Die Stromerzeugung aus Photovoltaik hat sich weltweit zur vielversprechendsten neuen Energiebranche entwickelt. Im Vergleich zu Polysilizium- und amorphen Silizium-Solarzellen weist monokristallines Silizium als Material für die Stromerzeugung aus Photovoltaik einen hohen photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad und herausragende wirtschaftliche Vorteile auf und hat sich zum Mainstream der Photovoltaik-Stromerzeugung entwickelt. Das Czochralski-Verfahren (CZ) ist eines der wichtigsten Verfahren zur Herstellung von monokristallinem Silizium. Der Czochralski-Ofen für monokristallines Silizium umfasst Ofensystem, Vakuumsystem, Gassystem, Thermofeldsystem und elektrisches Steuerungssystem. Das Thermofeldsystem ist eine der wichtigsten Voraussetzungen für das Wachstum von monokristallinem Silizium, und die Qualität von monokristallinem Silizium wird direkt durch die Temperaturgradientenverteilung des Thermofelds beeinflusst.
Die thermischen Feldkomponenten bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoffmaterialien (Graphitmaterialien und Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe), die entsprechend ihrer Funktion in Trägerteile, Funktionsteile, Heizelemente, Schutzteile, Wärmedämmstoffe usw. unterteilt sind (siehe Abbildung 1). Mit der zunehmenden Größe von monokristallinem Silizium steigen auch die Größenanforderungen an die thermischen Feldkomponenten. Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe sind aufgrund ihrer Dimensionsstabilität und hervorragenden mechanischen Eigenschaften die erste Wahl für thermische Feldmaterialien für monokristallines Silizium.
Bei der Herstellung von monokristallinem Silizium aus Czochralcian entstehen beim Schmelzen Siliziumdampf und Spritzer geschmolzenen Siliziums. Dies führt zu einer Verkieselungserosion von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien, wodurch deren mechanische Eigenschaften und Lebensdauer erheblich beeinträchtigt werden. Daher ist die Frage, wie sich die Verkieselungserosion von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien reduzieren und deren Lebensdauer verbessern lässt, zu einem gemeinsamen Anliegen der Hersteller von monokristallinem Silizium und Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien geworden.Siliziumkarbid-Beschichtungist aufgrund seiner hervorragenden Wärmeschockbeständigkeit und Verschleißfestigkeit zur ersten Wahl für den Oberflächenschutz von Carbon/Carbon-Thermofeldmaterialien geworden.
In dieser Arbeit werden ausgehend von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Thermofeldmaterialien, die bei der Herstellung von monokristallinem Silizium verwendet werden, die wichtigsten Herstellungsverfahren sowie die Vor- und Nachteile der Siliziumkarbidbeschichtung vorgestellt. Auf dieser Grundlage werden Anwendung und Forschungsstand der Siliziumkarbidbeschichtung in Kohlenstoff/Kohlenstoff-Thermofeldmaterialien anhand ihrer Eigenschaften untersucht und Vorschläge und Entwicklungsrichtungen für den Oberflächenschutz von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Thermofeldmaterialien unterbreitet.
1 Herstellungstechnologie vonSiliziumkarbidbeschichtung
1.1 Einbettungsmethode
Das Einbettungsverfahren wird häufig verwendet, um die innere Beschichtung aus Siliziumkarbid in C/C-SiC-Verbundwerkstoffsystemen herzustellen. Bei diesem Verfahren wird zunächst das Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterial mit Mischpulver umhüllt und anschließend bei einer bestimmten Temperatur wärmebehandelt. Zwischen dem Mischpulver und der Probenoberfläche finden eine Reihe komplexer physikochemischer Reaktionen statt, die die Beschichtung bilden. Der Vorteil liegt in der Einfachheit des Verfahrens; dichte, rissfreie Matrix-Verbundwerkstoffe können in nur einem einzigen Verfahren hergestellt werden. Die Größenänderungen vom Vorformling zum Endprodukt sind gering; das Verfahren ist für alle faserverstärkten Strukturen geeignet; zwischen Beschichtung und Substrat kann ein gewisser Zusammensetzungsgradient entstehen, der sich gut mit dem Substrat verbindet. Das Verfahren hat jedoch auch Nachteile, z. B. kann die Faser durch chemische Reaktionen bei hohen Temperaturen beschädigt werden und die mechanischen Eigenschaften der Kohlenstoff/Kohlenstoff-Matrix verschlechtern. Die Gleichmäßigkeit der Beschichtung ist aufgrund von Faktoren wie der Schwerkraft, die die Beschichtung ungleichmäßig macht, schwer zu kontrollieren.
