Výroba solární fotovoltaické energie se stala nejslibnějším novým energetickým průmyslem na světě. Ve srovnání s polykrystalickými a amorfními křemíkovými solárními články má monokrystalický křemík jako materiál pro výrobu fotovoltaické energie vysokou účinnost fotoelektrické přeměny a vynikající komerční výhody a stal se hlavním proudem výroby solární fotovoltaické energie. Czochralského metoda (CZ) je jednou z hlavních metod pro přípravu monokrystalického křemíku. Složení Czochralského monokrystalické pece zahrnuje systém pece, vakuový systém, plynový systém, systém tepelného pole a elektrický řídicí systém. Systém tepelného pole je jednou z nejdůležitějších podmínek pro růst monokrystalického křemíku a kvalita monokrystalického křemíku je přímo ovlivněna rozložením teplotního gradientu tepelného pole.
Komponenty tepelného pole se skládají převážně z uhlíkových materiálů (grafitové materiály a kompozitní materiály uhlík/uhlík), které se podle svých funkcí dělí na nosné části, funkční části, topné prvky, ochranné části, tepelně izolační materiály atd., jak je znázorněno na obrázku 1. S rostoucí velikostí monokrystalického křemíku se zvyšují i požadavky na velikost komponent tepelného pole. Kompozitní materiály uhlík/uhlík se stávají první volbou pro materiály tepelného pole monokrystalického křemíku díky své rozměrové stabilitě a vynikajícím mechanickým vlastnostem.
Při tavení křemíku v czochralciánovém monokrystalickém křemíku vznikají křemíkové páry a rozstřik roztaveného křemíku, což vede k erozi křemičitanem u tepelně izolačních materiálů uhlík/uhlík. Tím jsou vážně ovlivněny mechanické vlastnosti a životnost tepelně izolačních materiálů uhlík/uhlík. Proto se otázka, jak snížit erozi křemičitanem u tepelně izolačních materiálů uhlík/uhlík a zlepšit jejich životnost, stala jedním ze společných problémů výrobců monokrystalického křemíku a tepelně izolačních materiálů uhlík/uhlík.Povlak z karbidu křemíkuse stal první volbou pro ochranu povrchových vrstev tepelně izolačních materiálů uhlík/uhlík díky své vynikající odolnosti proti tepelným šokům a opotřebení.
V tomto článku jsou vycházeje z materiálů uhlík/uhlík pro tepelné pole používaných při výrobě monokrystalického křemíku představeny hlavní metody přípravy, výhody a nevýhody povlaků z karbidu křemíku. Na tomto základě je shrnuta aplikace a výzkumný pokrok v oblasti povlaků z karbidu křemíku v materiálech uhlík/uhlík pro tepelné pole s ohledem na jejich vlastnosti a jsou předloženy návrhy a směry vývoje pro ochranu povrchových povlaků těchto materiálů.
1 Technologie přípravypovlak z karbidu křemíku
1.1 Způsob vkládání
Metoda zalévání se často používá k přípravě vnitřního povlaku karbidu křemíku v kompozitním materiálu C/C-sic. Tato metoda nejprve používá směsný prášek k obalení kompozitního materiálu uhlík/uhlík a poté se provádí tepelné zpracování při určité teplotě. Mezi směsným práškem a povrchem vzorku probíhá řada složitých fyzikálně-chemických reakcí za vzniku povlaku. Jeho výhodou je, že proces je jednoduchý, pouze jediný proces umožňuje připravit husté kompozitní materiály s matricí bez trhlin; malá změna velikosti od předlisku po konečný produkt; vhodné pro jakoukoli strukturu vyztuženou vlákny; mezi povlakem a substrátem se může vytvořit určitý gradient složení, který je s ním dobře spojen. Existují však i nevýhody, jako je chemická reakce při vysoké teplotě, která může poškodit vlákno, a zhoršení mechanických vlastností matrice uhlík/uhlík. Rovnoměrnost povlaku je obtížné kontrolovat kvůli faktorům, jako je gravitace, která způsobuje nerovnoměrný povlak.
1.2 Metoda nanášení suspenze
Metoda nátěru v suspenzi spočívá ve smíchání nátěrového materiálu a pojiva do směsi, rovnoměrném nanesení štětcem na povrch matrice. Po vysušení v inertní atmosféře se potažený vzorek spéká při vysoké teplotě, čímž se získá požadovaný povlak. Výhodou je, že proces je jednoduchý a snadno se provádí a tloušťka povlaku se snadno reguluje. Nevýhodou je, že mezi povlakem a substrátem je nízká pevnost spojení, nízká odolnost povlaku vůči tepelnému šoku a nízká rovnoměrnost povlaku.
1.3 Metoda chemické reakce v parách
Metoda chemické reakce v plynné fázi (CVR) je procesní metoda, která odpařuje pevný křemíkový materiál do křemíkové páry při určité teplotě, načež křemíková pára difunduje do vnitřní a povrchové vrstvy matrice a reaguje in situ s uhlíkem v matrici za vzniku karbidu křemíku. Mezi její výhody patří rovnoměrná atmosféra v peci, konzistentní reakční rychlost a tloušťka nanášeného materiálu všude; proces je jednoduchý a snadno ovladatelný a tloušťku povlaku lze řídit změnou tlaku křemíkových pár, doby nanášení a dalších parametrů. Nevýhodou je, že vzorek je výrazně ovlivněn polohou v peci a tlak křemíkových pár v peci nemůže dosáhnout teoretické rovnoměrnosti, což vede k nerovnoměrné tloušťce povlaku.
1.4 Metoda chemického nanášení z plynné fáze
Chemická depozice z plynné fáze (CVD) je proces, při kterém se jako zdroj plynu používají uhlovodíky a jako nosný plyn se do chemického reaktoru s plynnou fází zavádí směs plynů N2/Ar vysoké čistoty. Uhlovodíky se za určité teploty a tlaku rozkládají, syntetizují, difundují, adsorbují a uvolňují za určité teploty a tlaku za vzniku pevných filmů na povrchu kompozitních materiálů uhlík/uhlík. Jeho výhodou je, že lze regulovat hustotu a čistotu povlaku. Je také vhodný pro obrobky se složitějším tvarem. Krystalovou strukturu a morfologii povrchu produktu lze regulovat úpravou parametrů depozice. Nevýhodami jsou, že rychlost depozice je příliš nízká, proces je složitý, výrobní náklady jsou vysoké a mohou se vyskytnout vady povlaku, jako jsou trhliny, vady sítě a povrchové vady.
Stručně řečeno, metoda zalévání je omezena svými technologickými vlastnostmi, které jsou vhodné pro vývoj a výrobu laboratorních a maloobjemových materiálů; metoda povlakování není vhodná pro hromadnou výrobu kvůli své špatné konzistenci. Metoda CVR sice splňuje požadavky na hromadnou výrobu velkých produktů, ale má vyšší požadavky na vybavení a technologii. Metoda CVD je ideální metodou pro přípravu...SIC povlak, ale její náklady jsou vyšší než u metody CVR kvůli obtížnosti řízení procesu.
Čas zveřejnění: 22. února 2024