中國粉體網(wǎng)訊 隨著當(dāng)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(fēng)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(jī)容量已經(jīng)超過250千兆瓦，光伏發(fā)電累計達(dá)2663億千瓦時，同比增長約30%，新增發(fā)電裝機(jī)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(jī)規(guī)模約4.7億千瓦，已超過水電成為我國裝機(jī)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(kuò)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(yīng)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(jìn)行擴(kuò)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(jìn)而使擴(kuò)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(yīng)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(kuò)散工藝流程中，需要將硅片連同石英舟托一起放入擴(kuò)散爐內(nèi)的石英管中。在每次擴(kuò)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(jìn)入石英管后，槳自動下沉放下石英舟托和硅片，然后慢慢運(yùn)行回原點(diǎn)，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(jìn)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(yīng)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(dǎo)致舟托和小舟開裂，壽命嚴(yán)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(qiáng)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(dāng)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(jī)清洗、維護(hù)、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(yùn)行的狀態(tài)，這顯然不利于生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)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(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、耐高溫性、抗氧化性、抗熱震性及耐化學(xué)腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)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(kuò)散、LPCVD（低壓化學(xué)氣相沉積）、PECVD（等離子化學(xué)氣相沉積）等熱制程環(huán)節(jié)。
LPCVD碳化硅舟托與硼擴(kuò)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(qiáng)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(yīng)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(yīng)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(fù)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(fù)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(yù)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(kuò)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(jìn)而導(dǎo)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(qiáng)度高，因人為碰撞導(dǎo)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(dǎo)熱性好，受熱均勻，熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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?fù)浼靶蕛?yōu)化研究
[3]頭豹詞條、光伏研習(xí)社、中國粉體網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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