Ứng dụng và nghiên cứu gốm silicon cacbua trong lĩnh vực quang điện - chất bán dẫn Vetek

Với sự thiếu hụt ngày càng tăng của các nguồn năng lượng truyền thống như dầu và than, các ngành công nghiệp năng lượng mới, được dẫn dắt bởi quang điện mặt trời, đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Từ những năm 1990, công suất lắp đặt quang điện thế giới đã tăng 60 lần. Ngành công nghiệp quang điện toàn cầu đã cất cánh trong bối cảnh chuyển đổi cấu trúc năng lượng, và quy mô công nghiệp và tốc độ tăng trưởng công suất đã liên tục thiết lập các hồ sơ mới. Vào năm 2022, công suất lắp đặt quang điện toàn cầu sẽ đạt 239GW, chiếm 2/3 trong tất cả các công suất năng lượng tái tạo mới. Người ta ước tính rằng vào năm 2023, công suất lắp đặt quang điện toàn cầu sẽ là 411GW, tăng theo năm là 59%. Mặc dù sự phát triển liên tục của quang điện, quang điện vẫn chỉ chiếm 4,5% sản lượng điện toàn cầu và động lực tăng trưởng mạnh mẽ của nó sẽ tiếp tục cho đến sau năm 2024.

Gốm silicon cacbuaCó cường độ cơ học tốt, độ ổn định nhiệt, khả năng chống nhiệt độ cao, khả năng chống oxy hóa, khả năng chống sốc nhiệt và khả năng chống ăn mòn hóa học, và được sử dụng rộng rãi trong các trường nóng như luyện kim, máy móc, năng lượng mới và vật liệu xây dựng và hóa chất. Trong trường quang điện, nó chủ yếu được sử dụng trong sự khuếch tán của các tế bào topcon, LPCVD (lắng đọng hơi hóa học áp suất thấp),PECVD (lắng đọng hơi hóa học plasma)và các liên kết quá trình nhiệt khác. So với các vật liệu thạch anh truyền thống, hỗ trợ thuyền, thuyền và phụ kiện đường ống làm bằng vật liệu gốm silicon cacbua có cường độ cao hơn, độ ổn định nhiệt tốt hơn, không biến dạng ở nhiệt độ cao và tuổi thọ hơn 5 lần so với vật liệu thạch anh, có thể giảm đáng kể chi phí sử dụng.

Ⅰ Ưu điểm của gốm silicon cacbua trong trường quang điện

Các sản phẩm chính của gốm silicon cacbua trong lĩnh vực tế bào quang điện bao gồm hỗ trợ thuyền cacbua silicon, thuyền cacbua silicon, ống silicon cacbua, thuyền cacbide silicon, vv và thuyền. Do những lợi thế rõ ràng và sự phát triển nhanh chóng, họ đã trở thành một lựa chọn tốt cho các vật liệu vận chuyển quan trọng trong quá trình sản xuất các tế bào quang điện và nhu cầu thị trường của họ ngày càng thu hút sự chú ý từ ngành công nghiệp.

Phản ứng gốm silicon liên kết (RBSC) là loại gốm silicon cacbua được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực tế bào quang điện. Ưu điểm của nó là nhiệt độ thiêu kết thấp, chi phí sản xuất thấp và mật độ vật liệu cao. Cụ thể, hầu như không có sự co rút âm lượng trong quá trình thiêu kết phản ứng. Nó đặc biệt phù hợp cho việc chuẩn bị các bộ phận cấu trúc 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 hỗ trợ thuyền, thuyền nhỏ, mái chèo đúc, ống lò, v.v. Pha thứ cấp-SiC tại chỗ kết hợp với các hạt α-SiC trong bột trống, và các lỗ chân lông còn lại tiếp tục được lấp đầy bằng silicon tự do, và cuối cùng đạt được sự tăng cường của vật liệu gốm RBSC. Các tính chất khác nhau của các sản phẩm gốm RBSC trong và ngoài nước được thể hiện trong Bảng 1.

