أصبح توليد الطاقة الكهروضوئية الشمسية من أبرز قطاعات الطاقة الجديدة الواعدة في العالم. بالمقارنة مع الخلايا الشمسية المصنوعة من البولي سيليكون والسيليكون غير المتبلور، يتميز السيليكون أحادي البلورة، كمواد لتوليد الطاقة الكهروضوئية، بكفاءة تحويل كهروضوئية عالية ومزايا تجارية متميزة، وقد أصبح من أهم مصادر توليد الطاقة الكهروضوئية الشمسية. تُعد طريقة تشوكرالسكي (CZ) إحدى الطرق الرئيسية لتحضير السيليكون أحادي البلورة. يتكون فرن تشوكرالسكي أحادي البلورة من نظام الفرن، ونظام التفريغ، ونظام الغاز، ونظام المجال الحراري، ونظام التحكم الكهربائي. يُعد نظام المجال الحراري أحد أهم شروط نمو السيليكون أحادي البلورة، وتتأثر جودة السيليكون أحادي البلورة بشكل مباشر بتوزيع التدرج الحراري للمجال الحراري.
تتكون مكونات المجال الحراري بشكل رئيسي من مواد كربونية (مواد الجرافيت والمواد المركبة من الكربون/الكربون)، والتي تنقسم حسب وظائفها إلى أجزاء داعمة، وأجزاء وظيفية، وعناصر تسخين، وأجزاء واقية، ومواد عزل حراري، وغيرها. مع استمرار تزايد حجم السيليكون أحادي البلورة، تتزايد أيضًا متطلبات حجم مكونات المجال الحراري. تُعدّ مواد الكربون/الكربون المركبة الخيار الأمثل لمواد المجال الحراري للسيليكون أحادي البلورة بفضل ثباتها البعدي وخصائصها الميكانيكية الممتازة.
في عملية تصنيع السيليكون أحادي البلورة الكزوكرالسي، يُنتج انصهار مادة السيليكون بخارًا من السيليكون وتناثرًا من السيليكون المنصهر، مما يؤدي إلى تآكل السيلكون لمواد المجال الحراري الكربوني/الكربوني، مما يؤثر سلبًا على الخصائص الميكانيكية وعمر خدمة هذه المواد. لذلك، أصبح الحد من تآكل السيلكون لمواد المجال الحراري الكربوني/الكربوني وتحسين عمر خدمتها من الاهتمامات المشتركة لمصنعي السيليكون أحادي البلورة ومنتجي مواد المجال الحراري الكربوني/الكربوني.طلاء كربيد السيليكونأصبح الخيار الأول لحماية الطلاء السطحي لمواد المجال الحراري الكربونية / الكربونية بسبب مقاومته الممتازة للصدمات الحرارية ومقاومة التآكل.
في هذه الورقة البحثية، انطلاقًا من مواد المجال الحراري الكربوني/الكربوني المستخدمة في إنتاج السيليكون أحادي البلورة، تُقدم طرق التحضير الرئيسية ومزايا وعيوب طلاء كربيد السيليكون. بناءً على ذلك، تُستعرض تطبيقات وتطورات أبحاث طلاء كربيد السيليكون في مواد المجال الحراري الكربوني/الكربوني وفقًا لخصائصها، وتُطرح اقتراحات وتوجهات تطويرية لحماية طلاء الأسطح لهذه المواد.
1 تكنولوجيا تحضيرطلاء كربيد السيليكون
1.1 طريقة التضمين
تُستخدم طريقة التضمين غالبًا لتحضير الطبقة الداخلية لكربيد السيليكون في نظام المواد المركبة C/C-sic. تستخدم هذه الطريقة أولًا مسحوقًا مختلطًا لتغليف مادة الكربون/الكربون المركبة، ثم تُجرى معالجة حرارية عند درجة حرارة معينة. تحدث سلسلة من التفاعلات الفيزيائية والكيميائية المعقدة بين المسحوق المختلط وسطح العينة لتكوين الطلاء. ميزتها هي بساطة العملية، حيث يمكن لعملية واحدة فقط تحضير مواد مركبة ذات مصفوفة كثيفة وخالية من الشقوق؛ تغيير صغير في الحجم من الشكل الأولي إلى المنتج النهائي؛ مناسبة لأي هيكل مقوى بالألياف؛ يمكن تكوين تدرج تكويني معين بين الطلاء والركيزة، والذي يمتزج جيدًا مع الركيزة. ومع ذلك، هناك أيضًا عيوب، مثل التفاعل الكيميائي عند درجات الحرارة العالية، والذي قد يتلف الألياف، وانخفاض الخصائص الميكانيكية لمصفوفة الكربون/الكربون. يصعب التحكم في تجانس الطلاء، بسبب عوامل مثل الجاذبية، مما يجعل الطلاء غير متساوٍ.
