Räni karbiidi keraamika rakendamine ja uurimist

Selliste traditsiooniliste energiaallikate, näiteks nafta ja kivisüsi, üha suureneva puuduse tõttu on viimastel aastatel kiiresti arenenud uus energiatööstus, mida juhivad päikeseenergia fotogalvaanilised ained. Alates 1990. aastatest on maailma fotogalvaanilise mahutavuse maht kasvanud 60 korda. Globaalne fotogalvaaniline tööstus on asunud energiastruktuuri muundamise taustal ning tööstuse skaala ja paigaldatud suutlikkuse kasvutempo on korduvalt seadnud uued kirjed. 2022. aastal ulatub ülemaailmne fotogalvaanilise paigaldatud maht 239 GW, moodustades 2/3 kogu uuest taastuvenergia mahust. Arvatakse, et 2023. aastal on ülemaailmne fotogalvaanilise paigaldatud mahutavus 411 GW, mis on aastatagusega võrreldes 59%. Hoolimata fotogalvaaniliste ainete jätkuvast kasvust, moodustab fotogalvaanics endiselt ainult 4,5% globaalsest elektritootmisest ja selle tugev kasvu hoog jätkub kuni 2024. aastani.

Räni karbiidi keraamikaSellel on hea mehaaniline tugevus, termiline stabiilsus, kõrge temperatuuriresistentsus, oksüdatsiooniresistentsus, termiline löögikindlus ja keemiline korrosioonikindlus ning neid kasutatakse laialdaselt kuumades põldudes nagu metallurgia, masinad, uus energia ja ehitusmaterjalid ning kemikaalid. Fotogalvaanilisel väljal kasutatakse seda peamiselt TopCon Craces, LPCVD difusioonil (madala rõhu keemiline aurude ladestumine),PECVD (Plasma keemiline aurude ladestumine)ja muud termilise protsessi lingid. Võrreldes traditsiooniliste kvartsmaterjalidega, on paadiodurid, paadid ja räni karbiidi keraamilistest materjalidest valmistatud torude liitmikud suurem tugevus, parem termiline stabiilsus, deformatsioon kõrgetel temperatuuridel ning enam kui 5 -kordse elueaga kvartsmaterjalide eluiga, mis suudab märkimisväärselt vähendada, mis on põhjustatud energiast ja tugipunktidest põhjustatud energia kadumist ning on ilmselged.

Ⅰ Räni karbiidi keraamika eelised fotogalvaanilisel väljal

Fotogalvaanilise rakuvälja ränikarbiidi keraamika peamised tooted hõlmavad räni karbiidipaatide tugiteenuseid, räni karbiidipaadid, räni karbiidi ahju torud, räni karbiidi konsoolide aerud, räni karbiidi paadiga paadid, mis on silikooniga paadid jne. Toetab ja paate. Oma ilmsete eeliste ja kiire arengu tõttu on neist saanud hea valik võtmekandja materjalidele fotogalvaaniliste rakkude tootmisprotsessis ning nende turunõudlus köidab üha enam valdkonna tähelepanu.

Reaktsiooniga seotud räni karbiidi (RBSC) keraamika on fotogalvaaniliste rakkude põllul kõige laialdasemalt kasutatav räni karbiidi keraamika. Selle eelised on madal paagutu temperatuur, madala tootmiskulud ja materjali kõrge tihenemine. Eelkõige ei ole reaktsiooni paagutamise käigus peaaegu mahu kokkutõmbumine. See sobib eriti suure suurusega ja keeruka kujuga konstruktsiooniosade valmistamiseks. Therefore, it is most suitable for the production of large-sized and complex products such as boat supports, small boats, cantilever paddles, furnace tubes, etc. The basic principle of the preparation of RBSC ceramics is: under the action of capillary force, reactive liquid silicon penetrates into the carbon-containing porous ceramic blank, reacts with the carbon source in the blank to generate secondary phase β-SiC, and at the same time, the secondary phase β-SIC on in situ koos tühja pulbri α-sic-osakestega ja ülejäänud poorid täidetakse jätkuvalt vaba räniga ning lõpuks saavutatakse RBSC keraamiliste materjalide tihenemine. RBSC keraamiliste toodete erinevad omadused kodus ja välismaal on toodud tabelis 1.

