Application et recherche sur la céramique en carbure de silicium dans le domaine du photovoltaïque - Vetek Semiconductor

Avec la pénurie croissante de sources d'énergie traditionnelles telles que le pétrole et le charbon, les nouvelles industries énergétiques, dirigées par le photovoltaïque solaire, se sont développées rapidement ces dernières années. Depuis les années 1990, la capacité installée par photovoltaïque mondiale a augmenté de 60 fois. L'industrie mondiale photovoltaïque a décollé dans le contexte de la transformation de la structure énergétique, et l'échelle de l'industrie et le taux de croissance des capacités installées ont établi à plusieurs reprises de nouveaux records. En 2022, la capacité d'installation du photovoltaïque mondial atteindra 239 GW, ce qui représente 2/3 de toutes les nouvelles capacités d'énergie renouvelable. On estime qu'en 2023, la capacité d'installation du photovoltaïque mondial sera de 411 GW, soit une augmentation en glissement annuel de 59%. Malgré la croissance continue des photovoltaïques, le photovoltaïque ne représente toujours que 4,5% de la production d'énergie mondiale, et sa forte dynamique de croissance se poursuivra jusqu'en 2024.

Céramique en carbure de siliciumont une bonne résistance mécanique, une stabilité thermique, une résistance à haute température, une résistance à l'oxydation, une résistance aux chocs thermiques et une résistance à la corrosion chimique, et sont largement utilisés dans les champs chauds tels que la métallurgie, les machines, les nouveaux matériaux d'énergie et de construction et les produits chimiques. Dans le champ photovoltaïque, il est principalement utilisé dans la diffusion des cellules TopCon, LPCVD (dépôt de vapeur chimique à basse pression),PECVD (dépôt de vapeur chimique plasmatique)et d'autres liens de processus thermique. Comparé aux matériaux de quartz traditionnels, les supports de bateaux, les bateaux et les raccords de tuyaux en matériaux en céramique en carbure de silicium ont une résistance plus élevée, une meilleure stabilité thermique, aucune déformation à des températures élevées et une durée de vie de plus de 5 fois celle des matériaux de quartz, ce qui peut réduire considérablement le coût de l'utilisation et la perte d'énergie causée par le maintien et la baisse et les coûts évidents.

Ⅰ Avantages de la céramique en carbure de silicium dans le champ photovoltaïque

Les principaux produits de la céramique en carbure de silicium dans le champ de cellules photovoltaïques comprennent les supports de bateaux en carbure de silicium, les bateaux en carbure de silicium, les tubes en carbure de silicium, les cannes de silicium en carbure de carbure de silicium, les bateaux de protection en silicone en silicone et les bateaux. En raison de leurs avantages évidents et de leur développement rapide, ils sont devenus un bon choix pour les matériaux clés du transporteur dans le processus de production des cellules photovoltaïques, et leur demande de marché attire de plus en plus l'attention de l'industrie.

La céramique en carbure de silicium lié à la réaction (RBSC) est la céramique de carbure de silicium les plus utilisées dans le domaine des cellules photovoltaïques. Ses avantages sont une faible température de frittage, un faible coût de production et une densification élevée des matériaux. En particulier, il n'y a presque pas de retrait de volume pendant le processus de frittage de réaction. Il convient particulièrement à la préparation de pièces structurelles de grande taille et de forme complexe. Par conséquent, il convient le plus à la production de produits de grande taille et complexes tels que les supports de bateaux, les petits bateaux, les pagaies en porte-à-faux, les tubes fournaises, etc. Le temps, la phase secondaire β-SIC est in situ combinée avec les particules α-SIC dans la poudre vierge, et les pores restants continuent d'être remplis de silicium libre, et enfin la densification des matériaux en céramique RBSC est obtenue. Les différentes propriétés des produits en céramique RBSC au pays et à l'étranger sont présentées dans le tableau 1.