Bảng 1 So sánh hiệu suất của các sản phẩm gốm sic thiêu kết phản ứng ở các nước lớn

Trong quá trình sản xuất các tế bào quang điện mặt trời, các tấm silicon được đặt trên một chiếc thuyền và thuyền được đặt trên một người giữ thuyền để khuếch tán, LPCVD và các quy trình nhiệt khác. Mái hạm đúc hẫng cacbua (thanh) là một thành phần tải chính để di chuyển giá đỡ thuyền mang theo các tấm silicon vào và ra khỏi lò sưởi. Như được hiển thị trong Hình 1, mái chèo hẫng cacbua silicon (thanh) có thể đảm bảo tính đồng tâm của wafer silicon và ống lò, do đó làm cho sự khuếch tán và thụ động đồng đều hơn. Đồng thời, nó không có ô nhiễm và không biến dạng ở nhiệt độ cao, có khả năng chống sốc nhiệt tốt và khả năng tải lớn, và đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực các tế bào quang điện.

Hình 1 Sơ đồ sơ đồ của các thành phần tải pin khóa

Trong truyền thốngThuyền Quartzvà người giữ thuyền, trong quá trình khuếch tán hạ cánh mềm, wafer silicon và người giữ thuyền thạch anh cần được đặt trong ống thạch anh trong lò khuếch tán. Trong mỗi quá trình khuếch tán, người giữ thuyền thạch anh chứa đầy các tấm silicon được đặt trên mái chèo silicon. Sau khi mái chèo silicon vào ống thạch anh, mái chèo tự động chìm xuống để đặt người giữ thuyền thạch anh và wafer silicon, và sau đó từ từ chạy trở lại nguồn gốc. Sau mỗi quá trình, người giữ thuyền thạch anh cần phải được loại bỏ khỏi mái chèo silicon. Hoạt động thường xuyên như vậy sẽ khiến hỗ trợ thuyền thạch anh bị hao mòn trong một thời gian dài. Khi thuyền thạch anh hỗ trợ các vết nứt và phá vỡ, toàn bộ hỗ trợ thuyền thạch anh sẽ rơi ra khỏi mái chèo silicon, sau đó làm hỏng các bộ phận thạch anh, bánh silicon và mái chèo silicon bên dưới. Bán mái cacbua silicon đắt tiền và không thể được sửa chữa. Một khi một tai nạn xảy ra, nó sẽ gây ra tổn thất tài sản lớn.

Trong quá trình LPCVD, không chỉ các vấn đề căng thẳng nhiệt được đề cập ở trên, mà vì quá trình LPCVD yêu cầu khí silane đi qua wafer silicon, quá trình dài hạn sẽ tạo thành một lớp phủ silicon trên hỗ trợ thuyền và thuyền. Do sự không nhất quán của các hệ số giãn nở nhiệt của silicon và thạch anh phủ, hỗ trợ thuyền và thuyền sẽ bị nứt, và tuổi thọ sẽ giảm nghiêm trọng. Tuổi thọ của các thuyền thạch anh thông thường và hỗ trợ thuyền trong quá trình LPCVD thường chỉ là 2 đến 3 tháng. Do đó, điều đặc biệt quan trọng là cải thiện tài liệu hỗ trợ thuyền để tăng sức mạnh và tuổi thọ phục vụ của hỗ trợ thuyền để tránh các tai nạn như vậy.

Ⅱ Xu hướng phát triển của vật liệu gốm silicon cacbua trong trường quang điện

Từ triển lãm quang điện Thượng Hải thứ 13 SNEC 2023, nhiều công ty quang điện ở nước này đã bắt đầu sử dụng các hỗ trợ thuyền cacbua silicon, như trong Hình 2, chẳng hạn như Longi Green Energy Technology Co., LTD. Các hỗ trợ thuyền cacbua silicon được sử dụng để mở rộng boron, do nhiệt độ sử dụng cao của việc mở rộng boron, thường ở mức 1000 ~ 1050, các tạp chất trong hỗ trợ thuyền rất dễ bay hơi ở nhiệt độ cao để làm ô nhiễm tế bào pin, do đó ảnh hưởng đến hiệu quả chuyển đổi của tế bào pin, do đó, có giá trị cao hơn.

