Angesichts der fortschreitenden Entwicklung der heutigen Welt gehen nicht erneuerbare Energien zunehmend zur Neige, und die Menschheit steht unter immer größerem Druck, erneuerbare Energien wie Wind, Licht, Wasser und Kernenergie zu nutzen. Verglichen mit anderen erneuerbaren Energiequellen verfügt die Menschheit über die ausgereifteste, sicherste und zuverlässigste Technologie zur Nutzung von Solarenergie. Insbesondere die Photovoltaik-Zellenindustrie mit hochreinem Silizium als Substrat hat sich rasant entwickelt. Bis Ende 2023 überstieg die kumulierte installierte Photovoltaik-Leistung in meinem Land 250 Gigawatt, und die Photovoltaik-Stromerzeugung erreichte 266,3 Milliarden kWh, ein Anstieg von rund 30 % gegenüber dem Vorjahr. Die neu hinzugekommene Stromerzeugungskapazität betrug 78,42 Millionen Kilowatt, ein Plus von 154 % gegenüber dem Vorjahr. Ende Juni lag die kumulierte installierte Photovoltaik-Leistung bei rund 470 Millionen Kilowatt und überholte damit die Wasserkraft als zweitgrößte Energiequelle in meinem Land.
Während sich die Photovoltaikindustrie rasant entwickelt, wächst auch die dazugehörige Materialindustrie rasant. Quarzkomponenten wie …QuarztiegelQuarzschiffchen und Quarzflaschen gehören zu den wichtigsten Komponenten im Photovoltaik-Herstellungsprozess. So dienen Quarztiegel beispielsweise zur Aufnahme von geschmolzenem Silizium bei der Produktion von Siliziumstäben und -blöcken. Quarzschiffchen, -rohre, -flaschen, Reinigungstanks usw. übernehmen eine tragende Funktion bei der Diffusion, Reinigung und anderen Prozessschritten der Solarzellenproduktion und gewährleisten so die Reinheit und Qualität der Siliziummaterialien.
Hauptanwendungen von Quarzkomponenten für die Photovoltaik-Herstellung
Bei der Herstellung von Solarzellen werden Siliziumwafer auf Waferträger platziert, die wiederum auf einer Waferträgerhalterung für Diffusions-, LPCVD- und andere thermische Prozesse stehen. Der Siliziumkarbid-Ausleger ist dabei das zentrale Bauteil zum Bewegen der Waferträgerhalterung in und aus dem Heizofen. Wie in der Abbildung unten dargestellt, gewährleistet der Siliziumkarbid-Ausleger die Konzentrizität zwischen Siliziumwafer und Ofenrohr und sorgt so für eine gleichmäßigere Diffusion und Passivierung. Gleichzeitig ist er schadstofffrei, verformt sich bei hohen Temperaturen nicht, weist eine gute Temperaturwechselbeständigkeit und hohe Belastbarkeit auf und findet daher breite Anwendung in der Photovoltaik.
Schematische Darstellung der wichtigsten Batterieladekomponenten
Im Diffusionsprozess der sanften Landung werden das traditionelle Quarzboot undWaffelbootZur Diffusion wird der Siliziumwafer zusammen mit dem Quarzschiffchen in das Quarzrohr des Diffusionsofens eingesetzt. Bei jedem Diffusionsprozess wird das mit Siliziumwafern gefüllte Quarzschiffchen auf den Siliziumkarbid-Rührer gelegt. Sobald der Rührer in das Quarzrohr eingetaucht ist, senkt er sich automatisch ab, setzt das Quarzschiffchen mit dem Siliziumwafer ab und fährt dann langsam zurück in die Ausgangsposition. Nach jedem Prozess muss das Quarzschiffchen entnommen werden.Siliziumkarbid-PaddelDurch den häufigen Betrieb verschleißt die Quarzboothalterung mit der Zeit. Sobald die Quarzboothalterung reißt und bricht, fällt sie vom Siliziumkarbid-Paddel ab und beschädigt die darunterliegenden Quarzteile, Siliziumwafer und Siliziumkarbid-Paddel. Das Siliziumkarbid-Paddel ist teuer und kann nicht repariert werden. Ein Unfall verursacht daher erhebliche Sachschäden.
Beim LPCVD-Verfahren treten nicht nur die oben genannten thermischen Spannungsprobleme auf, sondern es bildet sich aufgrund des durch den Siliziumwafer geleiteten Silangases im Laufe der Zeit auch eine Siliziumbeschichtung auf dem Waferträger und dem Waferboot. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von beschichtetem Silizium und Quarz können Träger und Boot reißen, was die Lebensdauer erheblich reduziert. Die Lebensdauer herkömmlicher Quarzboote und -träger im LPCVD-Verfahren beträgt üblicherweise nur zwei bis drei Monate. Daher ist es besonders wichtig, das Material der Träger zu verbessern, um deren Festigkeit und Lebensdauer zu erhöhen und solche Schäden zu vermeiden.