Tableau 1 Comparaison de la performance des réactions des produits de céramique SIC fritté dans les principaux pays

Dans le processus de fabrication des cellules solaires photovoltaïques, les plaquettes de silicium sont placées sur un bateau et le bateau est placé sur un porte-bateau pour diffusion, LPCVD et d'autres processus thermiques. La pagaie en cantilever en carbure de silicium (tige) est un composant de chargement clé pour déplacer le support de bateau transportant des plaquettes de silicium dans et hors de la fournaise de chauffage. Comme le montre la figure 1, la pagaie en cantilever en silicium (tige) peut assurer la concentricité de la tranche de silicium et du tube de fournaise, rendant ainsi la diffusion et la passivation plus uniformes. Dans le même temps, il est sans pollution et non déformé à des températures élevées, a une bonne résistance aux chocs thermiques et une grande capacité de charge, et a été largement utilisé dans le domaine des cellules photovoltaïques.

Figure 1 Diagramme schématique des composants de chargement de la batterie clé

Dans le traditionnelbateau à quartzet le support de bateau, dans le processus de diffusion de l'atterrissage doux, la plaquette de silicium et le porte-bateau en quartz doivent être placés dans le tube de quartz dans la fournaise de diffusion. Dans chaque processus de diffusion, le porte-bateau en quartz rempli de plaquettes de silicium est placé sur la pagaie en carbure de silicium. Après que la pagaie en carbure de silicium entre dans le tube de quartz, la pagaie coule automatiquement pour placer le porte-bateau en quartz et la tranche de silicium, puis revient lentement à l'origine. Après chaque processus, le support de bateau en quartz doit être retiré de la pagaie en carbure de silicium. Une telle opération fréquente entraînera l'usure du support en quartz sur une longue période. Une fois que le bateau en quartz supportait les fissures et se casse, tout le support de bateau en quartz tombera de la pagaie en carbure de silicium, puis endommagera les pièces de quartz, les plaquettes de silicium et les pagaies en carbure de silicium en dessous. Les palettes de carbure de silicium sont chères et ne peuvent pas être réparées. Une fois qu'un accident se produit, il entraînera d'énormes pertes de biens.

Dans le processus LPCVD, non seulement les problèmes de contrainte thermique susmentionnés se produiront, mais comme le processus LPCVD nécessite que le gaz de silane passe par la tranche de silicium, le processus à long terme formera un revêtement en silicium sur le soutien au bateau et le bateau. En raison de l'incohérence des coefficients de dilatation thermique du silicium et du quartz enrobés, le soutien au bateau et le bateau se fissurent, et la durée de vie sera sérieusement réduite. La durée de vie des bateaux de quartz ordinaires et des supports de bateaux dans le processus LPCVD n'est généralement que de 2 à 3 mois. Par conséquent, il est particulièrement important d'améliorer le matériel de soutien au bateau pour augmenter la force et la durée de vie du soutien au bateau pour éviter de tels accidents.

Ⅱ Tendance de développement des matériaux en céramique en carbure de silicium dans le champ photovoltaïque

De la 13e exposition Shanghai Photovoltaic SNEC 2023, de nombreuses sociétés photovoltaïques du pays ont commencé à utiliser des supports de bateaux en carbure de silicium, comme le montre la figure 2, tels que Longi Green Energy Technology Co., Ltd., Jinkosolar Co., Ltd., Yida New Energy Technology Co., Ltd. and Other Photovoltaic Menial Companies. Les supports de bateau en carbure de silicium utilisés pour l'expansion du bore, en raison de la température à forte utilisation de l'expansion du bore, généralement à 1000 ~ 1050 ℃, les impuretés dans le support du bateau sont faciles à volatiliser à haute température pour polluer la cellule de la batterie, affectant ainsi l'efficacité de conversion de la cellule de la batterie, donc il existe des exigences plus élevées pour la pureté du matériel de support du bateau.

