फोटोवोल्टिक्स के क्षेत्र में सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक का अनुप्रयोग और अनुसंधान - वेटेक सेमीकंडक्टर

तेल और कोयले जैसे पारंपरिक ऊर्जा स्रोतों की बढ़ती कमी के साथ, सौर फोटोवोल्टिक के नेतृत्व में नए ऊर्जा उद्योगों ने हाल के वर्षों में तेजी से विकसित किया है। 1990 के दशक के बाद से, दुनिया की फोटोवोल्टिक स्थापित क्षमता 60 गुना बढ़ गई है। वैश्विक फोटोवोल्टिक उद्योग ने ऊर्जा संरचना परिवर्तन की पृष्ठभूमि के खिलाफ उड़ान भरी है, और उद्योग के पैमाने और स्थापित क्षमता विकास दर ने बार -बार नए रिकॉर्ड स्थापित किए हैं। 2022 में, वैश्विक फोटोवोल्टिक स्थापित क्षमता 239GW तक पहुंच जाएगी, सभी नई अक्षय ऊर्जा क्षमता के 2/3 के लिए लेखांकन। यह अनुमान है कि 2023 में, वैश्विक फोटोवोल्टिक स्थापित क्षमता 411GW होगी, जो साल-दर-साल 59%की वृद्धि होगी। फोटोवोल्टिक की निरंतर वृद्धि के बावजूद, फोटोवोल्टिक्स अभी भी केवल वैश्विक बिजली उत्पादन के 4.5% के लिए जिम्मेदार हैं, और इसकी मजबूत वृद्धि गति 2024 के बाद तक जारी रहेगी।

सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिकअच्छी यांत्रिक शक्ति, थर्मल स्थिरता, उच्च तापमान प्रतिरोध, ऑक्सीकरण प्रतिरोध, थर्मल शॉक प्रतिरोध और रासायनिक संक्षारण प्रतिरोध है, और व्यापक रूप से गर्म क्षेत्रों जैसे कि धातु विज्ञान, मशीनरी, नई ऊर्जा और निर्माण सामग्री और रसायनों में उपयोग किया जाता है। फोटोवोल्टिक क्षेत्र में, यह मुख्य रूप से टॉपकॉन कोशिकाओं, एलपीसीवीडी (कम दबाव रासायनिक वाष्प) के प्रसार में उपयोग किया जाता है,PECVD (प्लाज्मा रासायनिक वाष्प जमाव)और अन्य थर्मल प्रक्रिया लिंक। पारंपरिक क्वार्ट्ज सामग्रियों की तुलना में, नाव का समर्थन, नाव, और सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक सामग्री से बने पाइप फिटिंग में उच्च शक्ति, बेहतर थर्मल स्थिरता, उच्च तापमान पर कोई विरूपण नहीं है, और क्वार्ट्ज सामग्री के 5 गुना से अधिक का जीवनकाल है, जो कि रखरखाव और डाउनटाइम के कारण उपयोग की लागत को कम कर सकता है, और स्पष्ट रूप से सलाह देता है।

Ⅰ फोटोवोल्टिक क्षेत्र में सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक के लाभ

फोटोवोल्टिक सेल फील्ड में सिलिकॉन कार्बाइड सेरामिक्स के मुख्य उत्पादों में सिलिकॉन कार्बाइड बोट सपोर्ट्स, सिलिकॉन कार्बाइड बोट्स, सिलिकॉन कार्बाइड भट्टी ट्यूब, सिलिकॉन कार्बाइड ब्रैकट पैडल, सिलिकॉन कार्बाइड रॉड्स, सिलिकॉन कार्बाइड प्रोटेक्टिव ट्यूब, सिलिकॉन कार्बाइड बोट्स और उनके बीच, सिलिकॉन कार्बाइड बोट्स समर्थन और नाव। उनके स्पष्ट लाभ और तेजी से विकास के कारण, वे फोटोवोल्टिक कोशिकाओं की उत्पादन प्रक्रिया में प्रमुख वाहक सामग्रियों के लिए एक अच्छा विकल्प बन गए हैं, और उनकी बाजार की मांग उद्योग से ध्यान आकर्षित कर रही है।