Kurz gesagt, mit zunehmender Prozessdauer und Anzahl der Durchläufe bei der Solarzellenproduktion steigt die Wahrscheinlichkeit für versteckte Risse oder sogar Brüche in Quarzschiffchen und anderen Komponenten. Die Lebensdauer von Quarzschiffchen und Quarzrohren in den gängigen Produktionslinien in China beträgt etwa drei bis sechs Monate. Regelmäßige Stillstände zur Reinigung, Wartung und zum Austausch der Quarzträger sind erforderlich. Hinzu kommt, dass der als Rohmaterial für Quarzkomponenten verwendete hochreine Quarzsand derzeit knapp ist und der Preis seit Langem auf einem hohen Niveau verharrt. Dies wirkt sich deutlich negativ auf die Produktionseffizienz und die Wirtschaftlichkeit aus.
Siliziumkarbidkeramik„erscheinen“
Nun hat man ein Material mit besseren Eigenschaften entwickelt, das einige Quarzkomponenten ersetzen kann – Siliziumkarbidkeramik.
Siliziumkarbidkeramiken zeichnen sich durch hohe mechanische Festigkeit, thermische Stabilität, Hochtemperaturbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und chemische Korrosionsbeständigkeit aus und finden breite Anwendung in anspruchsvollen Bereichen wie Metallurgie, Maschinenbau, erneuerbare Energien, Baustoffen und Chemie. Ihre Eigenschaften eignen sich auch für den Einsatz von TOPcon-Zellen in der Photovoltaik-Fertigung, bei der Niederdruck-CVD (LPCVD), der Plasma-CVD (PECVD) und anderen thermischen Prozessschritten.
LPCVD-Siliziumkarbid-Bootsträger und bor-expandiertes Siliziumkarbid-Bootsträger
Im Vergleich zu herkömmlichen Quarzwerkstoffen weisen Bootsstützen, Boote und Rohrprodukte aus Siliziumkarbid-Keramik eine höhere Festigkeit, bessere thermische Stabilität und Formstabilität bei hohen Temperaturen auf. Ihre Lebensdauer ist mehr als fünfmal so lang wie die von Quarzwerkstoffen. Dadurch lassen sich die Betriebskosten und der durch Wartung und Stillstandszeiten verursachte Energieverlust deutlich reduzieren. Der Kostenvorteil ist offensichtlich, und die Rohstoffe sind breit verfügbar.
Reaktionsgesintertes Siliciumcarbid (RBSiC) zeichnet sich unter anderem durch niedrige Sintertemperatur, geringe Produktionskosten, hohe Materialdichte und nahezu keine Volumenverringerung während des Sinterprozesses aus. Es eignet sich besonders für die Herstellung großformatiger und komplex geformter Bauteile. Daher ist es optimal für die Produktion von großen und komplexen Produkten wie Bootsstützen, Booten, Kragarmschaufeln, Ofenrohren usw. geeignet.
Siliziumkarbid-Wafer-BooteAuch in Zukunft bieten sie hervorragende Entwicklungsperspektiven. Unabhängig vom LPCVD- oder Bor-Expansionsverfahren ist die Lebensdauer des Quarzschiffchens relativ gering, und der Wärmeausdehnungskoeffizient von Quarz und Siliciumcarbid weicht ab. Daher kann es bei hohen Temperaturen leicht zu Abweichungen beim Zusammenfügen mit dem Siliciumcarbid-Schiffchenhalter kommen, was zu einem Wackeln oder sogar Bruch des Schiffchens führen kann. Das Siliciumcarbid-Schiffchen wird in einem Stück geformt und vollständig bearbeitet. Es weist hohe Anforderungen an Form- und Positionstoleranzen auf und ist besser mit dem Siliciumcarbid-Schiffchenhalter kompatibel. Darüber hinaus besitzt Siliciumcarbid eine hohe Festigkeit, wodurch das Schiffchen im Vergleich zum Quarzschiffchen deutlich weniger bruchgefährdet durch Stöße ist.
Siliziumkarbid-Wafer-Boot
Das Ofenrohr ist die wichtigste Wärmeübertragungskomponente des Ofens und dient der Abdichtung und gleichmäßigen Wärmeverteilung. Im Vergleich zu Quarzrohren weisen Siliziumkarbid-Ofenrohre eine gute Wärmeleitfähigkeit, gleichmäßige Erwärmung und hohe thermische Stabilität auf und haben eine mehr als fünfmal längere Lebensdauer.
Zusammenfassung
Generell bieten Siliziumkarbid-Keramiken im Bereich der Solarzellen Vorteile gegenüber Quarzwerkstoffen, sowohl hinsichtlich der Produktleistung als auch der Betriebskosten. Der Einsatz von Siliziumkarbid-Keramiken in der Photovoltaikindustrie hat Photovoltaikunternehmen maßgeblich geholfen, die Investitionskosten für Hilfsmaterialien zu senken und die Produktqualität sowie die Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern. Mit dem zukünftigen großflächigen Einsatz von Siliziumkarbid-Ofenrohren, hochreinen Siliziumkarbid-Schiffchen und -Schiffchenträgern sowie der kontinuierlichen Kostensenkung wird der Einsatz von Siliziumkarbid-Keramiken in der Photovoltaik zu einem Schlüsselfaktor für die Steigerung der Lichtenergieeffizienz und die Senkung der Industriekosten in der Photovoltaik-Stromerzeugung werden und einen wichtigen Einfluss auf die Entwicklung der Photovoltaik als neue Energiequelle haben.
Veröffentlichungsdatum: 05.11.2024