Figure 2 Support de bateau en carbure de silicium LPCVD et soutien en carbure en silicium en silicium

À l'heure actuelle, le soutien au bateau utilisé pour l'expansion du bore doit être purifié. Premièrement, la poudre de carbure de silicium de la matière première est lavée par l'acide et purifiée. La pureté des matières premières en poudre de carbure de silicium au lithium doit être supérieure à 99,5%. Après le lavage et la purification de l'acide avec l'acide sulfurique + l'acide hydrofluorique, la pureté des matières premières peut atteindre 99,9%. Dans le même temps, les impuretés introduites lors de la préparation du soutien au bateau doivent être contrôlées. Par conséquent, le support de bateau d'expansion du bore est principalement formé par le jointoiement pour réduire l'utilisation d'impuretés métalliques. La méthode du jointoiement est généralement formée par frittage secondaire. Après la réinstallation, la pureté du support de bateau en carbure de silicium est améliorée dans une certaine mesure.

De plus, pendant le processus de frittage du support de bateau, la fournaise de frittage doit être purifiée à l'avance et le champ de chaleur en graphite dans la fournaise doit également être purifié. Habituellement, la pureté du support de bateau en carbure de silicium utilisé pour l'expansion du bore est d'environ 3N.

Le bateau en carbure de silicium a un avenir prometteur. Le bateau en carbure de silicium est illustré à la figure 3. Indépendamment du processus LPCVD ou du processus d'expansion du bore, la durée de vie du bateau en quartz est relativement faible et le coefficient d'extension thermique du matériau de quartz est incompatible avec celui du matériau en carbure de silicium. Par conséquent, il est facile d'avoir des écarts dans le processus de correspondance avec le bateau en carbure de silicium à haute température, ce qui conduit à des tremblements ou même à la rupture du bateau.

Le bateau en carbure de silicium adopte une route intégrée de moulage et de traitement global. Ses besoins en forme et en tolérance de position sont élevés et coopère mieux avec le support de bateau en carbure de silicium. De plus, le carbure de silicium a une forte résistance et la rupture du bateau causée par la collision humaine est bien inférieure à celle du bateau en quartz. Cependant, en raison des exigences de haute pureté et de précision de traitement des bateaux en carbure de silicium, ils sont toujours au stade de vérification par lots.

Étant donné que le bateau en carbure de silicium est en contact direct avec la cellule de la batterie, il doit avoir une pureté élevée même dans le processus LPCVD pour éviter la contamination de la tranche de silicium.

La plus grande difficulté des bateaux en carbure de silicium réside dans l'usinage. Comme nous le savons tous, les céramiques en carbure de silicium sont des matériaux typiques et cassants difficiles à traiter, et les exigences de tolérance de forme et de position du bateau sont très strictes. Il est difficile de traiter les bateaux en carbure de silicium avec une technologie de traitement traditionnelle. À l'heure actuelle, le bateau en carbure de silicium est principalement traité par le broyage d'outils de diamant, puis des traitements polis, marinés et d'autres traitements.

Figure 3 bateau en carbure de silicium

Par rapport aux tubes de four à quartz, les tubes de four à carbure de silicium ont une bonne conductivité thermique, un chauffage uniforme et une bonne stabilité thermique, et leur durée de vie est plus de 5 fois celle des tubes de quartz. Le tube de la fournaise est le principal composant de transfert de chaleur de la fournaise, qui joue un rôle dans l'étanchéité et le transfert de chaleur uniforme. La difficulté de fabrication des tubes de fournaise en carbure de silicium est très élevée et le taux de rendement est également très faible. Tout d'abord, en raison de l'énorme taille du tube de fournaise et de l'épaisseur de la paroi généralement entre 5 et 8 mm, il est très facile à déformer, s'effondrer ou même à se fissurer pendant le processus de formation vide.