1.2 طريقة طلاء الملاط
طريقة طلاء الملاط هي خلط مادة الطلاء مع المادة الرابطة، وتوزيعها بالتساوي على سطح المصفوفة، وبعد التجفيف في جو خامل، تُلبَّد العينة المطلية عند درجة حرارة عالية، للحصول على الطلاء المطلوب. من مزايا هذه الطريقة سهولة التشغيل والتحكم في سمك الطلاء؛ أما عيوبها فهي ضعف قوة الالتصاق بين الطلاء والركيزة، وانخفاض مقاومته للصدمات الحرارية، وانخفاض تجانس الطلاء.
1.3 طريقة التفاعل الكيميائي بالبخار
طريقة التفاعل الكيميائي للبخار (CVR) هي عملية تُبخّر مادة السيليكون الصلبة إلى بخار سيليكون عند درجة حرارة معينة، ثم ينتشر هذا البخار في الطبقة الداخلية والسطحية للمصفوفة، ويتفاعل مع الكربون في المصفوفة لإنتاج كربيد السيليكون. من مزاياها تجانس جو الفرن، وثبات معدل التفاعل، وسمك ترسب المادة المطلية في كل مكان. تتميز هذه العملية بالبساطة وسهولة التشغيل، ويمكن التحكم في سمك الطلاء بتغيير ضغط بخار السيليكون ووقت الترسيب ومعلمات أخرى. أما عيبها، فهو تأثر العينة بشكل كبير بموقعها في الفرن، وعدم وصول ضغط بخار السيليكون إلى التجانس النظري، مما يؤدي إلى تفاوت سمك الطلاء.
1.4 طريقة الترسيب الكيميائي للبخار
الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) هو عملية تُستخدم فيها الهيدروكربونات كمصدر للغاز، وغاز N2/Ar عالي النقاء كغاز ناقل لإدخال الغازات المختلطة إلى مفاعل بخار كيميائي. تُحلل الهيدروكربونات وتُصنّع وتُنشر وتُمتص وتُذاب تحت درجة حرارة وضغط معينين لتكوين أغشية صلبة على سطح المواد المركبة من الكربون/الكربون. ميزتها هي إمكانية التحكم في كثافة ونقاء الطلاء؛ كما أنها مناسبة لقطع العمل ذات الأشكال الأكثر تعقيدًا؛ ويمكن التحكم في البنية البلورية وشكل سطح المنتج عن طريق ضبط معلمات الترسيب. أما عيوبها فهي انخفاض معدل الترسيب، وتعقيد العملية، وارتفاع تكلفة الإنتاج، واحتمالية وجود عيوب في الطلاء، مثل التشققات، وعيوب الشبكة، وعيوب السطح.
باختصار، تقتصر طريقة التضمين على خصائصها التكنولوجية، وهي مناسبة لتطوير وإنتاج المواد المخبرية والصغيرة الحجم؛ أما طريقة الطلاء فهي غير مناسبة للإنتاج الضخم نظرًا لضعف تماسكها. أما طريقة CVR، فتلبي متطلبات الإنتاج الضخم للمنتجات كبيرة الحجم، ولكنها تتطلب معدات وتقنيات أعلى. أما طريقة CVD، فهي طريقة مثالية للتحضير.طلاء SICولكن تكلفتها أعلى من طريقة CVR بسبب صعوبة التحكم في العملية.
وقت النشر: ٢٢ فبراير ٢٠٢٤