أصبح توليد الطاقة الكهروضوئية الشمسية من أكثر صناعات الطاقة الجديدة الواعدة في العالم. وبالمقارنة مع الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون متعدد التبلور والسيليكون غير المتبلور، يتميز السيليكون أحادي التبلور، كمادة لتوليد الطاقة الكهروضوئية، بكفاءة تحويل كهروضوئية عالية ومزايا تجارية بارزة، ما جعله المادة السائدة في هذا المجال. تُعد طريقة تشوخرالسكي (CZ) إحدى الطرق الرئيسية لتحضير السيليكون أحادي التبلور. ويتكون فرن تشوخرالسكي من نظام الفرن، ونظام التفريغ، ونظام الغاز، ونظام المجال الحراري، ونظام التحكم الكهربائي. ويُعد نظام المجال الحراري من أهم الشروط اللازمة لنمو السيليكون أحادي التبلور، إذ تتأثر جودته بشكل مباشر بتوزيع تدرج درجة الحرارة في هذا المجال.
تتكون مكونات المجال الحراري بشكل أساسي من مواد كربونية (مواد الجرافيت ومواد الكربون المركبة)، والتي تُقسم إلى أجزاء داعمة، وأجزاء وظيفية، وعناصر تسخين، وأجزاء واقية، ومواد عازلة حرارية، وغيرها، وفقًا لوظائفها، كما هو موضح في الشكل 1. ومع استمرار ازدياد حجم السيليكون أحادي البلورة، تتزايد أيضًا متطلبات الحجم لمكونات المجال الحراري. وتُعدّ مواد الكربون المركبة الخيار الأمثل لمواد المجال الحراري للسيليكون أحادي البلورة نظرًا لثبات أبعادها وخصائصها الميكانيكية الممتازة.
في عملية تصنيع السيليكون أحادي البلورة بتقنية تشوخرالسيان، ينتج عن انصهار مادة السيليكون بخار السيليكون ورذاذ السيليكون المنصهر، مما يؤدي إلى تآكل السيليكون في مواد المجال الحراري الكربوني/الكربوني، ويؤثر ذلك بشكل كبير على خواصها الميكانيكية وعمرها الافتراضي. لذا، أصبح الحد من تآكل السيليكون في مواد المجال الحراري الكربوني/الكربوني وتحسين عمرها الافتراضي من أهم الشواغل المشتركة لمصنعي السيليكون أحادي البلورة ومصنعي مواد المجال الحراري الكربوني/الكربوني.طلاء كربيد السيليكونأصبح الخيار الأول لحماية الطلاء السطحي لمواد المجال الحراري الكربوني/الكربوني نظرًا لمقاومته الممتازة للصدمات الحرارية ومقاومته للتآكل.
تتناول هذه الورقة البحثية، انطلاقاً من مواد المجال الحراري الكربونية/الكربونية المستخدمة في إنتاج السيليكون أحادي البلورة، طرق التحضير الرئيسية ومزايا وعيوب طلاء كربيد السيليكون. وبناءً على ذلك، تستعرض الورقة تطبيقات طلاء كربيد السيليكون والتقدم البحثي المحرز في هذا المجال في مواد المجال الحراري الكربونية/الكربونية، وذلك وفقاً لخصائص هذه المواد، كما تقترح الورقة اتجاهات تطويرية لحماية أسطحها من خلال الطلاء.
1. تقنية تحضيرطلاء كربيد السيليكون
1.1 طريقة التضمين
تُستخدم طريقة التضمين غالبًا لتحضير الطبقة الداخلية من كربيد السيليكون في نظام المواد المركبة من الكربون/كربيد السيليكون. تعتمد هذه الطريقة على استخدام مسحوق مخلوط لتغليف المادة المركبة من الكربون/الكربون، ثم تُخضعها لمعالجة حرارية عند درجة حرارة محددة. تحدث سلسلة من التفاعلات الفيزيائية والكيميائية المعقدة بين المسحوق المخلوط وسطح العينة لتشكيل الطبقة. تتميز هذه الطريقة ببساطة العملية، حيث يمكن تحضير مواد مركبة كثيفة وخالية من الشقوق بخطوة واحدة فقط؛ كما أنها تتميز بصغر حجمها من الشكل الأولي إلى المنتج النهائي؛ وهي مناسبة لأي هيكل مُدعّم بالألياف؛ ويمكن تكوين تدرج معين في التركيب بين الطبقة والركيزة، مما يضمن اندماجًا جيدًا مع الركيزة. مع ذلك، توجد بعض العيوب، مثل التفاعل الكيميائي عند درجات الحرارة العالية، والذي قد يُتلف الألياف، وانخفاض الخواص الميكانيكية لمصفوفة الكربون/الكربون. كما يصعب التحكم في تجانس الطبقة، نظرًا لعوامل مثل الجاذبية، مما يجعلها غير متساوية.