प्रतिक्रिया बंधुआ सिलिकॉन कार्बाइड (आरबीएससी) सिरेमिक फोटोवोल्टिक कोशिकाओं के क्षेत्र में सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक हैं। इसके फायदे कम सिंटरिंग तापमान, कम उत्पादन लागत और उच्च सामग्री घनत्व हैं। विशेष रूप से, प्रतिक्रिया sintering प्रक्रिया के दौरान लगभग कोई वॉल्यूम संकोचन नहीं है। यह विशेष रूप से बड़े आकार के और जटिल आकार के संरचनात्मक भागों की तैयारी के लिए उपयुक्त है। इसलिए, यह बड़े आकार के और जटिल उत्पादों जैसे कि नाव का समर्थन, छोटी नाव, कैंटिलीवर पैडल, भट्ठी ट्यूब, आदि के उत्पादन के लिए सबसे उपयुक्त है। RBSC सिरेमिक की तैयारी का मूल सिद्धांत है: केशिका बल की कार्रवाई के तहत, कार्बन-युक्त पोरस सेरेमिक सेकंट और ट्रायल-सोरमेन्ट के साथ, β-SIC को रिक्त पाउडर में α-Sic कणों के साथ संयुक्त रूप से संयुक्त रूप से है, और शेष छिद्रों को मुक्त सिलिकॉन से भरना जारी है, और अंत में RBSC सिरेमिक सामग्री का घनत्व प्राप्त होता है। घर और विदेश में RBSC सिरेमिक उत्पादों के विभिन्न गुणों को तालिका 1 में दिखाया गया है।

तालिका 1 प्रमुख देशों में प्रतिक्रिया के प्रदर्शन की तुलना

सौर फोटोवोल्टिक कोशिकाओं की निर्माण प्रक्रिया में, सिलिकॉन वेफर्स को एक नाव पर रखा जाता है, और नाव को प्रसार, एलपीसीवीडी और अन्य थर्मल प्रक्रियाओं के लिए एक नाव धारक पर रखा जाता है। सिलिकॉन कार्बाइड कैंटिलीवर पैडल (रॉड) हीटिंग भट्ठी में सिलिकॉन वेफर्स को ले जाने वाले नाव धारक को ले जाने के लिए एक महत्वपूर्ण लोडिंग घटक है। जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, सिलिकॉन कार्बाइड कैंटिलीवर पैडल (आरओडी) सिलिकॉन वेफर और भट्ठी ट्यूब की संकेंद्रितता सुनिश्चित कर सकता है, जिससे प्रसार और पास होने से अधिक समान हो जाता है। इसी समय, यह उच्च तापमान पर प्रदूषण-मुक्त और गैर-विकृत है, इसमें अच्छा थर्मल शॉक प्रतिरोध और बड़ी भार क्षमता है, और फोटोवोल्टिक कोशिकाओं के क्षेत्र में व्यापक रूप से उपयोग किया गया है।

