Notkunarþróun kvars keramik deigla í ljósvirkum einkristalla kísill vexti

Heitt umræðuefni: Kvars-keramíkdeiglur – leynivopn sólarkísils?

(Notkunarþróun kvars-keramíkdeigla í sólarorku einkristalla sílikonvöxt)

Kapphlaupið um hreinni orku er hafið. Sólarorka er fremst í flokki. Framleiðsla á þeim afar skilvirku sólarplötum sem við þurfum byggist á einu mikilvægu skrefi: að þróa fullkomna einkristalla úr kísil. Hugsið um þessa kristalla sem hreina, gallalausa byggingareiningar. Ónefndur hetja sem gerir þetta mögulegt? Kvars-keramikdeiglur. Við skulum kafa djúpt í hvers vegna þessir sérstöku ílát valda svona miklu umtal í sólarheiminum.

Hvað nákvæmlega er kvars keramik deigla?

Ímyndaðu þér risastórt, ofursterkt pott. Þetta er í raun það sem kvars-keramik-deigla er. Hún er sérstaklega hönnuð til að halda bráðnu sílikoni við ótrúlega hátt hitastig. Við erum að tala um yfir 1400°C! Ólíkt venjulegu keramik eru þessar deiglur aðallega gerðar úr bræddu kísilsandi. Þetta gefur þeim einstaka ofurkrafta.

Þau eru ótrúlega hrein. Þetta er mikilvægt því jafnvel örsmá óhreinindi geta eyðilagt fullkomna kísillkristallabyggingu sem þarf fyrir fyrsta flokks sólarsellur. Þau þola mikinn hita án þess að springa eða bráðna sjálf. Þau standast að festast við bráðið kísill. Þetta gerir það mun auðveldara að fjarlægja risastóru kristalstöngina síðar. Þau standast einnig efnaárás frá heita kísillinu. Þetta þýðir að þau endast lengur og halda kísillinu hreinna. Í stuttu máli eru þau hreinustu og sterkustu vinnuhestarnir í kristalvaxtarofninum.

Af hverju kvars keramik deiglur ráða ríkjum fyrir kísillvöxt

Hvers vegna eru þessar deiglur gullstaðallinn? Svarið liggur í því að þær passa fullkomlega við verkið. Að rækta stóra, gallalausa kísillkristalla er ótrúlega krefjandi. Deiglan þolir grimmilegar aðstæður: mikinn hita, ætandi bráðið kísill og þörfina fyrir algjöra hreinleika. Kvars-keramik skilar árangri.

Framúrskarandi hitaáfallsþol þess er lykilatriði. Ofninn hitnar hratt. Deiglan má ekki springa. Kvars-keramik tekst frábærlega á við þessar hraðar breytingar. Efnafræðileg óvirkni þess er óumdeilanleg. Það hvarfast ekki við bráðið sílikon. Þetta kemur í veg fyrir mengun. Mengunarefni spilla rafmagnseiginleikum kristallsins. Afleiðingin? Sólarsellur með lægri skilvirkni. Slétt innra yfirborð er einnig mikilvægt. Það gerir storknandi kísillkristallinum kleift að losna hreint eftir vöxt. Þetta kemur í veg fyrir skemmdir á dýrmæta kristalnum og deiglunni sjálfri. Önnur efni geta einfaldlega ekki keppt við þessa samsetningu af hreinleika, hitaþoli og óhvarfgirni. Þetta er eina efnið sem er sannarlega upp á það verkefni að standa sig vel í stórfelldri, hágæða framleiðslu.

Hvernig þessar ofur-deiglur eru gerðar

Að búa til þessar deiglur er hátæknilist. Það byrjar með afar hreinu bræddu kísildufti. Þetta duft er grunnurinn. Verkamenn setja duftið vandlega í stórt, snúningsmót sem er í laginu eins og deiglan. Hugsaðu þér risastórt leirkerashjól sem snýst. Þegar mótið snýst þrýstir miðflóttaafl duftinu fast á móti veggjunum. Þetta myndar þétt, jafnt lag – framtíðar deiglunni.