Tabel 1 Reaktsiooni toimivuse võrdlus SIC -i keraamiliste toodete suuremates riikides

Päikese fotogalvaaniliste rakkude tootmisprotsessis pannakse räni vahvlid paadile ja paat asetatakse difusiooni, LPCVD ja muude termiliste protsesside jaoks paadihoidikule. Ränikarbiidi konsooli aeru (varras) on võtmekoormuskomponent paadihoidja hoidmiseks, mis viib räni vahvleid kütteahju ja välja. Nagu on näidatud joonisel 1, suudab räni karbiidi konsooli aeru (varras) tagada räni vahvli ja ahjutoru kontsentrilisuse, muutes sellega difusiooni ja passiivsuse ühtlasemaks. Samal ajal on see reostusvaba ja kõrgel temperatuuril mitte-deformeerimata, sellel on hea termiline löögikindlus ja suur kandevõime ning seda on laialdaselt kasutatud fotogalvaaniliste rakkude valdkonnas.

Joonis 1 Akude laadimise komponentide skemaatiline diagramm

Traditsiooniliseskvartspaatja paadihoidja, pehme maandumise difusiooniprotsessis, tuleb räni vahvl ja kvartsist paadihoidja asetada difusiooniahju kvarttorusse. Igas difusiooniprotsessis asetatakse räni vahvlitega täidetud kvartsipaadihoidja räni karbiidi aerule. Pärast seda, kui räni karbiidi aeru siseneb kvartsitorusse, vajub aeru automaatselt kvartsi paadihoidja ja räni vahvli alla pannes ning jookseb seejärel aeglaselt tagasi päritolu juurde. Pärast iga protsessi tuleb kvartsi paadihoidja eemaldada räni karbiidi aerust. Selline sagedane toiming põhjustab kvartsist paadi tuge pika aja jooksul kulumise. Kui kvartspaat toetab pragusid ja purunemisi, kukub kogu kvartsist paadi tugi räni karbiidi aerust maha ja kahjustab seejärel allpool asuvaid kvartsi osi, räni vahvleid ja räni karbiidi aerusid. Ränikarbiidi aerud on kallid ja neid ei saa parandada. Kui õnnetus juhtub, põhjustab see tohutut vara.

LPCVD-protsessis ei teki mitte ainult ülalnimetatud termilise stressiprobleeme, vaid kuna LPCVD protsess nõuab silaangaasi ränivahvli läbiviimiseks, moodustab pikaajaline protsess paadi toele ja paadile räni katte. Kattega räni ja kvartsi soojuspaisumistegurite ebajärjekindluse tõttu pragunevad paadi tugi ja paadiga ning eluiga väheneb tõsiselt. Tavaliste kvartspaatide ja paadi toetuste eluiga LPCVD protsessis on tavaliselt ainult 2–3 kuud. Seetõttu on eriti oluline parandada paadi tugimaterjali, et suurendada paadi tuge tugevust ja kasutusaega selliste õnnetuste vältimiseks.

Ⅱ Räni karbiidi keraamiliste materjalide arengusuund fotogalvaanilisel väljal

Alates 13. Shanghai fotogalvaanilisest näitusest SNEC 2023 on paljud riigi fotogalvaanilised ettevõtted hakanud kasutama Silicon Carbide'i paadiotsi, nagu on näidatud joonisel 2, nagu näiteks Longi Green Energy Technology Co., Ltd., Jinkosolar Co., Ltd., Yida New Energy Technology Co., Ltd., Ltd. ja muud Photovomaa -ettevõtted. Boori laiendamiseks kasutatavad ränikarbiidipaadid tugiteenused, kuna boori laienemise kõrge kasutamise temperatuur on tavaliselt 1000 ~ 1050 ℃, on paadi toe lisandid hõlpsasti lenduvad kõrgel temperatuuril akuelemendi reostamiseks kõrgel temperatuuril, mõjutades sellega aku muundamise efektiivsust, seega on paadi tugimaterjali puhastamisel kõrgemad nõuded.

