Avec le développement continu du monde actuel, les énergies non renouvelables s'épuisent et la société humaine se tourne de plus en plus vers les énergies renouvelables, notamment l'éolien, l'électrique, l'hydraulique et le nucléaire. Parmi ces sources d'énergie renouvelables, l'énergie solaire est la technologie la plus aboutie, sûre et fiable. L'industrie des cellules photovoltaïques, utilisant du silicium de haute pureté comme substrat, a connu un développement fulgurant. Fin 2023, la capacité photovoltaïque installée cumulée de mon pays dépassait les 250 gigawatts, et la production d'électricité photovoltaïque atteignait 266,3 milliards de kWh, soit une augmentation d'environ 30 % par rapport à l'année précédente. La nouvelle capacité de production s'élevait à 78,42 millions de kilowatts, soit une hausse de 154 % sur un an. Fin juin, la capacité photovoltaïque installée cumulée atteignait environ 470 millions de kilowatts, dépassant ainsi l'hydroélectricité et devenant la deuxième source d'énergie du pays.
Alors que l'industrie photovoltaïque se développe rapidement, l'industrie des nouveaux matériaux qui la soutiennent connaît elle aussi un développement rapide. Les composants en quartz, tels que…creusets en quartzLes creusets et les bouteilles en quartz, entre autres, jouent un rôle essentiel dans la fabrication des cellules photovoltaïques. Par exemple, ils servent à contenir le silicium fondu lors de la production de barres et de lingots. Les creusets, tubes, bouteilles et cuves de nettoyage en quartz sont indispensables aux étapes de diffusion, de nettoyage et autres procédés de fabrication des cellules solaires, garantissant ainsi la pureté et la qualité du silicium.
Principales applications des composants en quartz pour la fabrication de cellules photovoltaïques
Dans le processus de fabrication des cellules photovoltaïques, les plaquettes de silicium sont placées sur un porte-plaquettes, lui-même positionné sur un support pour les étapes de diffusion, de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD) et autres traitements thermiques. La palette en porte-à-faux en carbure de silicium est l'élément clé permettant de déplacer le porte-plaquettes à l'intérieur et à l'extérieur du four de chauffage. Comme illustré ci-dessous, cette palette assure la concentricité entre la plaquette et le tube du four, garantissant ainsi une diffusion et une passivation plus uniformes. De plus, elle est non polluante, indéformable à haute température, présente une excellente résistance aux chocs thermiques et une capacité de charge élevée, ce qui explique son utilisation répandue dans le domaine des cellules photovoltaïques.
Schéma des principaux composants de charge de la batterie
Dans le processus de diffusion à atterrissage doux, le bateau en quartz traditionnel etbateau à plaquettesIl est nécessaire de placer la plaquette de silicium, avec son support en quartz, dans le tube de quartz du four de diffusion. Lors de chaque cycle de diffusion, le support en quartz contenant la plaquette de silicium est placé sur la palette en carbure de silicium. Une fois la palette entrée dans le tube de quartz, elle s'enfonce automatiquement pour déposer le support et la plaquette, puis remonte lentement à sa position initiale. Après chaque cycle, le support en quartz doit être retiré du four.palette en carbure de siliciumUne utilisation aussi fréquente entraînera une usure prématurée du support en quartz. Lorsque ce support se fissurera et se brisera, il se détachera de la palette en carbure de silicium, endommageant ainsi les pièces en quartz, les plaquettes de silicium et les palettes en carbure de silicium situées en dessous. La palette en carbure de silicium est coûteuse et irréparable. Un tel accident engendrerait des pertes matérielles considérables.
Lors du procédé LPCVD, outre les problèmes de contraintes thermiques mentionnés précédemment, le passage de silane à travers la plaquette de silicium induit la formation, à long terme, d'un revêtement de silicium sur le support et le creuset. L'incompatibilité des coefficients de dilatation thermique entre le silicium et le quartz peut entraîner la fissuration du support et du creuset, réduisant considérablement leur durée de vie. Celle-ci n'est généralement que de deux à trois mois pour les creusets et supports en quartz utilisés en LPCVD. Il est donc primordial d'améliorer le matériau du support afin d'accroître sa résistance et sa durée de vie, et ainsi éviter de tels incidents.
