태양 광 분야에서 실리콘 카바이드 세라믹의 적용 및 연구 - Vetek 반도체

석유 및 석탄과 같은 전통적인 에너지 원이 증가함에 따라 태양 광 발전이 이끄는 New Energy Industries는 최근 몇 년 동안 빠르게 발전했습니다. 1990 년대 이래로 세계의 태양 광 설치 용량은 60 배 증가했습니다. 글로벌 태양 광 산업은 에너지 구조 변환의 배경에 비해 이륙했으며, 산업 규모와 설치 용량 성장률은 새로운 기록을 반복적으로 설정했습니다. 2022 년에 글로벌 태양 광 설치 용량은 239GW에 도달하여 모든 새로운 재생 가능 에너지 용량의 2/3을 차지할 것입니다. 2023 년에 글로벌 태양 광 설치 용량은 전년 대비 59%증가한 411GW가 될 것으로 추정됩니다. 태양 광 발전의 지속적인 성장에도 불구하고, 태양 광 발전은 여전히 ​​전 세계 발전의 4.5%를 차지하며, 2024 년 이후까지 강력한 성장 모멘텀은 계속 될 것입니다.

실리콘 카바이드 세라믹기계적 강도, 열 안정성, 고온 저항, 산화 저항, 열 충격 저항 및 화학 부식 저항성이 우수하며 야금, 기계, 새로운 에너지 및 건축 자재 및 화학 물질과 같은 뜨거운 분야에서 널리 사용됩니다. 태양 광 분야에서, 주로 Topcon 세포의 확산, LPCVD (저압 화학 증기 증착),PECVD (혈장 화학 증기 증착)및 기타 열 공정 링크. 실리콘 카바이드 세라믹 재료로 만든 전통적인 석영 재료, 보트 지지대, 보트 및 파이프 피팅과 비교하여 더 높은 강도, 열 안정성, 고온에서의 변형이 없으며 석영 재료의 5 배 이상의 수명이 유지되며, 사용 비용 및 유지 보수 및 다운 타임으로 인한 에너지 손실을 크게 줄이고 분명한 비용이 발생할 수 있습니다.

Ⅰ 태양 광 분야에서 실리콘 카바이드 세라믹의 장점

태양 광 세포장에서 실리콘 카바이드 세라믹의 주요 제품에는 실리콘 카바이드 보트 지지대, 실리콘 카바이드 보트, 실리콘 카바이드 용광로 튜브, 실리콘 카바이드 캔틸레버 패들, 실리콘 카바이드로드, 실리콘 카바이드 보호 욕조, 실리콘 카바이드 보호 욕조 등, 실리콘 카바이드 보트 지원 및 실리콘 보트 지원, 실리콘 카바 보트 지원, 실리콘 카르바이드 보트 지원 등이 있습니다. 보트. 그들의 명백한 장점과 빠른 발전으로 인해, 그들은 태양 광 셀의 생산 공정에서 주요 캐리어 재료에 적합한 선택이되었으며, 시장 수요는 점점 더 업계의 관심을 끌고 있습니다.

반응 결합 실리콘 카바이드 (RBSC) 세라믹은 태양 광 세포 분야에서 가장 널리 사용되는 실리콘 카바이드 세라믹입니다. 장점은 소결 온도가 낮고 생산 비용이 낮으며 재료 밀도가 높습니다. 특히, 반응 소결 과정 동안 부피 수축이 거의 없다. 대형 크기의 복잡한 모양의 구조 부품의 준비에 특히 적합합니다. 따라서, 보트 지지대, 소형 보트, 캔틸레버 패들, 퍼니스 튜브 등과 같은 대형 크기 및 복잡한 제품의 생산에 가장 적합합니다. RBSC 세라믹의 제조의 기본 원리는 다음과 같습니다. 모세관 힘의 작용 하에서 반응성 액체 실리콘은 탄소-함유 생물 세라믹 블랭크로 침투합니다. β-SIC는 블랭크 분말의 α-SIC 입자와 결합 된 현장이며, 나머지 기공은 자유 실리콘으로 계속 채워지며, 마지막으로 RBSC 세라믹 재료의 밀도가 달성된다. 가정 및 해외에서 RBSC 세라믹 제품의 다양한 특성이 표 1에 나와 있습니다.