Joonis 2 LPCVD Räni karbiidipaadi tugi ja boori laiendus räni karbiidi paadi tugi

Praegu tuleb boori laiendamiseks kasutatav paadi tugi puhastada. Esiteks on tooraine räni karbiidipulber happega ja puhastatakse. Liitium-kvaliteediga räni karbiidipulbri tooraine puhtus on üle 99,5%. Pärast happe pesemist ja puhastamist väävelhappe + vesinikuhappega võib tooraine puhtus ulatuda üle 99,9%. Samal ajal tuleb kontrollida paadi toe valmistamise ajal kasutusele võetud lisandeid. Seetõttu moodustatakse boori laienemispaadi hoidja enamasti metalli lisandite kasutamise vähendamiseks süvendiga. Moodete meetod moodustub tavaliselt sekundaarse paagutamise teel. Pärast ümbermõtestamist parandatakse teatud määral räni karbiidipaadihoidja puhtust.

Lisaks tuleb paadihoidja paagutamise protsessi ajal paagutamisahju eelnevalt puhastada ja ka ahjus sisalduv grafiidi soojusväli tuleb puhastada. Tavaliselt on boori laiendamiseks kasutatava räni karbiidipaadihoidja puhtus umbes 3N.

Räni karbiidipaadil on paljutõotav tulevik. Ränikarbiidipaat on näidatud joonisel 3. Sõltumata LPCVD protsessist või boori laienemisprotsessist on kvartspaadi eluiga suhteliselt madal ja kvartsmaterjali soojuspaisumiskoefitsient on vastuolus räni karusnaha materjali omaga. Seetõttu on kerge temperatuuril räni karbiidipaadiga sobitamisel kerge kõrvalekaldeid, mis viib paadi raputamise või isegi purustamiseni.

Silicon Carbiidi paat võtab vastu integreeritud vormimise ja üldise töötlemisprotsessi marsruudi. Selle kuju ja positsiooni tolerantsi nõuded on kõrged ning see teeb paremini koostööd räni karbiidipaadi hoidjaga. Lisaks on räni karbiidil kõrge tugevus ja inimeste kokkupõrkest põhjustatud paadi purunemine on palju väiksem kui kvartspaadil. Silicon Carbiid paatide kõrge puhtuse ja töötlemise täpsusnõuete tõttu on need endiselt väikese partii kontrollimisetapis.

Kuna räni karbiidipaat on otseses kontaktis akuelemendiga, peab sellel olema kõrge puhtus isegi LPCVD protsessis, et vältida räni vahvli saastumist.

Räni karbiidipaatide suurimad raskused on töötlemisel. Nagu me kõik teame, on räni karbiidi keraamika tüüpilised kõvad ja rabedad materjalid, mida on keeruline töödelda, ning paadi kuju ja positsiooni tolerantsi nõuded on väga ranged. Räni karbiidipaate on keeruline töödelda traditsioonilise töötlemistehnoloogiaga. Praegu töödeldakse räni karbiidipaati enamasti teemanttööriistade lihvimisega ja seejärel poleeritakse, marineeritud ja muid töötlusi.

Joonis 3 Räni karbiidipaat

Võrreldes kvartiahju torudega on räni karbiidi ahju torudel hea soojusjuhtivus, ühtlane kuumutamine ja hea termiline stabiilsus ning nende eluiga on enam kui 5 korda suurem kui kvarttorud. Ahju toru on ahju peamine soojusülekande komponent, millel on roll tihendamisel ja ühtlase soojusülekande korral. Ränikarbiidi ahjutorude tootmisraskused on väga kõrged ja saagiskiirus on samuti väga madal. Esiteks on ahjutoru tohutu suuruse ja seina paksuse tõttu tavaliselt 5–8 mm, tühja moodustumise ajal on seda väga lihtne deformeeruda, variseda või isegi praguneda.

Paagutamise ajal on ahjutoru tohutu suuruse tõttu ka keeruline tagada, et see paagutamise ajal ei deformeeruks. Ränisisalduse ühtlus on halb ja on lihtne kohalikku mittesiliikooniseerimist, kokkuvarisemist, pragunemist jne ning räni karbiidi ahjutorude tootmistsükkel on väga pikad ning ühe ahjutoru tootmistsükkel ületab 50 päeva. Seetõttu on räni karbiidi ahjutorud alles teadus- ja arendusseisundis ning neid pole veel masstoodangut valmistatud.

