קרמיקה סיליקון קרביד: המחסל של רכיבי קוורץ פוטו-וולטאיים

עם ההתפתחות המתמשכת של העולם של היום, אנרגיה בלתי מתחדשת הולכת ומתכלה, והחברה האנושית דחוף יותר ויותר להשתמש באנרגיה מתחדשת המיוצגת על ידי "רוח, אור, מים וגרעינים". בהשוואה למקורות אנרגיה מתחדשים אחרים, לבני אדם יש את הטכנולוגיה הבוגרת, הבטוחה והאמינה ביותר לשימוש באנרגיה סולארית. ביניהם, תעשיית התאים הפוטו-וולטאיים עם סיליקון בטוהר גבוה כמצע התפתחה במהירות רבה. עד סוף 2023, קיבולת הפוטו-וולטאית הסולרית המותקנת של ארצי עלתה על 250 ג'יגה-ואט, וייצור החשמל הפוטו-וולטאי הגיע ל-266.3 מיליארד קילוואט-שעה, גידול של כ-30% משנה לשנה, וכושר ייצור החשמל החדש שנוספה הוא 78.42 מיליון קילוואט, עלייה של 154% משנה לשנה. נכון לסוף יוני, הקיבולת המותקנת המצטברת של ייצור חשמל פוטו-וולטאית הייתה כ-470 מיליון קילוואט, אשר עברה את כוח המים והפכה למקור הכוח השני בגודלו במדינה שלי.

בעוד שתעשיית הפוטו-וולטאים מתפתחת במהירות, גם תעשיית החומרים החדשה התומכת בה מתפתחת במהירות. רכיבי קוורץ כגוןכור היתוך קוורץ, סירות קוורץ ובקבוקי קוורץ הם ביניהם, הממלאים תפקיד חשוב בתהליך הייצור הפוטו-וולטאי. לדוגמה, כור היתוך קוורץ משמש להחזקת סיליקון מותך בייצור של מוטות סיליקון ומטילי סיליקון; סירות קוורץ, צינורות, בקבוקים, מיכלי ניקוי וכו' ממלאים תפקיד נושא בדיפוזיה, ניקוי וקישורי תהליכים אחרים בייצור תאים סולאריים וכו', המבטיחים את הטוהר והאיכות של חומרי הסיליקון.

יישומים עיקריים של רכיבי קוורץ לייצור פוטו-וולטאיים

בתהליך הייצור של תאים פוטו-וולטאיים סולאריים, פרוסות סיליקון מונחות על סירת רקיק, והסירה מונחת על תמיכת סירת רקיק לדיפוזיה, LPCVD ותהליכים תרמיים אחרים, בעוד שהשוט של סיליקון קרביד הוא מרכיב הטעינה העיקרי לתנועה תומך הסירה נושא פרוסות סיליקון לתוך ומחוץ לתנור החימום. כפי שמוצג באיור שלהלן, ההנעה שלוחה מסיליקון קרביד יכולה להבטיח את הריכוזיות של רקיקת הסיליקון וצינור הכבשן, ובכך להפוך את הדיפוזיה והפסיבציה לאחידות יותר. יחד עם זאת, הוא נטול זיהום ואינו מעוות בטמפרטורות גבוהות, בעל עמידות בפני זעזועים תרמיים ויכולת עומס גדולה, ונמצא בשימוש נרחב בתחום התאים הפוטו-וולטאיים.

תרשים סכמטי של רכיבי טעינת סוללה מרכזיים

בתהליך דיפוזיה של נחיתה רכה, סירת הקוורץ המסורתית וסירת רקיקתמיכה צריך לשים את פרוסת הסיליקון יחד עם תומך סירת הקוורץ לתוך צינור הקוורץ בכבשן הדיפוזיה. בכל תהליך דיפוזיה, תומך סירת הקוורץ המלא בפרוסות סיליקון מונח על משוט הסיליקון קרביד. לאחר כניסת משוט הסיליקון קרביד לצינור הקוורץ, ההנעה שוקעת אוטומטית כדי להניח את תומך סירת הקוורץ ואת פרוסת הסיליקון, ולאחר מכן רצה לאט בחזרה למקור. לאחר כל תהליך, יש להסיר את תמיכת סירת הקוורץ מהמכשירמשוט סיליקון קרביד. פעולה תכופה כזו תגרום לתמיכת סירת הקוורץ להתבלות לאורך תקופה ארוכה. ברגע שתומך סירת הקוורץ נסדק ונשבר, כל תמיכת סירת הקוורץ תיפול מהמשוט של סיליקון קרביד, ולאחר מכן תפגע בחלקי הקוורץ, פרוסות הסיליקון ומשוטות הסיליקון קרביד שמתחת. משוט הסיליקון קרביד יקר ולא ניתן לתיקון. ברגע שמתרחשת תאונה, היא תגרום לאובדן רכוש עצום.

בתהליך ה-LPCVD, לא רק שיתרחשו בעיות המתח התרמי הנ"ל, אלא מכיוון שתהליך ה-LPCVD מחייב לעבור גז סילאן דרך פרוסת הסיליקון, התהליך ארוך הטווח יצור גם ציפוי סיליקון על תומך סירת הפרוסים סירת רקיק. בשל חוסר העקביות של מקדמי ההתפשטות התרמית של הסיליקון והקוורץ המצופים, תומך הסירה והסירה יסדקו, ותוחלת החיים תפחת באופן משמעותי. תוחלת החיים של סירות קוורץ ותומכי סירות רגילים בתהליך LPCVD היא בדרך כלל רק חודשיים עד 3 חודשים. לכן, חשוב במיוחד לשפר את חומר התמיכה בסירה כדי להגדיל את החוזק ואת חיי השירות של תומך הסירה כדי למנוע תאונות כאלה.