표 1 주요 국가에서 반응 소결 SIC 세라믹 제품의 성능 비교

태양 광 발전 세포의 제조 공정에서, 실리콘 웨이퍼는 보트에 배치되고 보트는 확산, LPCVD 및 기타 열 공정을 위해 보트 홀더에 배치됩니다. 실리콘 카바이드 캔틸레버 패들 (로드)은 실리콘 웨이퍼를 가열 용광로 안팎으로 운반하는 보트 홀더를 이동하기위한 주요 하중 성분입니다. 도 1에 도시 된 바와 같이, 실리콘 카바이드 캔틸레버 패들 (ROD)은 실리콘 웨이퍼와 퍼니스 튜브의 동심성을 보장하여 확산 및 수동화를보다 균일하게한다. 동시에, 그것은 오염이없고 고온에서 지식이없고, 열 충격 저항성이 우수하고 부하 용량이 크며, 광전지 세포 분야에서 널리 사용되어 왔습니다.

그림 1 주요 배터리 로딩 구성 요소의 개략도

전통에서석영 보트및 보트 홀더, 소프트 랜딩 확산 공정에서 실리콘 웨이퍼 및 석영 보트 홀더는 확산 용광로의 석영 튜브에 배치해야합니다. 각 확산 공정에서, 실리콘 웨이퍼로 채워진 석영 보트 홀더는 실리콘 카바이드 패들에 배치된다. 실리콘 카바이드 패들이 석영 튜브에 들어간 후, 패들은 자동으로 쿼츠 보트 홀더와 실리콘 웨이퍼를 내려 놓은 다음 천천히 원점으로 돌아갑니다. 각 공정 후, 석영 보트 홀더는 실리콘 카바이드 패들에서 제거해야합니다. 이러한 빈번한 운영으로 인해 석영 보트 지지대는 오랜 시간에 걸쳐 마모됩니다. 석영 보트가 균열과 파손을지지하면 전체 석영 보트 지지대가 실리콘 카바이드 패들에서 떨어지고 아래의 석영 부품, 실리콘 웨이퍼 및 실리콘 카바이드 패들을 손상시킵니다. 실리콘 카바이드 패들은 비싸고 수리 할 수 ​​없습니다. 사고가 발생하면 큰 재산 손실이 발생합니다.

LPCVD 공정에서 위에서 언급 한 열 응력 문제가 발생할뿐만 아니라 LPCVD 공정은 실란 가스가 실리콘 웨이퍼를 통과해야하므로 장기 프로세스는 보트 지지대와 보트에 실리콘 코팅을 형성합니다. 코팅 된 실리콘 및 석영의 열 팽창 계수의 불일치로 인해 보트 지지대와 보트가 갈라지고 수명이 심각하게 줄어 듭니다. LPCVD 프로세스에서 일반 석영 보트 및 보트 지지대의 수명은 일반적으로 2 ~ 3 개월에 불과합니다. 따라서 보트 지지대를 개선하여 보트 지지대의 강도와 서비스 수명을 높이기 위해 이러한 사고를 피하는 것이 특히 중요합니다.

Ⅱ 태양 광 분야에서 실리콘 카바이드 세라믹 재료의 개발 추세

13 차 상하이 광전지 전시회 SNEC 2023에서, Longi Green Energy Technology, Ltd., Jinkosolar Co., Yida New Energy Technology, Yida New Energy Technology, Ltd. 및 기타 포토 폴드 선도 회사와 같은 그림 2와 같이 실리콘 카바이드 보트 지원을 사용하기 시작했습니다. 붕소 팽창에 사용되는 실리콘 카바이드 보트 지지대, 붕소 확장의 높은 사용 온도 (일반적으로 1000 ~ 1050 ℃)로 인해 보트 지지대의 불순물은 배터리 셀을 오염시키기 위해 고온에서 쉽게 휘발 할 수 있으므로 배터리 셀의 전환 효율에 영향을 미치므로 보트 지지자의 순도에 대한 요구 사항이 더 높습니다.