Næst kemur hitinn. Mótað form fer í ofurheitan sintrunarofn. Hitastigið fer upp í um 1700°C. Þessi mikli hiti sameinar kísilagnirnar. Það breytir duftinu í fasta, gljáandi keramikbyggingu. Þetta skref gefur deiglunni ótrúlegan styrk og hitaeiginleika. Nákvæmni skiptir öllu máli. Veggþykktin verður að vera fullkomlega jöfn. Allir veikir blettir eru óvæntar hörmungar. Eftir kælingu fer deiglunni í gegnum strangar gæðaeftirlitsprófanir. Sérfræðingar leita að göllum, mæla nákvæmlega mál og prófa hreinleika. Aðeins þeir bestu standast það. Þetta flókna ferli tryggir að hver deigla geti þolað þær hörmulegu aðstæður inni í kristaldreifitæki.

Helstu notkunarsvið: Að knýja sólarorkuuppsveifluna

Aðalstigið fyrir kvars-keramik-deiglur eru kristalvaxtarofnar. Nánar tiltekið er Czochralski (CZ) aðferðin ríkjandi í kísillframleiðslu fyrir sólarplötur. Í CZ-ofni eru klumpar af hráu pólýsílikoni settir í deigluna. Ofninn hitnar upp. Kísillinn bráðnar í glóandi, fljótandi poll. Lítill frækristall er dýft ofan í þennan bráðna poll. Hann er hægt dreginn upp á við á meðan hann snýst. Kísillinn kólnar og storknar í kringum fræið. Hann myndar gríðarstóran, einkristalls sívalning sem kallast stálstöng. Þessi stálstöng er skorin í þunnar skífur. Þessar skífur verða að sólarsellum.

Hlutverk deiglunnar er mikilvægt. Hún heldur bráðnu kíslinu á öruggan hátt. Hún viðheldur hreinleika. Hún þolir vikur af samfelldri notkun við mikinn hita. Gæði deiglunnar hafa bein áhrif á gæði kísillstöngarinnar. Góð deigla þýðir færri galla í kristalnum. Þetta þýðir beint skilvirkari sólarplötur. Þar sem eftirspurn eftir sólarorku eykst hratt um allan heim eykst einnig þörfin fyrir stærri ofna og stærri deiglur. Kvars-keramikdeiglur eru grundvallaratriði til að auka skilvirka framleiðslu á sólarorku.

Algengar spurningar um kvars keramik deiglu

Sp.: Eru þessar deiglur eingöngu notaðar fyrir sólarkísill?
A: Já, fyrst og fremst fyrir sólarorkuvirk kísilstöngla með Czochralski aðferðinni. Hreinleiki þeirra og afköst eru óviðjafnanleg hér. Þau eru einnig notuð í minni stærðum fyrir önnur hágæða hálfleiðaraefni.

Sp.: Hversu lengi endist ein deigla?
A: Þetta er neysluvara. Ein deigla er notuð í hverri einkristallaræktun. Ein ræktun getur varað í nokkra daga. Eftir að kísillstöngin hefur verið fjarlægð er deiglunni fargað. Ekki er hægt að endurnýta hana fyrir aðra ræktun á hágæða kristallum.

Sp.: Af hverju er ekki hægt að endurnýta þau?
A: Við notkun veldur mikill hiti og snerting við bráðið sílikon smávægilegum breytingum. Lítið magn af sílikoni festist við veggi deiglunnar. Uppbyggingin veikist lítillega. Endurnotkun þess er áhætta á mengun eða bilun. Hreinleikakröfur eru of miklar til að hætta sé á því.

Sp.: Hver er stærsta áskorunin við að búa þau til?
A: Það er erfitt að ná stöðugri og stórfelldri framleiðslu á gallalausum deiglum. Það er afar mikilvægt að viðhalda afar miklum hreinleika í gegnum allt ferlið. Að framleiða stærri deiglur fyrir stærri ofna setur strik í reikninginn í efnisfræðinni. Það er afar mikilvægt að tryggja að þær þoli erfiðar hitabreytingar án þess að springa.

Sp.: Er til eitthvað annað efni?

(Notkunarþróun kvars-keramíkdeigla í sólarorku einkristalla sílikonvöxt)

A: Fyrir stórfellda ræktun á hágæða kísil er enginn raunhæfur valkostur enn til. Grafítdeiglur þurfa fóðring og valda kolefnismengun. Hrein kvarsglerdeiglur skortir nauðsynlega hitaáfallsþol fyrir þennan mælikvarða. Kvars-keramik er enn eina raunhæfa lausnin.