En résumé, à mesure que la durée et la fréquence des cycles de production des cellules solaires augmentent, les nacelles de quartz et autres composants sont sujets à des fissures, voire à des ruptures, invisibles. La durée de vie des nacelles et tubes de quartz dans les lignes de production chinoises courantes est d'environ 3 à 6 mois, et ces lignes nécessitent des arrêts réguliers pour le nettoyage, la maintenance et le remplacement des supports en quartz. Par ailleurs, le sable de quartz de haute pureté, matière première des composants, est actuellement soumis à une forte tension entre l'offre et la demande, et son prix reste élevé depuis longtemps, ce qui nuit à l'amélioration de la productivité et de la rentabilité.
Céramiques en carbure de silicium« se présenter »
Aujourd'hui, on a mis au point un matériau plus performant pour remplacer certains composants en quartz : la céramique de carbure de silicium.
Les céramiques en carbure de silicium présentent une excellente résistance mécanique, une grande stabilité thermique, une résistance aux hautes températures, à l'oxydation, aux chocs thermiques et à la corrosion chimique. Elles sont largement utilisées dans des secteurs de pointe tels que la métallurgie, la mécanique, les énergies nouvelles, les matériaux de construction et la chimie. Leurs performances sont également adaptées à la fabrication de cellules TOPcon pour le photovoltaïque, le dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD), le dépôt chimique en phase vapeur par plasma (PECVD) et d'autres procédés thermiques.
Support de bateau en carbure de silicium LPCVD et support de bateau en carbure de silicium expansé au bore
Comparativement aux matériaux traditionnels en quartz, les supports de bateaux, les bateaux et les tubes en céramique de carbure de silicium présentent une résistance mécanique supérieure, une meilleure stabilité thermique, une absence de déformation à haute température et une durée de vie plus de cinq fois supérieure à celle du quartz. Ceci permet de réduire considérablement les coûts d'utilisation et les pertes d'énergie liées à la maintenance et aux arrêts de production. L'avantage économique est évident et les matières premières sont facilement disponibles.
Parmi ces matériaux, le carbure de silicium fritté par réaction (RBSiC) présente une basse température de frittage, un faible coût de production, une densification élevée et un retrait volumique quasi nul lors du frittage. Il est particulièrement adapté à la fabrication de pièces structurelles de grandes dimensions et de formes complexes. De ce fait, il est idéal pour la production de produits de grande taille et de formes complexes tels que les supports de bateaux, les bateaux eux-mêmes, les pales en porte-à-faux, les tubes de four, etc.
Bateaux à plaquettes en carbure de siliciumCes matériaux présentent également d'excellentes perspectives de développement. Quel que soit le procédé utilisé (LPCVD ou expansion au bore), la durée de vie des nacelles en quartz est relativement courte, et le coefficient de dilatation thermique du quartz diffère de celui du carbure de silicium. Par conséquent, des écarts peuvent facilement survenir lors de l'assemblage avec le porte-navette en carbure de silicium à haute température, ce qui peut entraîner des vibrations, voire la rupture de la nacelle. La nacelle en carbure de silicium, fabriquée par moulage monobloc et usinage complet, présente des exigences élevées en matière de tolérance de forme et de position, et s'assemble mieux avec le porte-navette en carbure de silicium. De plus, la haute résistance du carbure de silicium rend la nacelle beaucoup moins susceptible de se briser en cas de choc qu'une nacelle en quartz.
Bateau à plaquettes en carbure de silicium
Le tube de four est le principal composant d'échange thermique du four ; il assure l'étanchéité et une répartition uniforme de la chaleur. Comparés aux tubes de four en quartz, les tubes en carbure de silicium présentent une conductivité thermique élevée, un chauffage uniforme et une excellente stabilité thermique, et leur durée de vie est plus de cinq fois supérieure.
Résumé
De manière générale, que ce soit en termes de performance ou de coût d'utilisation, les matériaux céramiques en carbure de silicium présentent davantage d'avantages que le quartz dans certains aspects du domaine des cellules solaires. Leur application dans l'industrie photovoltaïque a considérablement contribué à réduire les coûts d'investissement liés aux matériaux auxiliaires et à améliorer la qualité et la compétitivité des produits. À l'avenir, grâce à la généralisation des tubes de four en carbure de silicium de grande taille, des creusets et supports de creusets en carbure de silicium de haute pureté, et à la baisse continue des coûts, l'utilisation des matériaux céramiques en carbure de silicium dans les cellules photovoltaïques deviendra un facteur clé pour améliorer l'efficacité de la conversion de l'énergie lumineuse et réduire les coûts de production d'énergie photovoltaïque, et aura un impact majeur sur le développement de cette nouvelle énergie.
Date de publication : 5 novembre 2024