Pendant le frittage, en raison de l'énorme taille du tube de la fournaise, il est également difficile de s'assurer qu'il ne se déformera pas pendant le processus de frittage. L'uniformité de la teneur en silicium est médiocre, et il est facile d'avoir une non-siliconisation locale, un effondrement, un craquage, etc., et le cycle de production des tubes de fourneau en carbure de silicium est très long, et le cycle de production d'un tube de fournaise unique dépasse 50 jours. Par conséquent, les tubes de four à carbure de silicium sont toujours dans l'état de recherche et de développement et n'ont pas encore été produits en masse.

Le coût principal des matériaux en céramique en carbure de silicium utilisés dans le champ photovoltaïque provient de matières premières en poudre de carbure de silicium de haute pureté, de silicium polycristallin de haute pureté et de coûts de frittage de réaction.

Avec le développement continu de la technologie de purification de la poudre de carbure de silicium, la pureté de la poudre de carbure de silicium continue d'augmenter par la séparation magnétique, le décapage et d'autres technologies, et le contenu des impuretés diminue progressivement de 1% à 0,1%. Avec l'augmentation continue de la capacité de production de poudre de carbure de silicium, le coût de la poudre de carbure de silicium de haute pureté diminue également.

Depuis la seconde moitié de 2020, les sociétés de Polysilicon ont successivement annoncé des extensions. Actuellement, il existe plus de 17 sociétés nationales de production de polysilicon, et la production annuelle devrait dépasser 1,45 million de tonnes en 2023. La surcapacité de Polysilicon a entraîné une baisse continue des prix, ce qui a à son tour réduit le coût de la céramique en carbure de silicium.

En termes de frittage de réaction, la taille du four à frittage de réaction augmente également et la capacité de chargement d'une seule fournaise augmente également. La dernière fournaise de frittage de grande réaction peut charger plus de 40 pièces à la fois, ce qui est beaucoup plus grand que la capacité de chargement de mèche de frittage de réaction existante de 4 à 6 pièces. Par conséquent, le coût de frittage baissera également de manière significative.

Dans l'ensemble, les matériaux en céramique en carbure de silicium dans le champ photovoltaïque se développent principalement vers une pureté plus élevée, une capacité de charge plus forte, une capacité de chargement plus élevée et un coût plus faible.

Ⅲ La signification des matériaux en céramique en carbure de silicium dans le champ photovoltaïque

À l'heure actuelle, le sable de quartz de haute pureté requis pour les matériaux de quartz utilisés dans le champ photovoltaïque national dépend encore principalement des importations, tandis que la quantité et les spécifications du sable de quartz de haute pureté exporté des pays étrangers vers la Chine sont strictement contrôlées. L'offre serrée de matériaux de sable de quartz de haute pureté n'a pas été atténuée et a limité le développement de l'industrie photovoltaïque. Dans le même temps, en raison de la faible durée de vie des matériaux de quartz et des dégâts faciles menant aux temps d'arrêt, le développement de la technologie des batteries a été sérieusement restreint. Par conséquent, il est d'une grande importance pour mon pays de se débarrasser des blocages technologiques étrangers en menant des recherches sur le remplacement progressif des matériaux de quartz par des matériaux en céramique en carbure de silicium.

Dans une comparaison complète, qu'il s'agisse de performances du produit ou d'utilisation, l'application de matériaux en céramique en carbure de silicium dans le domaine des cellules solaires est plus avantageuse que les matériaux de quartz. L'application de matériaux en céramique en carbure de silicium dans l'industrie photovoltaïque a une grande aide pour les entreprises photovoltaïques afin de réduire le coût d'investissement des matériaux auxiliaires et d'améliorer la qualité et la compétitivité des produits. À l'avenir, avec l'application à grande échelle de grande tailletubes de fourne en carbure de silicium, les bateaux en carbure de silicium de haute pureté et les supports de bateaux et la réduction continue des coûts, l'application des matériaux en céramique en carbure de silicium dans le domaine des cellules photovoltaïques deviendront un facteur clé pour améliorer l'efficacité de la conversion d'énergie légère et réduisant les coûts de l'industrie dans le domaine de la production d'énergie photovoltaïque, et aura un impact important sur le développement de la nouvelle énergie photovoltaïque.