चित्रा 1 कुंजी बैटरी लोडिंग घटकों का योजनाबद्ध आरेख

पारंपरिक मेंक्वार्ट्ज नावऔर नाव धारक, सॉफ्ट लैंडिंग प्रसार प्रक्रिया में, सिलिकॉन वेफर और क्वार्ट्ज बोट धारक को प्रसार भट्ठी में क्वार्ट्ज ट्यूब में रखा जाना चाहिए। प्रत्येक प्रसार प्रक्रिया में, सिलिकॉन वेफर्स से भरे क्वार्ट्ज बोट धारक को सिलिकॉन कार्बाइड पैडल पर रखा जाता है। सिलिकॉन कार्बाइड पैडल क्वार्ट्ज ट्यूब में प्रवेश करने के बाद, पैडल स्वचालित रूप से क्वार्ट्ज बोट होल्डर और सिलिकॉन वेफर को नीचे रखने के लिए डूब जाता है, और फिर धीरे -धीरे मूल में वापस चला जाता है। प्रत्येक प्रक्रिया के बाद, क्वार्ट्ज बोट धारक को सिलिकॉन कार्बाइड पैडल से हटाने की आवश्यकता है। इस तरह के लगातार ऑपरेशन से क्वार्ट्ज बोट सपोर्ट को लंबे समय तक पहनने का कारण होगा। एक बार क्वार्ट्ज बोट क्रैक और ब्रेक का समर्थन करने के बाद, पूरे क्वार्ट्ज बोट का समर्थन सिलिकॉन कार्बाइड पैडल से गिर जाएगा, और फिर क्वार्ट्ज भागों, सिलिकॉन वेफर्स और सिलिकॉन कार्बाइड पैडल को नुकसान पहुंचाएगा। सिलिकॉन कार्बाइड पैडल महंगे हैं और उनकी मरम्मत नहीं की जा सकती है। एक बार जब कोई दुर्घटना होती है, तो इससे संपत्ति का बड़ा नुकसान होगा।

LPCVD प्रक्रिया में, न केवल उपर्युक्त थर्मल तनाव की समस्याएं होंगी, लेकिन चूंकि LPCVD प्रक्रिया को सिलिकॉन वेफर से गुजरने के लिए सिलेन गैस की आवश्यकता होती है, इसलिए दीर्घकालिक प्रक्रिया नाव के समर्थन और नाव पर एक सिलिकॉन कोटिंग का निर्माण करेगी। लेपित सिलिकॉन और क्वार्ट्ज के थर्मल विस्तार गुणांक की असंगति के कारण, नाव का समर्थन और नाव दरार होगी, और जीवन काल गंभीरता से कम हो जाएगा। एलपीसीवीडी प्रक्रिया में साधारण क्वार्ट्ज नौकाओं और नाव का समर्थन करता है, आमतौर पर केवल 2 से 3 महीने होता है। इसलिए, ऐसी दुर्घटनाओं से बचने के लिए नाव समर्थन की शक्ति और सेवा जीवन को बढ़ाने के लिए नाव समर्थन सामग्री में सुधार करना विशेष रूप से महत्वपूर्ण है।

Ⅱ फोटोवोल्टिक क्षेत्र में सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक सामग्री का विकास की प्रवृत्ति

13 वीं शंघाई फोटोवोल्टिक प्रदर्शनी एसएनईसी 2023 से, देश की कई फोटोवोल्टिक कंपनियों ने सिलिकॉन कार्बाइड बोट सपोर्ट का उपयोग करना शुरू कर दिया है, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है, जैसे कि लॉन्ग ग्रीन एनर्जी टेक्नोलॉजी कंपनी, लिमिटेड, जिंकोसोलर कंपनी, लिमिटेड, यिडा न्यू एनर्जी टेक्नोलॉजी कंपनी, लिमिटेड और अन्य फोटोवोल्टिक कंपनी। सिलिकॉन कार्बाइड बोट बोरान विस्तार के लिए उपयोग किया जाता है, बोरान विस्तार के उच्च उपयोग के तापमान के कारण, आमतौर पर 1000 ~ 1050 ℃ पर, नाव समर्थन में अशुद्धियों को बैटरी सेल को प्रदूषित करने के लिए उच्च तापमान पर अस्थिर करना आसान होता है, जिससे बैटरी सेल की रूपांतरण दक्षता को प्रभावित किया जाता है, इसलिए नाव समर्थन सामग्री की शुद्धता के लिए उच्च आवश्यकताएं होती हैं।

