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        【原創(chuàng)】碳化硅陶瓷:光伏石英部件的終結(jié)者?


        來源:中國粉體網(wǎng)   山川

        [導讀]  石英部件不香了?

        中國粉體網(wǎng)訊  隨著當今世界的不斷發(fā)展,不可再生能源日益枯竭,人類社會對“風光水核”為代表的可再生能源的高效利用日漸緊迫。相較于其它可再生能源,人類對太陽能的利用技術(shù)最為成熟,安全可靠。其中,以高純硅為基板的光伏電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展極為迅猛。截至2023年底,我國的累計太陽能光伏裝機容量已經(jīng)超過250千兆瓦,光伏發(fā)電累計達2663億千瓦時,同比增長約30%,新增發(fā)電裝機規(guī)模7842萬千瓦,同比增長154%。截至6月底,光伏發(fā)電累計裝機規(guī)模約4.7億千瓦,已超過水電成為我國裝機規(guī)模第二大電源。


        在光伏產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的同時,與之配套的新材料產(chǎn)業(yè)也在迅速發(fā)展,其中石英坩堝、石英舟、石英瓶等石英部件便在其列,在光伏制造過程中扮演著重要角色,如石英坩堝在硅棒、硅錠生產(chǎn)中用于盛裝熔融硅;石英舟、管、瓶、清洗槽等在電池片生產(chǎn)過程中的擴散、清洗等工藝環(huán)節(jié)中起到承載功能等,保障了硅材料的純凈度和質(zhì)量。



        光伏制造用石英部件的主要應用


        01.某些環(huán)節(jié),石英部件未必“最香”


        在太陽能光伏電池的制造過程中,硅片放置在小舟上,小舟放置于舟托上進行擴散、LPCVD等熱制程,而碳化硅懸臂槳(桿)是將承載硅片的舟托移入和移出加熱爐的關(guān)鍵裝載部件。如下圖所示,碳化硅懸臂槳(桿)能夠保證硅片與爐管的同心度,進而使擴散、鈍化更均勻,同時在高溫下無污染、不變形,具有良好的抗熱震穩(wěn)定性、載重量大,已被廣泛應用于光伏電池領(lǐng)域。


        電池關(guān)鍵裝載部件示意圖


        傳統(tǒng)的石英舟和舟托,在軟著陸擴散工藝流程中,需要將硅片連同石英舟托一起放入擴散爐內(nèi)的石英管中。在每次擴散工藝中,將裝滿硅片的石英舟托放到碳化硅槳上,碳化硅槳進入石英管后,槳自動下沉放下石英舟托和硅片,然后慢慢運行回原點,每次工藝結(jié)束后,都需要將石英舟托從碳化硅槳上取下。如此頻繁的操作,長時間會造成石英舟托磨損,一旦石英舟托出現(xiàn)裂紋斷裂,整個石英舟托就會從碳化硅槳上掉落下來,進而砸壞下方的石英件、硅片和碳化硅槳。碳化硅槳的價格昂貴且不可返修,一旦出現(xiàn)事故就會造成巨大的財產(chǎn)損失。


        在LPCVD環(huán)節(jié),不僅會出現(xiàn)上述的熱應力問題,由于LPCVD工藝要對硅片通硅烷氣體,長期的工藝還會讓舟托和小舟表現(xiàn)形成硅涂層,由于涂層硅和石英熱膨脹系數(shù)不一致,導致舟托和小舟開裂,壽命嚴重降低。普通的石英舟、舟托在LPCVD工序壽命通常只有2~3個月。因此,改善舟托材料提高舟托強度及使用壽命從而避免此類事故的發(fā)生顯得尤為重要。


        總之,在電池片生產(chǎn)過程中隨著工藝時間及次數(shù)的增加,石英舟等部件容易發(fā)生隱裂甚至斷裂,國內(nèi)當前主流量產(chǎn)線石英舟和石英管壽命約3-6月,需定期停機清洗、維護、更換石英載具。而且,石英部件所用原料高純度石英砂目前處于供需緊張,價格長期高位運行的狀態(tài),這顯然不利于生產(chǎn)效率與經(jīng)濟效益的提高。