Fotogalvaanilisel väljal kasutatud räni karbiidi keraamiliste materjalide peamised kulud pärinevad kõrge puhtusega räni karbiidipulbri toorainest, kõrge puhtusastmega polükristallilisest ränist ja reaktsioonide paagutuskuludest.

Ränikarbiidipulbri puhastamise tehnoloogia pideva arenguga suureneb räni karbiidipulbri puhtus magnetilise eraldamise, marineerimise ja muude tehnoloogiate kaudu ning lisandite sisaldus väheneb järk -järgult 1% -lt 0,1% -ni. Ränikarbiidipulbri tootmisvõimsuse pideva suurenemisega väheneb ka kõrge puhtusastmega räni karbiidipulbri kulud.

Alates 2020. aasta teisest poolest on Polysiliconi ettevõtted järjest laienemisest teatanud. Praegu on seal rohkem kui 17 kodumaist polüsilikooni tootmisettevõtet ja aastas ületab aastas 1,45 miljonit tonni. 2023. aastal. Polysiliconi ülevõimsus on viinud pideva hindade languseni, mis omakorda on vähendanud räni karbiidi keraamika kulusid.

Reaktsiooni paagutamise osas suureneb ka reaktsiooni suurus ja suureneb ka ühe ahju laadimisvõime. Viimane suure suurusega reaktsiooniahju võib laadida rohkem kui 40 tükki korraga, mis on palju suurem kui olemasolev reaktsiooni paagutamise ahju laadimisvõime 4–6 tükki. Seetõttu langevad paagutuskulud ka märkimisväärselt.

Üldiselt arenevad fotogalvaanilisel väljal olevad räni karbiidi keraamilised materjalid peamiselt suurema puhtuse, tugevama kandevõime, suuremat laadimisvõimsust ja madalamaid kulusid.

Ⅲ Räni karbiidi keraamiliste materjalide olulisus fotogalvaanilisel väljal

Praegu sõltub kodumaises fotogalvaanilises valdkonnas kasutatavate kvartsmaterjalide jaoks vajalik kõrge puhtusastmega kvartsi liiv, peamiselt impordist, samas kui välisriikidest eksporditud kõrge puhtusastmega kvartsliiva kogus ja spetsifikatsioonid Hiinasse eksporditakse rangelt. Kõrgpuhustusega kvartsliivamaterjalide tihedat pakkumist ei ole leevendatud ja see on piiranud fotogalvaanilise tööstuse arengut. Samal ajal on kvartsmaterjalide madala eluea ja seisakule viivate kahjustuste tõttu akutehnoloogia arendamine tõsiselt piiratud. Seetõttu on minu riigi jaoks suur tähtsus vabaneda võõrastest tehnoloogilistest blokaadidest, viies läbi uuringuid kvartsmaterjalide järkjärgulise asendamise kohta räni karbiidi keraamiliste materjalidega.

Põhjaliku võrdluse korral, olgu see siis toote jõudlus või kasutuskulud, on räni karbiidi keraamiliste materjalide kasutamine päikesepatareide valdkonnas soodsam kui kvartsmaterjalid. Ränikarbiidi keraamiliste materjalide kasutamine fotogalvaanilises tööstuses on fotogalvaaniliste ettevõtete jaoks suureks abiks abistamismaterjalide investeerimiskulude vähendamiseks ning toote kvaliteedi ja konkurentsivõime parandamiseks. Tulevikus suuremahulise suuremahulise rakendusegaRänikarbiidiahju torud, Suure puhkemistunnistuse ja paadi tugede paadid ja kulude pidev vähendamine, räni karbiidi keraamiliste materjalide kasutamine fotogalvaaniliste rakkude valdkonnas muutub võtmeteguriks valguse energia muundamise efektiivsuse parandamisel ja tööstuskulude vähendamisel fotovoltaiikuse valdkonnas ning sellel on oluline mõju fotovoltaiik-uue energia arengule.