चित्रा 2 एलपीसीवीडी सिलिकॉन कार्बाइड बोट सपोर्ट और बोरॉन विस्तार सिलिकॉन कार्बाइड बोट सपोर्ट

वर्तमान में, बोरान विस्तार के लिए उपयोग किए जाने वाले नाव समर्थन को शुद्ध करने की आवश्यकता है। सबसे पहले, कच्चा माल सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर एसिड-धोया और शुद्ध होता है। लिथियम-ग्रेड सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर कच्चे माल की शुद्धता 99.5%से ऊपर होना आवश्यक है। एसिड धोने और सल्फ्यूरिक एसिड + हाइड्रोफ्लोरिक एसिड के साथ शुद्धि के बाद, कच्चे माल की शुद्धता 99.9%से ऊपर पहुंच सकती है। इसी समय, नाव समर्थन की तैयारी के दौरान पेश की गई अशुद्धियों को नियंत्रित किया जाना चाहिए। इसलिए, बोरॉन विस्तार नाव धारक को ज्यादातर धातु अशुद्धियों के उपयोग को कम करने के लिए ग्राउटिंग द्वारा बनाया जाता है। ग्राउटिंग विधि आमतौर पर द्वितीयक सिंटरिंग द्वारा बनाई जाती है। फिर से सिंटर करने के बाद, सिलिकॉन कार्बाइड बोट होल्डर की शुद्धता को कुछ हद तक बेहतर बनाया जाता है।

इसके अलावा, नाव धारक की सिंटरिंग प्रक्रिया के दौरान, सिंटरिंग भट्ठी को पहले से शुद्ध किया जाना चाहिए, और भट्ठी में ग्रेफाइट हीट फील्ड को भी शुद्ध करने की आवश्यकता है। आमतौर पर, बोरान विस्तार के लिए उपयोग किए जाने वाले सिलिकॉन कार्बाइड बोट धारक की शुद्धता लगभग 3n है।

सिलिकॉन कार्बाइड नाव का एक आशाजनक भविष्य है। सिलिकॉन कार्बाइड नाव को चित्र 3 में दिखाया गया है। एलपीसीवीडी प्रक्रिया या बोरॉन विस्तार प्रक्रिया के बावजूद, क्वार्ट्ज बोट का जीवन अपेक्षाकृत कम है, और क्वार्ट्ज सामग्री का थर्मल विस्तार गुणांक सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री के साथ असंगत है। इसलिए, उच्च तापमान पर सिलिकॉन कार्बाइड नाव के साथ मिलान करने की प्रक्रिया में विचलन होना आसान है, जिससे नाव को हिलाना या टूटना भी होता है।

सिलिकॉन कार्बाइड नाव एक एकीकृत मोल्डिंग और समग्र प्रसंस्करण प्रक्रिया मार्ग को अपनाती है। इसकी आकृति और स्थिति सहिष्णुता की आवश्यकताएं अधिक हैं, और यह सिलिकॉन कार्बाइड बोट धारक के साथ बेहतर सहयोग करता है। इसके अलावा, सिलिकॉन कार्बाइड में उच्च ताकत है, और मानव टक्कर के कारण होने वाली नाव का टूटना क्वार्ट्ज नाव की तुलना में बहुत कम है। हालांकि, सिलिकॉन कार्बाइड नौकाओं की उच्च शुद्धता और प्रसंस्करण सटीक आवश्यकताओं के कारण, वे अभी भी छोटे बैच सत्यापन चरण में हैं।

चूंकि सिलिकॉन कार्बाइड बोट बैटरी सेल के सीधे संपर्क में है, इसलिए सिलिकॉन वेफर के संदूषण को रोकने के लिए एलपीसीवीडी प्रक्रिया में भी एक उच्च शुद्धता होनी चाहिए।