Hình 2 Hỗ trợ thuyền cacbua LPCVD Silicon và hỗ trợ thuyền cacbua silicon boron

Hiện tại, hỗ trợ thuyền được sử dụng cho việc mở rộng Boron cần phải được tinh chế. Đầu tiên, bột silicon nguyên liệu thô được rửa bằng axit và tinh khiết. Độ tinh khiết của nguyên liệu thô silicon cacbua cấp lithium được yêu cầu là trên 99,5%. Sau khi rửa axit và tinh chế bằng axit sunfuric + axit hydrofluoric, độ tinh khiết của nguyên liệu thô có thể đạt trên 99,9%. Đồng thời, các tạp chất được giới thiệu trong quá trình chuẩn bị hỗ trợ thuyền phải được kiểm soát. Do đó, người giữ thuyền mở rộng Boron chủ yếu được hình thành bằng cách vữa để giảm việc sử dụng tạp chất kim loại. Phương pháp vữa thường được hình thành bằng cách thiêu kết thứ cấp. Sau khi hồi phục lại, độ tinh khiết của giá đỡ thuyền cacbua silicon được cải thiện ở một mức độ nhất định.

Ngoài ra, trong quá trình thiêu kết của người giữ thuyền, lò thiêu kết phải được tinh chế trước và trường nhiệt than chì trong lò cũng cần được tinh chế. Thông thường, độ tinh khiết của giá đỡ thuyền cacbua silicon được sử dụng để mở rộng boron là khoảng 3n.

Thuyền silicon cacbua có một tương lai đầy hứa hẹn. Thuyền cacbua silicon được thể hiện trong Hình 3. Bất kể quá trình LPCVD hay quá trình mở rộng boron, tuổi thọ của thuyền thạch anh tương đối thấp và hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu thạch anh không phù hợp với vật liệu cacbua silic. Do đó, thật dễ dàng để có những sai lệch trong quá trình kết hợp với thuyền cacbua silicon ở nhiệt độ cao, dẫn đến lắc hoặc thậm chí phá vỡ thuyền.

Thuyền silicon cacbua áp dụng một tuyến quy trình đúc tích hợp và xử lý tổng thể. Các yêu cầu về hình dạng và vị trí của nó là cao, và nó hợp tác tốt hơn với người giữ thuyền cacbua silicon. Ngoài ra, silicon cacbua có cường độ cao và sự phá vỡ thuyền gây ra bởi sự va chạm của con người ít hơn nhiều so với thuyền thạch anh. Tuy nhiên, do độ tinh khiết cao và yêu cầu chính xác của các thuyền cacbua silicon, chúng vẫn đang trong giai đoạn xác minh lô nhỏ.

Vì thuyền cacbua silicon tiếp xúc trực tiếp với pin pin, nên nó phải có độ tinh khiết cao ngay cả trong quy trình LPCVD để ngăn ngừa ô nhiễm wafer silicon.

Khó khăn lớn nhất của thuyền cacbua silicon nằm ở gia công. Như chúng ta đã biết, gốm silicon cacbua là những vật liệu cứng và giòn rất khó xử lý, và các yêu cầu dung sai hình dạng và vị trí của thuyền là rất nghiêm ngặt. Rất khó để xử lý thuyền cacbua silicon với công nghệ chế biến truyền thống. Hiện tại, thuyền cacbua silicon chủ yếu được xử lý bằng cách nghiền công cụ kim cương, và sau đó được đánh bóng, ngâm và các phương pháp điều trị khác được thực hiện.

Hình 3 Thuyền cacbua silicon

So với các ống lò thạch anh, các ống lò cacbua silicon có độ dẫn nhiệt tốt, sưởi ấm đồng đều và độ ổn định nhiệt tốt, và tuổi thọ của chúng cao hơn 5 lần so với các ống thạch anh. Ống lò là thành phần truyền nhiệt chính của lò, đóng vai trò niêm phong và truyền nhiệt đồng đều. Khó khăn sản xuất của các ống lò cacbua silicon rất cao và tốc độ năng suất cũng rất thấp. Đầu tiên, do kích thước khổng lồ của ống lò và độ dày thành thường từ 5 đến 8 mm, rất dễ biến dạng, sụp đổ hoặc thậm chí nứt trong quá trình hình thành trống.

Trong quá trình thiêu kết, do kích thước khổng lồ của ống lò, cũng rất khó để đảm bảo rằng nó sẽ không biến dạng trong quá trình thiêu kết. Tính đồng nhất của hàm lượng silicon kém, và dễ dàng có không silicon hóa cục bộ, sụp đổ, nứt, v.v., và chu kỳ sản xuất của các ống lò cacbua silicon rất dài và chu kỳ sản xuất của một ống lò vượt quá 50 ngày. Do đó, các ống lò cacbua silicon vẫn ở trạng thái nghiên cứu và phát triển và chưa được sản xuất hàng loạt.

