随着全球对可再生能源需求不断增加，光伏产业正在迅速发展并逐渐成为全球能源结构的重要组成部分。多晶硅作为光伏电池的主要原材料，在多晶硅的生产中，氮化硅陶瓷发挥了重要的作用。
1、光伏脱模剂用氮化硅粉体
氮化硅是目前多晶硅铸锭生产中普遍使用的涂层材料。在多晶硅铸锭生产（包括准单晶铸锭）过程中，为了防止硅熔液与石英坩埚发生反应而相互黏合，即所谓的粘埚，坩埚内壁通常需要预先制备一层氮化硅涂层作为脱模剂。目前，常规多晶硅铸锭生产中通常采用喷涂法在坩埚内壁制作氮化硅涂层。
图 石英坩埚喷涂氮化硅层涂，来源：Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB
氮化硅耐高温性能和化学稳定性好，致密性好，是强共价键化合物，其自扩散系数低，抗杂质扩散和防水汽渗透能力强，同时具有良好的抗氧化、抗腐蚀和耐摩擦等性能，并且不与熔融Si发生反应，非常符合提纯多晶硅过程中坩埚涂层的要求。
图 光伏级氮化硅粉，来源：河北高富
作为涂层材料，氮化硅与熔融Si要具有优异的可脱离性和优异的抗侵蚀性，纯度高，涂层与坩埚壁之间的结合强度高，高温性能好，与Si熔液不粘连，α相含量高，粒度分布窄。光伏脱模剂用氮化硅粉主要厂家有:日本UBE、德国H.C.Starck、ALZChem、烟台同立、青岛瓷兴、新疆晶硕、河北高富等。
2、多晶硅还原炉用氮化硅制品
业界生产多晶硅的方法有多种，其中比较常见的是氢还原法，也称西门子法，目前应用的比较广泛的为改良西门子法，改良西门子法将高纯的氢气和高纯度的硅的反应物（多为硅卤化物）作为原料，按一定比例通入到反应容器内（即多晶硅还原炉），在高温高压的环境下，氢气还原硅的反应物，从而形成多晶硅，形成的多晶硅会沉积在硅芯上。随着化学反应的继续，沉积在硅芯上的多晶硅越来越多，逐渐将硅芯全部覆盖，变成一根外部包裹着多晶硅的棒状体，俗称硅棒。
图 太阳能用氮化硅陶瓷制品，来源：中材高新氮化物
氮化硅陶瓷制品主要应用于多晶硅还原炉中，多晶硅还原炉是提炼多晶硅棒的专用设备，多晶硅还原炉用氮化硅制品按照用途分为氮化硅绝缘环（套筒）、氮化硅尾气罩、氮化硅喷嘴等。氮化硅陶瓷具有良好的耐腐蚀、抗热冲击性能以及优良的高温力学性能和电绝缘性等特性，广泛应用于高温、腐蚀、大载荷等苛刻环境下。氮化硅陶瓷使用寿命更长，比石英陶瓷同类产品寿命高 10 倍，氧化铝材料产品寿命长 5 倍以上，减少意外停炉损失，提高综合效益。
①氮化硅绝缘环
多晶硅还原炉的启动方法都是采用8000～10000伏的高电压将硅芯击穿启动，为保证安全生产，必须对其电极做好相应的绝缘措施。另外多晶硅生产过程是一个高温的气相沉积过程，电极的绝缘元件所处热场温度梯度大，再加上生产和出料过程中倒棒冲击绝缘元件的影响，这都要求绝缘元件要有良好的机械强度，绝缘强度，抗电击穿能力和优良的耐热骤变性及化学稳定性，才能达到绝缘和保护电极的效果。
图 氮化硅绝缘环，来源：中材高新氮化物
氮化硅陶瓷环绝缘性好、韧性高、耐高温和抗震性好，能满足多晶硅还原炉的环境使用要求，提高工作效率，使用寿命是氧化铝绝缘环的10倍以上。
图 氮化硅制品在多晶硅还原炉的应用，来源：中材高新氮化物
氮化硅绝缘环（套筒）不会与氢气、氯化氢、氯化硅等气体反应，稳定性好，能起到隔热、防腐、耐高温效果，既可以有效防止剥落的碳毡等导电材料将电极与底盘接通，造成短路现象，又可以将电极体与还原炉内的高温隔离，从而避免还原炉发生氢气泄漏甚至爆炸等安全事故。
②氮化硅尾气罩
多晶硅还原炉尾气孔绝大多数在多晶硅还原炉底盘上，一般底盘上有若干个尾气孔，同时在生产多晶硅过程中，炉内也经常出现硅棒倒棒问题，掉下的小硅块很容易进入到尾气孔，堵塞尾气孔，导致循环反应无法正常进行，为了避免这个问题发生，因此一般在尾气孔上安装一个尾气罩装置。
图 氮化硅尾气罩，来源：新疆晶硕
氮化硅尾气罩具有耐高温、耐腐蚀、无污染，抗热冲击性能强，机械强度高，操作方便，绝缘程度高，不受还原气氛影响，性能稳定、使用寿命长等性能，应用于光伏产业，可有效防止硅渣、硅块进入尾气管道。
③氮化硅喷嘴
多晶硅还原炉的气体通过喷嘴的喷腔向上喷入到炉筒内。氮化硅材质的进气喷嘴具有优良的耐磨性能，能够规避气体发生偏流，还能够规避杂质进入到炉筒内。
多晶硅还原炉用氮化硅制品相关国内企业有中材高新氮化物、新疆晶硕、衡阳凯新、上海泛联、泰晟新材料等。
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2024年8月28日-30日
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氮化硅陶瓷轴承球在新能源领域的应用 |
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原文始发于微信公众号（陶瓷科技视野）：氮化硅陶瓷在光伏领域的应用
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