1.2 طريقة طلاء الملاط
تعتمد طريقة الطلاء بالمعجون على خلط مادة الطلاء والمادة الرابطة معًا، ثم دهنها بالتساوي على سطح المادة الأساسية. بعد التجفيف في جو خامل، تُلبّد العينة المطلية عند درجة حرارة عالية، وبذلك نحصل على الطلاء المطلوب. من مزايا هذه الطريقة بساطة العملية وسهولة تطبيقها، بالإضافة إلى سهولة التحكم في سُمك الطلاء. أما عيوبها فتتمثل في ضعف قوة الترابط بين الطلاء والركيزة، وضعف مقاومة الطلاء للصدمات الحرارية، وانخفاض تجانس الطلاء.
1.3 طريقة التفاعل الكيميائي للبخار
طريقة التفاعل الكيميائي للبخار (CVR) هي طريقة معالجة يتم فيها تبخير مادة السيليكون الصلبة إلى بخار سيليكون عند درجة حرارة معينة، ثم ينتشر بخار السيليكون داخل سطح المادة ويتفاعل موضعيًا مع الكربون الموجود فيها لإنتاج كربيد السيليكون. تشمل مزاياها توفير جو متجانس داخل الفرن، ومعدل تفاعل ثابت، وسماكة ترسيب متساوية للمادة المطلية في جميع أنحاء الفرن. كما أن العملية بسيطة وسهلة التشغيل، ويمكن التحكم في سماكة الطلاء عن طريق تغيير ضغط بخار السيليكون، ووقت الترسيب، وغيرها من المعايير. أما عيوبها فتتمثل في تأثر العينة بشكل كبير بموقعها داخل الفرن، وعدم وصول ضغط بخار السيليكون داخل الفرن إلى التجانس النظري، مما يؤدي إلى تفاوت في سماكة الطلاء.
1.4 طريقة الترسيب الكيميائي للبخار
الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) عمليةٌ تُستخدم فيها الهيدروكربونات كمصدر للغازات، وغاز النيتروجين/الأرجون عالي النقاء كغاز حامل، لإدخال مزيج الغازات إلى مفاعل الترسيب الكيميائي للبخار. تتحلل الهيدروكربونات، وتُركّب، وتنتشر، وتُمتص، وتُذاب تحت درجة حرارة وضغط محددين لتشكيل أغشية صلبة على سطح مواد مركبة من الكربون. من مزايا هذه العملية إمكانية التحكم في كثافة ونقاء الطلاء، كما أنها مناسبة لقطع العمل ذات الأشكال المعقدة. يُمكن التحكم في البنية البلورية وشكل سطح المنتج من خلال ضبط معايير الترسيب. أما عيوبها فتتمثل في انخفاض معدل الترسيب، وتعقيد العملية، وارتفاع تكلفة الإنتاج، واحتمالية وجود عيوب في الطلاء، مثل الشقوق، وعيوب الشبكة، وعيوب السطح.
باختصار، تقتصر طريقة التضمين على خصائصها التقنية، مما يجعلها مناسبة لتطوير وإنتاج المواد المختبرية والمواد صغيرة الحجم. أما طريقة الطلاء، فهي غير مناسبة للإنتاج بكميات كبيرة نظرًا لضعف تجانسها. بينما تُلبي طريقة الترسيب الكيميائي للبخار (CVR) متطلبات الإنتاج بكميات كبيرة للمنتجات كبيرة الحجم، إلا أنها تتطلب معدات وتقنيات أكثر تطورًا. وتُعد طريقة الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) طريقة مثالية لتحضير...طلاء كربيد السيليكونلكن تكلفتها أعلى من طريقة CVR بسبب صعوبة التحكم في العملية.
تاريخ النشر: 22 فبراير 2024