그림 2 LPCVD 실리콘 카바이드 보트 지지대 및 붕소 확장 실리콘 카바이드 보트 지지대

현재, 붕소 확장에 사용 된 보트 지지대는 정제되어야한다. 먼저, 원료 실리콘 카바이드 분말은 산 씻고 정제된다. 리튬 급 실리콘 카바이드 분말 원료의 순도는 99.5%이상이어야합니다. 산 세척 및 황산 + 수중 플루오르 산으로 정제 한 후, 원료의 순도는 99.9%이상에 도달 할 수 있습니다. 동시에, 보트 지지대 준비 중에 도입 된 불순물은 제어되어야합니다. 따라서, 붕소 확장 보트 홀더는 주로 그라우팅에 의해 형성되어 금속 불순물의 사용을 줄입니다. 그라우팅 방법은 일반적으로 2 차 소결에 의해 형성됩니다. 다시 싱글 링 후, 실리콘 카바이드 보트 홀더의 순도는 어느 정도 개선된다.

또한, 보트 홀더의 소결 과정에서 소결 용광로를 미리 정제해야하며 용광로의 흑연 열 장도 정제해야합니다. 일반적으로 붕소 확장에 사용되는 실리콘 카바이드 보트 홀더의 순도는 약 3n입니다.

실리콘 카바이드 보트에는 유망한 미래가 있습니다. 실리콘 카바이드 보트는도 3에 나와있다. LPCVD 공정 또는 붕소 확장 공정에 관계없이 석영 보트의 수명은 비교적 낮으며 석영 재료의 열 팽창 계수는 실리콘 카바이드 재료의 열 팽창 계수와 일치하지 않는다. 따라서, 실리콘 카바이드 보트와 고온에서 일치하는 과정에서 편차를 쉽게 사용하는 것은 쉽으며, 이는 보트의 흔들리거나 심지어 부러지게됩니다.

실리콘 카바이드 보트는 통합 성형 및 전반적인 가공 공정 경로를 채택합니다. 모양과 위치 공차 요구 사항은 높으며 실리콘 카바이드 보트 홀더와 더 잘 협력합니다. 또한 실리콘 카바이드는 강도가 높으며 인간 충돌로 인한 보트 파손은 석영 보트보다 훨씬 적습니다. 그러나, 실리콘 카바이드 보트의 고순도 및 처리 정밀 요구 사항으로 인해 여전히 작은 배치 검증 단계에 있습니다.

실리콘 탄화물 보트는 배터리 셀과 직접 접촉하기 때문에 LPCVD 공정에서도 실리콘 웨이퍼의 오염을 방지하기 위해 고순도가 있어야합니다.

실리콘 카바이드 보트의 가장 큰 어려움은 가공에 있습니다. 우리 모두 알다시피, 실리콘 카바이드 세라믹은 처리하기 어려운 전형적인 단단하고 부서지기 쉬운 재료이며 보트의 모양 및 위치 허용 요구 사항은 매우 엄격합니다. 전통적인 가공 기술로 실리콘 카바이드 보트를 처리하기가 어렵습니다. 현재, 실리콘 카바이드 보트는 대부분 다이아몬드 도구 연삭에 의해 처리 된 다음 연마, 절인 및 기타 처리가 수행됩니다.

그림 3 실리콘 카바이드 보트

석영 용광로 튜브와 비교하여 실리콘 카바이드 퍼니스 튜브는 우수한 열전도율, 균일 한 가열 및 우수한 열 안정성을 가지며 수명은 석영 튜브의 5 배 이상입니다. 퍼니스 튜브는 퍼니스의 주요 열 전달 성분으로 밀봉 및 균일 한 열 전달에 역할을합니다. 실리콘 카바이드 용광로 튜브의 제조 난이도는 매우 높으며 수율도 매우 낮습니다. 먼저, 용광로 튜브의 큰 크기와 일반적으로 5 ~ 8mm 사이의 벽 두께로 인해 빈 형성 과정에서 변형, 붕괴 또는 균열이 매우 쉽습니다.

