมวลผลและข้อกำหนดด้านรูปร่างและตำแหน่งของเรือนั้นเข้มงวดมาก เป็นการยากที่จะประมวลผลเรือซิลิกอนคาร์ไบด์ด้วยเทคโนโลยีการประมวลผลแบบดั้งเดิม ในปัจจุบันเรือซิลิคอนคาร์ไบด์ส่วนใหญ่จะถูกแปรรูปโดยการบดเครื่องมือเพชรและจากนั้นทำการขัด, ดองและการรักษาอื่น ๆ

รูปที่ 3 เรือซิลิกอนคาร์ไบด์

เมื่อเปรียบเทียบกับหลอดเตาควอตซ์หลอดเตาซิลิกอนคาร์ไบด์มีค่าการนำความร้อนที่ดีการทำความร้อนสม่ำเสมอและความเสถียรทางความร้อนที่ดีและอายุการใช้งานของพวกเขามากกว่า 5 เท่าของหลอดควอตซ์ หลอดเตาเป็นส่วนประกอบการถ่ายเทความร้อนหลักของเตาเผาซึ่งมีบทบาทในการปิดผนึกและการถ่ายเทความร้อนสม่ำเสมอ ความยากลำบากในการผลิตของท่อเตาซิลิกอนคาร์ไบด์นั้นสูงมากและอัตราผลตอบแทนก็ต่ำมาก ครั้งแรกเนื่องจากขนาดใหญ่ของหลอดเตาและความหนาของผนังมักจะอยู่ระหว่าง 5 และ 8 มม. จึงง่ายต่อการเปลี่ยนรูปการยุบหรือแม้กระทั่งรอยแตกในระหว่างกระบวนการขึ้นรูปเปล่า

ในระหว่างการเผาเนื่องจากขนาดใหญ่ของหลอดเตามันเป็นเรื่องยากที่จะตรวจสอบให้แน่ใจว่ามันจะไม่เปลี่ยนรูปในระหว่างกระบวนการเผา ความสม่ำเสมอของเนื้อหาซิลิกอนนั้นไม่ดีและเป็นเรื่องง่ายที่จะมีการไม่ใช้สารซิลิกออนในท้องถิ่นการล่มสลายการแคร็ก ฯลฯ และวงจรการผลิตของหลอดเตาซิลิกอนคาร์ไบด์นั้นยาวมากและวงจรการผลิตของหลอดเตาเดียวเกินกว่า 50 วัน ดังนั้นท่อเตาซิลิกอนคาร์ไบด์ยังคงอยู่ในสถานะการวิจัยและการพัฒนาและยังไม่ได้ผลิตจำนวนมาก

ค่าใช้จ่ายหลักของวัสดุเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ที่ใช้ในสนามไฟฟ้าโซลาร์เซลล์มาจากวัตถุดิบผงซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงซิลิคอน polycrystalline ที่มีความบริสุทธิ์สูงและค่าใช้จ่ายในการเผาปฏิกิริยา

ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีการทำให้บริสุทธิ์ของผงซิลิกอนคาร์ไบด์ความบริสุทธิ์ของผงซิลิกอนคาร์ไบด์ยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องผ่านการแยกแม่เหล็กดองและเทคโนโลยีอื่น ๆ และปริมาณสิ่งเจือปนจะค่อยๆลดลงจาก 1% เป็น 0.1% ด้วยความสามารถในการผลิตผงซิลิกอนคาร์ไบด์ที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องต้นทุนของผงซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงก็ลดลงเช่นกัน

ตั้งแต่ช่วงครึ่งหลังของปี 2563 บริษัท Polysilicon ได้ประกาศการขยายตัวอย่างต่อเนื่อง ปัจจุบันมี บริษัท ผลิตโพลีซิลิกอนมากกว่า 17 แห่งและผลผลิตประจำปีคาดว่าจะเกิน 1.45 ล้านตันในปี 2566 ความสามารถในการลดลงของ polysilicon ได้นำไปสู่การลดลงอย่างต่อเนื่องของราคา

ในแง่ของการเผาปฏิกิริยาขนาดของเตาเผาปฏิกิริยาก็เพิ่มขึ้นเช่นกันและความสามารถในการโหลดของเตาเผาเดี่ยวก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน เตาเผาที่มีปฏิกิริยาขนาดใหญ่ล่าสุดสามารถโหลดได้มากกว่า 40 ชิ้นในแต่ละครั้งซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าความสามารถในการโหลดเตาเผาที่มีอยู่ในปัจจุบัน 4 ถึง 6 ชิ้น ดังนั้นค่าใช้จ่ายในการเผาจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ

โดยรวมแล้ววัสดุเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ในสนามไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ส่วนใหญ่จะพัฒนาไปสู่ความบริสุทธิ์ที่สูงขึ้นความสามารถในการบรรทุกที่แข็งแกร่งขึ้นความสามารถในการโหลดที่สูงขึ้นและต้นทุนที่ลดลง

Ⅲ ความสำคัญของวัสดุเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ในสนามไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

ในปัจจุบันทรายควอตซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูงที่จำเป็นสำหรับวัสดุควอตซ์ที่ใช้ในสนามไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ในประเทศยังคงขึ้นอยู่กับการนำเข้าเป็นหลักในขณะที่ปริมาณและข้อกำหนดของทรายควอตซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูงที่ส่งออกจากต่างประเทศไปยังประเทศจีน อุปทานที่แน่นหนาของวัสดุทรายควอตซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูงยังไม่ได้รับการบรรเทาและ จำกัด การพัฒนาของอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ ในเวลาเดียวกันเนื่องจากวัสดุควอตซ์อายุต่ำและความเสียหายที่ง่ายซึ่งนำไปสู่การหยุดทำงานการพัฒนาเทคโนโลยีแบตเตอรี่ได้ถูก จำกัด อย่างจริงจัง ดังนั้นจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับประเทศของฉันที่จะกำจัดการปิดล้อมทางเทคโนโลยีต่างประเทศโดยการทำวิจัยเกี่ยวกับการเปลี่ยนวัสดุควอตซ์อย่างค่อยเป็นค่อยไปด้วยวัสดุเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์

ในการเปรียบเทียบที่ครอบคลุมไม่ว่าจะเป็นประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์หรือใช้ค่าใช้จ่ายการประยุกต์ใช้วัสดุเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ในสาขาเซลล์แสงอาทิตย์นั้นมีประโยชน์มากกว่าวัสดุควอตซ์ การประยุกต์ใช้วัสดุเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ในอุตสาหกรรมไฟฟ้าโซลาร์เซลล์มีความช่วยเหลืออย่างมากสำหรับ บริษัท ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์เพื่อลดต้นทุนการลงทุนของวัสดุเสริมและปรับปรุงคุณภาพของผลิตภัณฑ์และความสามารถในการแข่งขัน ในอนาคตด้วยแอปพลิเคชันขนาดใหญ่ขนาดใหญ่ท่อเตาซิลิกอนคาร์ไบด์เรือซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงและการสนับสนุนเรือและการลดลงอย่างต่อเนื่องของค่าใช้จ่ายการประยุกต์ใช้วัสดุเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ในสาขาเซลล์แสงอาทิตย์จะกลายเป็นปัจจัยสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพของการแปลงพลังงานแสงและลดต้นทุนอุตสาหกรรมใหม่