सिलिकॉन कार्बाइड नौकाओं की सबसे बड़ी कठिनाई मशीनिंग में निहित है। जैसा कि हम सभी जानते हैं, सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक विशिष्ट हार्ड और भंगुर सामग्री हैं जिन्हें संसाधित करना मुश्किल है, और नाव के आकार और स्थिति सहिष्णुता की आवश्यकताएं बहुत सख्त हैं। पारंपरिक प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी के साथ सिलिकॉन कार्बाइड नावों को संसाधित करना मुश्किल है। वर्तमान में, सिलिकॉन कार्बाइड नाव को ज्यादातर हीरे के उपकरण पीस द्वारा संसाधित किया जाता है, और फिर पॉलिश, अचार और अन्य उपचार किए जाते हैं।

चित्रा 3 सिलिकॉन कार्बाइड बोट

क्वार्ट्ज भट्ठी ट्यूबों की तुलना में, सिलिकॉन कार्बाइड भट्ठी ट्यूबों में अच्छी थर्मल चालकता, समान हीटिंग और अच्छी थर्मल स्थिरता होती है, और उनका जीवनकाल क्वार्ट्ज ट्यूबों से 5 गुना से अधिक है। भट्ठी ट्यूब भट्ठी का मुख्य गर्मी हस्तांतरण घटक है, जो सीलिंग और समान गर्मी हस्तांतरण में एक भूमिका निभाता है। सिलिकॉन कार्बाइड भट्टी ट्यूबों की विनिर्माण कठिनाई बहुत अधिक है, और उपज दर भी बहुत कम है। सबसे पहले, भट्ठी ट्यूब के विशाल आकार और दीवार की मोटाई के कारण आमतौर पर 5 और 8 मिमी के बीच, रिक्त गठन की प्रक्रिया के दौरान विघटित, पतन या यहां तक ​​कि दरार करना बहुत आसान है।

सिन्टरिंग के दौरान, भट्ठी ट्यूब के विशाल आकार के कारण, यह सुनिश्चित करना भी मुश्किल है कि यह सिंटरिंग प्रक्रिया के दौरान विकृत नहीं होगा। सिलिकॉन सामग्री की एकरूपता खराब है, और यह स्थानीय गैर-सिल्लिकेशन, पतन, क्रैकिंग, आदि के लिए आसान है, और सिलिकॉन कार्बाइड भट्ठी ट्यूबों का उत्पादन चक्र बहुत लंबा है, और एक एकल भट्ठी ट्यूब का उत्पादन चक्र 50 दिनों से अधिक है। इसलिए, सिलिकॉन कार्बाइड भट्ठी ट्यूब अभी भी अनुसंधान और विकास की स्थिति में हैं और अभी तक बड़े पैमाने पर उत्पादित नहीं हुए हैं।

फोटोवोल्टिक क्षेत्र में उपयोग किए जाने वाले सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक सामग्री की मुख्य लागत उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर कच्चे माल, उच्च शुद्धता वाले पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन और प्रतिक्रिया सिंटरिंग लागत से आती है।

सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर शोधन प्रौद्योगिकी के निरंतर विकास के साथ, सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर की शुद्धता चुंबकीय पृथक्करण, अचार और अन्य प्रौद्योगिकियों के माध्यम से बढ़ती जा रही है, और अशुद्धता सामग्री धीरे -धीरे 1% से 0.1% तक घट जाती है। सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर उत्पादन क्षमता में निरंतर वृद्धि के साथ, उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर की लागत भी कम हो रही है।

2020 की दूसरी छमाही के बाद से, पॉलीसिलिकॉन कंपनियों ने क्रमिक रूप से विस्तार की घोषणा की है। वर्तमान में, 17 से अधिक घरेलू पॉलीसिलिकॉन उत्पादन कंपनियां हैं, और वार्षिक उत्पादन 2023 में 1.45 मिलियन टन से अधिक होने का अनुमान है। पॉलीसिलिकॉन की अतिव्यापीता ने कीमतों में लगातार गिरावट आई है, जिससे बदले में सिलिकॉन कार्बाइड सेरामिक्स की लागत कम हो गई है।