소결 중에는 용광로 튜브의 큰 크기로 인해 소결 과정에서 변형되지 않도록하기가 어렵습니다. 실리콘 함량의 균일 성은 열악하며, 현지 비 실리콘 화, 붕괴, 균열 등을 갖기 쉽고 실리콘 카바이드 용광로 튜브의 생산주기는 매우 길며 단일 용광로 튜브의 생산주기는 50 일을 초과합니다. 따라서, 실리콘 카바이드 용광로 튜브는 여전히 연구 개발 상태에 있으며 아직 대량 생산되지 않았습니다.

태양 광 분야에서 사용되는 실리콘 카바이드 세라믹 재료의 주요 비용은 고순도 실리콘 카바이드 분말 원료, 고급 다결정 실리콘 및 반응 소결 비용에서 비롯됩니다.

실리콘 카바이드 분말 정화 기술의 지속적인 개발로, 실리콘 카바이드 분말의 순도는 자기 분리, 산세 및 기타 기술을 통해 계속 증가하고 있으며, 불순물 함량은 점차 1%에서 0.1%로 감소합니다. 실리콘 카바이드 분말 생산 ​​능력의 지속적인 증가로 인해 고순도 실리콘 카바이드 분말의 비용도 감소하고 있습니다.

2020 년 후반 이래 Polysilicon 회사는 확장을 연속적으로 발표했습니다. 현재 17 개 이상의 국내 폴리 실리콘 생산 회사가 있으며, 연간 생산량은 2023 년에 145 만 톤을 초과하는 것으로 추정됩니다. Polysilicon의 과잉 용량은 가격이 지속적으로 하락하여 실리콘 카르바이드 세라믹의 비용을 줄였습니다.

반응 소결의 관점에서, 반응 소결 용광로의 크기도 증가하고 있으며 단일 용광로의 하중 용량도 증가하고있다. 최신 대형 크기의 반응 소결 용광로는 한 번에 40 개 이상의 조각을 적재 할 수 있으며, 이는 기존 반응 소결 용광로 4 ~ 6 조각보다 훨씬 큽니다. 따라서 소결 비용도 크게 떨어질 것입니다.

전체적으로, 태양 광 분야의 실리콘 카바이드 세라믹 재료는 주로 더 높은 순도, 더 강한 운반 능력, 높은 하중 용량 및 저렴한 비용으로 발전하고 있습니다.

Ⅲ 태양 광장에서 실리콘 카바이드 세라믹 재료의 중요성

현재, 국내 태양 광 분야에 사용되는 석영 재료에 필요한 고순도 석영 모래는 여전히 수입에 주로 의존하고 있으며, 외국에서 중국으로 수출 된 고급 쿼츠 모래의 수량과 사양은 엄격하게 통제됩니다. 고급 쿼츠 모래 재료의 엄격한 공급은 완화되지 않았으며 태양 광 산업의 발전을 제한했습니다. 동시에, 석영 재료의 수명이 낮고 가동 중지 시간으로 이어지는 쉬운 손상으로 인해 배터리 기술의 개발이 심각하게 제한되었습니다. 따라서, 석영 재료를 실리콘 카바이드 세라믹 재료로 점진적으로 대체하는 것에 대한 연구를 수행함으로써 우리나라가 외국 기술 봉쇄를 제거하는 것은 큰 의미가 있습니다.

포괄적 인 비교에서 제품 성능이든 사용 비용이든, 태양 전지 분야에서 실리콘 탄화물 세라믹 재료의 적용은 석영 재료보다 유리합니다. 태양 광 산업에 실리콘 카바이드 세라믹 재료를 적용하면 태양 광 기업이 보조 재료의 투자 비용을 줄이고 제품 품질 및 경쟁력을 향상시키는 데 큰 도움이됩니다. 미래에는 대규모 크기의 대규모 적용으로실리콘 카바이드 용광로 튜브, 고급 실리콘 카바이드 보트와 보트 지지대와 비용의 지속적인 감소, 광전지 세포 분야에서 실리콘 카바이드 세라믹 재료의 적용은 광 에너지 전환의 효율성을 향상시키고 광 발전 분야에서 산업 비용을 줄이는 데 핵심 요소가 될 것이며, 광 발전 에너지 개발에 중요한 영향을 미칠 것입니다.