1.2 Schlickerbeschichtungsverfahren
Beim Schlickerbeschichtungsverfahren werden Beschichtungsmaterial und Bindemittel zu einer Mischung vermischt und gleichmäßig auf die Oberfläche der Matrix aufgetragen. Nach dem Trocknen in einer inerten Atmosphäre wird die beschichtete Probe bei hoher Temperatur gesintert, um die gewünschte Beschichtung zu erhalten. Die Vorteile liegen in der einfachen Handhabung und der guten Kontrolle der Beschichtungsdicke. Nachteile sind die geringe Haftfestigkeit zwischen Beschichtung und Substrat, die geringe Thermoschockbeständigkeit der Beschichtung und die geringe Gleichmäßigkeit der Beschichtung.
1.3 Chemische Dampfreaktionsmethode
Die chemische Dampfreaktion (CVR) ist ein Verfahren, bei dem festes Siliziummaterial bei einer bestimmten Temperatur zu Siliziumdampf verdampft wird. Anschließend diffundiert der Siliziumdampf in das Innere und die Oberfläche der Matrix und reagiert dort mit Kohlenstoff in der Matrix zu Siliziumkarbid. Zu den Vorteilen zählen eine gleichmäßige Ofenatmosphäre, eine gleichbleibende Reaktionsgeschwindigkeit und eine gleichmäßige Schichtdicke des beschichteten Materials. Das Verfahren ist einfach und leicht durchzuführen, und die Schichtdicke lässt sich durch Veränderung des Siliziumdampfdrucks, der Beschichtungszeit und anderer Parameter steuern. Der Nachteil besteht darin, dass die Probe stark von der Position im Ofen beeinflusst wird und der Siliziumdampfdruck im Ofen die theoretische Gleichmäßigkeit nicht erreichen kann, was zu einer ungleichmäßigen Schichtdicke führt.
1.4 Chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist ein Verfahren, bei dem Kohlenwasserstoffe als Gasquelle und hochreiner N2/Ar als Trägergas verwendet werden, um Gasgemische in einen chemischen Dampfreaktor einzuleiten. Die Kohlenwasserstoffe werden bei bestimmten Temperaturen und Drücken zersetzt, synthetisiert, diffundiert, adsorbiert und aufgelöst, um feste Filme auf der Oberfläche von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen zu bilden. Der Vorteil liegt in der kontrollierbaren Dichte und Reinheit der Beschichtung; das Verfahren eignet sich auch für Werkstücke mit komplexeren Formen; die Kristallstruktur und Oberflächenmorphologie des Produkts lassen sich durch Anpassung der Abscheidungsparameter steuern. Nachteile sind eine zu niedrige Abscheidungsrate, ein komplexer Prozess, hohe Produktionskosten und mögliche Beschichtungsdefekte wie Risse, Maschen- und Oberflächenfehler.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Einbettungsverfahren aufgrund seiner technologischen Eigenschaften für die Entwicklung und Produktion von Labormaterialien und kleinen Abmessungen geeignet ist. Das Beschichtungsverfahren ist aufgrund seiner mangelnden Konsistenz nicht für die Massenproduktion geeignet. Das CVR-Verfahren eignet sich für die Massenproduktion großer Produkte, stellt jedoch höhere Anforderungen an Ausrüstung und Technologie. Das CVD-Verfahren ist ein ideales Verfahren zur HerstellungSIC-Beschichtung, aber die Kosten sind höher als bei der CVR-Methode, da die Prozesskontrolle schwieriger ist.
Veröffentlichungszeit: 22. Februar 2024