रिएक्शन सिंटरिंग के संदर्भ में, प्रतिक्रिया का आकार सिन्टरिंग भट्टी भी बढ़ रही है, और एक ही भट्ठी की लोडिंग क्षमता भी बढ़ रही है। नवीनतम बड़े आकार की प्रतिक्रिया sintering भट्ठी एक समय में 40 से अधिक टुकड़ों को लोड कर सकती है, जो कि मौजूदा प्रतिक्रिया की तुलना में बहुत बड़ा है जो 4 से 6 टुकड़ों की भट्ठी लोडिंग क्षमता है। इसलिए, सिंटरिंग लागत भी काफी गिर जाएगी।

कुल मिलाकर, फोटोवोल्टिक क्षेत्र में सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक सामग्री मुख्य रूप से उच्च शुद्धता, मजबूत वहन क्षमता, उच्च लोडिंग क्षमता और कम लागत की ओर विकसित हो रही है।

Ⅲ फोटोवोल्टिक क्षेत्र में सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक सामग्री का महत्व

वर्तमान में, घरेलू फोटोवोल्टिक क्षेत्र में उपयोग की जाने वाली क्वार्ट्ज सामग्री के लिए आवश्यक उच्च शुद्धता वाले क्वार्ट्ज रेत अभी भी मुख्य रूप से आयात पर निर्भर है, जबकि विदेशों में चीन में निर्यात की जाने वाली उच्च शुद्धता वाले क्वार्ट्ज रेत की मात्रा और विनिर्देशों को सख्ती से नियंत्रित किया जाता है। उच्च शुद्धता वाले क्वार्ट्ज रेत सामग्री की तंग आपूर्ति को कम नहीं किया गया है और इसने फोटोवोल्टिक उद्योग के विकास को प्रतिबंधित कर दिया है। इसी समय, क्वार्ट्ज सामग्री के कम जीवन और डाउनटाइम के लिए आसान नुकसान के कारण, बैटरी प्रौद्योगिकी के विकास को गंभीरता से प्रतिबंधित किया गया है। इसलिए, मेरे देश के लिए सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक सामग्री के साथ क्वार्ट्ज सामग्री के क्रमिक प्रतिस्थापन पर अनुसंधान का संचालन करके विदेशी तकनीकी अवरोधों से छुटकारा पाने के लिए बहुत महत्व है।

एक व्यापक तुलना में, चाहे वह उत्पाद प्रदर्शन हो या लागत का उपयोग हो, सौर कोशिकाओं के क्षेत्र में सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक सामग्री का अनुप्रयोग क्वार्ट्ज सामग्री की तुलना में अधिक फायदेमंद है। फोटोवोल्टिक उद्योग में सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक सामग्री के आवेदन में फोटोवोल्टिक कंपनियों के लिए सहायक सामग्री की निवेश लागत को कम करने और उत्पाद की गुणवत्ता और प्रतिस्पर्धा में सुधार करने के लिए बहुत मदद मिली है। भविष्य में, बड़े आकार के बड़े पैमाने पर आवेदन के साथसिलिकॉन कार्बाइड भट्ठी ट्यूब, उच्च-शुद्धता वाले सिलिकॉन कार्बाइड नावों और नाव का समर्थन और लागतों की निरंतर कमी, फोटोवोल्टिक कोशिकाओं के क्षेत्र में सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक सामग्री का अनुप्रयोग प्रकाश ऊर्जा रूपांतरण की दक्षता में सुधार करने और फोटोवोल्टिक बिजली पीढ़ी के विकास पर उद्योग की लागत को कम करने के लिए एक महत्वपूर्ण कारक बन जाएगा, और फोटोवोल्टिक नई ऊर्जा के विकास पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव होगा।