        02.碳化硅陶瓷“露臉”


        現(xiàn)在,人們想到了一種性能更好的材料來代替部分石英部件——碳化硅陶瓷。


        碳化硅陶瓷具有良好的機械強度、熱穩(wěn)定性、耐高溫性、抗氧化性、抗熱震性及耐化學腐蝕性,被廣泛應用于冶金、機械、新能源和建材化工等熱門領(lǐng)域。其性能也足以勝任光伏制造中TOPcon電池的擴散、LPCVD(低壓化學氣相沉積)、PECVD(等離子化學氣相沉積)等熱制程環(huán)節(jié)。


        LPCVD碳化硅舟托與硼擴用碳化硅舟托


        相比于傳統(tǒng)的石英材料,碳化硅陶瓷材料制作的舟托、小舟、管件制品強度更高,熱穩(wěn)定性更好,高溫使用不變形,且壽命是石英材質(zhì)的5倍以上,可顯著降低使用成本及維修停線造成的常能損失,成本優(yōu)勢明顯,且原料來源廣泛。


        其中,反應燒結(jié)碳化硅(Reaction Bonded Silicon Carbide,RBSC)燒結(jié)溫度低、生產(chǎn)成本低、材料致密化程度較高,特別是反應燒結(jié)過程中幾乎不發(fā)生體積收縮現(xiàn)象,特別適合大尺寸復雜形狀結(jié)構(gòu)件的制備,因此最適合于生產(chǎn)舟托、小舟、懸臂槳、爐管等大尺寸復雜產(chǎn)品。


        據(jù)了解,如隆基綠能科技股份有限公司、晶科能源股份有限公司、一道新能源科技股份有限公司等光伏龍頭企業(yè)已開始使用碳化硅舟托


        碳化硅舟托市場規(guī)模及預測,來源:頭豹



        碳化硅小舟未來也很有發(fā)展前景。無論LPCVD過程還是硼擴過程,石英舟的壽命都相對較低,且石英材料的熱膨脹系數(shù)和碳化硅材料不一致,因此在高溫下和碳化硅舟托的配合過程中也容易出現(xiàn)偏差,進而導致晃舟甚至碎舟的情況。碳化硅小舟采用一體成型,整體加工的工藝路線,其形位公差要求高,和碳化硅舟托配合更好,且碳化硅強度高,因人為碰撞導致的小舟碎裂情況要比石英舟少很多。


        碳化硅舟


        爐管是爐膛的主要傳熱部件,起到密封、傳熱均勻的效果。碳化硅爐管相較于石英爐管具有導熱性好,受熱均勻,熱穩(wěn)定性好的特點,壽命是石英管的5倍以上。但是,碳化硅爐管制造難度非常高,成品率也非常低,目前仍處于研發(fā)狀態(tài),還未批量生產(chǎn)。


        小結(jié)


        綜合比較而言,無論是產(chǎn)品性能,還是使用成本,碳化硅陶瓷材料在太陽能電池領(lǐng)域的某些環(huán)節(jié)都比石英材料更具有優(yōu)勢,碳化硅陶瓷材料應用于光伏行業(yè),對光伏企業(yè)減少輔材投資成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力有著巨大的幫助。未來,隨著大尺寸碳化硅爐管,高純碳化硅舟、舟托的大量應用及成本的不斷降低,碳化硅陶瓷材料在光伏電池領(lǐng)域的應用將會成為光伏發(fā)電領(lǐng)域提高光能轉(zhuǎn)化效率,降低行業(yè)成本的關(guān)鍵因素,對光伏新能源發(fā)展有重要影響。


        參考來源:

        [1]李夢飛等.碳化硅陶瓷在光伏領(lǐng)域的應用與研究

        [2]馬文杰.光伏直流微電網(wǎng)碳化硅高壓變換器拓撲及效率優(yōu)化研究

        [3]頭豹詞條、光伏研習社、中國粉體網(wǎng)


        (中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川)

        注:圖片非商業(yè)用途,存在侵權(quán)告知刪除


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        作者:山川

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