בקיצור, ככל שזמן התהליך ומספר הפעמים גדלים במהלך ייצור תאים סולאריים, סירות קוורץ ורכיבים אחרים מועדים לסדקים נסתרים או אפילו לשברים. אורך החיים של סירות קוורץ וצינורות קוורץ בקווי הייצור המיינסטרים הנוכחיים בסין הוא כ-3-6 חודשים, ויש לסגור אותם באופן קבוע לצורך ניקוי, תחזוקה והחלפה של מנשאי קוורץ. יתרה מכך, חול הקוורץ הטוהר הגבוה המשמש כחומר גלם לרכיבי קוורץ נמצא כיום במצב של היצע וביקוש הדוקים, והמחיר רץ ברמה גבוהה כבר זמן רב, מה שכמובן אינו תורם לשיפור הייצור. יעילות ויתרונות כלכליים.

קרמיקה סיליקון קרביד"לְהוֹפִיעַ"

עכשיו, אנשים הגיעו עם חומר עם ביצועים טובים יותר כדי להחליף כמה רכיבי קוורץ - קרמיקה סיליקון קרביד.

קרמיקת סיליקון קרביד היא בעלת חוזק מכני טוב, יציבות תרמית, עמידות בטמפרטורה גבוהה, עמידות בחמצון, עמידות בפני זעזועים תרמיים ועמידות בפני קורוזיה כימית, ונמצאת בשימוש נרחב בתחומים חמים כגון מתכות, מכונות, אנרגיה חדשה וחומרי בניין וכימיקלים. הביצועים שלו מספיקים גם להפצה של תאי TOPcon בייצור פוטו-וולטאי, LPCVD (תצהיר כימי בלחץ נמוך), PECVD (תצהיר כימי פלזמה) וקישורי תהליכים תרמיים אחרים.

תמיכת סירת סיליקון קרביד LPCVD ותומכת סירת סיליקון קרביד מורחב בורון

בהשוואה לחומרי קוורץ מסורתיים, תומכי סירות, סירות ומוצרי צינורות העשויים מחומרים קרמיים סיליקון קרביד הם בעלי חוזק גבוה יותר, יציבות תרמית טובה יותר, ללא עיוות בטמפרטורות גבוהות ותוחלת חיים של יותר מפי 5 מחומרי קוורץ, מה שיכול באופן משמעותי להפחית את עלות השימוש ואת אובדן האנרגיה הנגרמים על ידי תחזוקה והשבתה. יתרון העלות ברור, ומקור חומרי הגלם רחב.

ביניהם, ריאקציה סיליקון קרביד (RBSiC) הוא בעל טמפרטורת סינטר נמוכה, עלות ייצור נמוכה, צפיפות חומר גבוהה וכמעט ללא התכווצות נפח במהלך סינטר תגובה. הוא מתאים במיוחד להכנה של חלקי מבנה גדולים ומורכבים. לכן, הוא מתאים ביותר לייצור מוצרים גדולים ומורכבים כגון תומכי סירות, סירות, משוטים שלוחים, צינורות כבשנים וכו'.

סירות פרוסות סיליקון קרבידיש גם סיכויי פיתוח גדולים בעתיד. ללא קשר לתהליך LPCVD או תהליך התפשטות הבור, אורך החיים של סירת הקוורץ נמוך יחסית, ומקדם ההתפשטות התרמית של חומר הקוורץ אינו עולה בקנה אחד עם זה של חומר הסיליקון קרביד. לכן קל להיווצר סטיות בתהליך ההתאמה למחזיק סירת סיליקון קרביד בטמפרטורה גבוהה, מה שמוביל למצב של ניעור הסירה או אפילו שבירת הסירה. סירת הסיליקון קרביד מאמצת את תוואי התהליך של יציקה מקשה אחת ועיבוד כולל. הדרישות לסובלנות הצורה והמיקום שלו גבוהות, והוא משתף פעולה טוב יותר עם מחזיק סירת הסיליקון קרביד. בנוסף, לסיליקון קרביד חוזק גבוה, והסירה נוטה להישבר בגלל התנגשות אנושית הרבה פחות מאשר לסירת הקוורץ.

סירת פרוסות סיליקון קרביד

צינור הכבשן הוא מרכיב העברת החום העיקרי של הכבשן, אשר ממלא תפקיד באיטום והעברת חום אחידה. בהשוואה לצינורות תנורי קוורץ, לצינורות כבשני סיליקון קרביד יש מוליכות תרמית טובה, חימום אחיד ויציבות תרמית טובה, ואורך החיים שלהם הוא יותר מפי 5 מצינורות קוורץ.

תַקצִיר

באופן כללי, בין אם מבחינת ביצועי המוצר או עלות השימוש, לחומרים קרמיים סיליקון קרביד יש יותר יתרונות מחומרי קוורץ בהיבטים מסוימים של תחום התא הסולארי. היישום של חומרים קרמיים סיליקון קרביד בתעשייה הפוטו-וולטאית סייע רבות לחברות פוטו-וולטאיות להפחית את עלות ההשקעה של חומרי עזר ולשפר את איכות המוצר ואת התחרותיות. בעתיד, עם היישום בקנה מידה גדול של צינורות כבשני סיליקון קרביד בגודל גדול, סירות סיליקון קרביד בטוהר גבוה ותומכי סירות והפחתה מתמשכת של עלויות, יהפוך היישום של חומרים קרמיים סיליקון קרביד בתחום התאים הפוטו-וולטאיים. גורם מפתח בשיפור היעילות של המרת אנרגיית האור והפחתת עלויות התעשייה בתחום ייצור החשמל הפוטו-וולטאי, ויהיה לו השפעה חשובה על פיתוח אנרגיה פוטו-וולטאית חדשה.