Chi phí chính của vật liệu gốm silicon cacbua được sử dụng trong trường quang điện đến từ nguyên liệu thô Silicon cacbua có độ tinh khiết cao, silicon đa tinh thể cao và chi phí thiêu kết phản ứng.

Với sự phát triển liên tục của công nghệ tinh chế bột cacbua silicon, độ tinh khiết của bột cacbua silicon tiếp tục tăng thông qua sự phân tách từ tính, pickling và các công nghệ khác và hàm lượng tạp chất giảm dần từ 1% xuống 0,1%. Với sự gia tăng liên tục của khả năng sản xuất bột cacbua silicon, chi phí của bột cacbua silicon tinh khiết cao cũng đang giảm.

Kể từ nửa cuối năm 2020, các công ty Polysilicon đã công bố liên tiếp mở rộng. Hiện tại, có hơn 17 công ty sản xuất polysilicon trong nước và sản lượng hàng năm được ước tính vượt quá 1,45 triệu tấn vào năm 2023. Độ dư thừa của polysilicon đã dẫn đến giảm giá liên tục, do đó đã làm giảm chi phí gốm silicon.

Về mặt thiêu kết phản ứng, kích thước của lò thiêu kết phản ứng cũng đang tăng lên, và khả năng tải của một lò cũng đang tăng lên. Lò thiêu kết phản ứng kích thước lớn mới nhất có thể tải hơn 40 miếng cùng một lúc, lớn hơn nhiều so với khả năng tải lò phản ứng thiêu kết hiện tại từ 4 đến 6 mảnh. Do đó, chi phí thiêu kết cũng sẽ giảm đáng kể.

Nhìn chung, các vật liệu gốm silicon cacbua trong trường quang điện chủ yếu phát triển theo độ tinh khiết cao hơn, khả năng mang theo mạnh hơn, khả năng tải cao hơn và chi phí thấp hơn.

Ⅲ Tầm quan trọng của vật liệu gốm silicon cacbua trong trường quang điện

Hiện tại, cát thạch anh có độ tinh khiết cao cần thiết cho các vật liệu thạch anh được sử dụng trong lĩnh vực quang điện trong nước vẫn chủ yếu phụ thuộc vào nhập khẩu, trong khi số lượng và thông số kỹ thuật của cát thạch anh có độ tinh khiết cao xuất khẩu từ nước ngoài sang Trung Quốc được kiểm soát nghiêm ngặt. Việc cung cấp chặt chẽ các vật liệu cát thạch anh tinh khiết cao đã không được giảm bớt và đã hạn chế sự phát triển của ngành công nghiệp quang điện. Đồng thời, do tuổi thọ thấp của vật liệu thạch anh và thiệt hại dễ dàng dẫn đến thời gian chết, sự phát triển của công nghệ pin đã bị hạn chế nghiêm trọng. Do đó, điều đó có ý nghĩa rất lớn đối với đất nước của tôi là loại bỏ các phong tỏa công nghệ nước ngoài bằng cách tiến hành nghiên cứu về việc thay thế dần các vật liệu thạch anh bằng vật liệu gốm silicon cacbua.

Trong một so sánh toàn diện, cho dù đó là hiệu suất sản phẩm hay chi phí sử dụng, việc áp dụng các vật liệu gốm cacbua silicon trong lĩnh vực pin mặt trời có lợi hơn so với vật liệu thạch anh. Việc áp dụng các vật liệu gốm silicon cacbua trong ngành công nghiệp quang điện giúp đỡ rất nhiều cho các công ty quang điện để giảm chi phí đầu tư của vật liệu phụ trợ và cải thiện chất lượng sản phẩm và khả năng cạnh tranh. Trong tương lai, với ứng dụng quy mô lớn của quy mô lớnống lon cacbua silicon, thuyền cacbua silicon và thuyền hỗ trợ cao và giảm chi phí liên tục, việc áp dụng các vật liệu gốm silicon cacbua trong lĩnh vực tế bào quang điện sẽ trở thành một yếu tố chính trong việc cải thiện hiệu quả chuyển đổi năng lượng ánh sáng và giảm chi phí công nghiệp trong lĩnh vực phát triển năng lượng quang điện.