Η παραγωγή ηλιακής φωτοβολταϊκής ενέργειας έχει γίνει η πιο πολλά υποσχόμενη νέα ενεργειακή βιομηχανία στον κόσμο. Σε σύγκριση με τα ηλιακά κύτταρα πολυπυριτίου και άμορφου πυριτίου, το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, ως υλικό παραγωγής φωτοβολταϊκής ενέργειας, έχει υψηλή απόδοση φωτοηλεκτρικής μετατροπής και εξαιρετικά εμπορικά πλεονεκτήματα και έχει γίνει η κύρια τάση της παραγωγής ηλιακής φωτοβολταϊκής ενέργειας. Η μέθοδος Czochralski (CZ) είναι μία από τις κύριες μεθόδους για την παρασκευή μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Η σύνθεση του μονοκρυσταλλικού κλιβάνου Czochralski περιλαμβάνει σύστημα κλιβάνου, σύστημα κενού, σύστημα αερίου, σύστημα θερμικού πεδίου και σύστημα ηλεκτρικού ελέγχου. Το σύστημα θερμικού πεδίου είναι μία από τις πιο σημαντικές συνθήκες για την ανάπτυξη μονοκρυσταλλικού πυριτίου και η ποιότητα του μονοκρυσταλλικού πυριτίου επηρεάζεται άμεσα από την κατανομή της θερμοκρασίας του θερμικού πεδίου.
Τα συστατικά του θερμικού πεδίου αποτελούνται κυρίως από υλικά άνθρακα (υλικά γραφίτη και σύνθετα υλικά άνθρακα/άνθρακα), τα οποία χωρίζονται σε υποστηρικτικά μέρη, λειτουργικά μέρη, θερμαντικά στοιχεία, προστατευτικά μέρη, θερμομονωτικά υλικά κ.λπ., ανάλογα με τις λειτουργίες τους, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Καθώς το μέγεθος του μονοκρυσταλλικού πυριτίου συνεχίζει να αυξάνεται, αυξάνονται και οι απαιτήσεις μεγέθους για τα συστατικά του θερμικού πεδίου. Τα σύνθετα υλικά άνθρακα/άνθρακα γίνονται η πρώτη επιλογή για υλικά θερμικού πεδίου για μονοκρυσταλλικό πυρίτιο λόγω της διαστατικής του σταθερότητας και των εξαιρετικών μηχανικών ιδιοτήτων του.
Κατά τη διαδικασία του μονοκρυσταλλικού πυριτίου τσοχραλκιανού, η τήξη του πυριτικού υλικού θα παράγει ατμούς πυριτίου και πιτσιλίσματα τηγμένου πυριτίου, με αποτέλεσμα τη διάβρωση πυριτιοποίησης των υλικών θερμικού πεδίου άνθρακα/άνθρακα, και οι μηχανικές ιδιότητες και η διάρκεια ζωής των υλικών θερμικού πεδίου άνθρακα/άνθρακα επηρεάζονται σοβαρά. Επομένως, ο τρόπος μείωσης της διάβρωσης πυριτιοποίησης των υλικών θερμικού πεδίου άνθρακα/άνθρακα και η βελτίωση της διάρκειας ζωής τους έχει γίνει μια από τις κοινές ανησυχίες των κατασκευαστών μονοκρυσταλλικού πυριτίου και των κατασκευαστών υλικών θερμικού πεδίου άνθρακα/άνθρακα.Επίστρωση καρβιδίου του πυριτίουέχει γίνει η πρώτη επιλογή για την προστασία επιφανειακής επίστρωσης υλικών θερμικού πεδίου άνθρακα/άνθρακα λόγω της εξαιρετικής αντοχής σε θερμικό σοκ και αντοχής στη φθορά.
Σε αυτή την εργασία, ξεκινώντας από τα υλικά θερμικού πεδίου άνθρακα/άνθρακα που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή μονοκρυσταλλικού πυριτίου, παρουσιάζονται οι κύριες μέθοδοι παρασκευής, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της επικάλυψης καρβιδίου του πυριτίου. Σε αυτή τη βάση, εξετάζεται η εφαρμογή και η ερευνητική πρόοδος της επικάλυψης καρβιδίου του πυριτίου σε υλικά θερμικού πεδίου άνθρακα/άνθρακα σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά των υλικών θερμικού πεδίου άνθρακα/άνθρακα, και παρουσιάζονται προτάσεις και κατευθύνσεις ανάπτυξης για την προστασία επιφανειακής επικάλυψης υλικών θερμικού πεδίου άνθρακα/άνθρακα.
1 Τεχνολογία παρασκευήςεπίστρωση καρβιδίου του πυριτίου
1.1 Μέθοδος ενσωμάτωσης
Η μέθοδος ενσωμάτωσης χρησιμοποιείται συχνά για την προετοιμασία της εσωτερικής επίστρωσης καρβιδίου του πυριτίου σε σύστημα σύνθετου υλικού C/C-sic. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί πρώτα μικτή σκόνη για την περιτύλιξη του σύνθετου υλικού άνθρακα/άνθρακα και στη συνέχεια εκτελεί θερμική επεξεργασία σε μια ορισμένη θερμοκρασία. Μια σειρά σύνθετων φυσικοχημικών αντιδράσεων συμβαίνει μεταξύ της μικτής σκόνης και της επιφάνειας του δείγματος για να σχηματιστεί η επίστρωση. Το πλεονέκτημά της είναι ότι η διαδικασία είναι απλή, μόνο μία διαδικασία μπορεί να παρασκευάσει πυκνά, χωρίς ρωγμές σύνθετα υλικά μήτρας. Μικρή αλλαγή μεγέθους από το προπλάσμα στο τελικό προϊόν. Κατάλληλη για οποιαδήποτε δομή ενισχυμένη με ίνες. Μια συγκεκριμένη κλίση σύνθεσης μπορεί να σχηματιστεί μεταξύ της επίστρωσης και του υποστρώματος, η οποία συνδυάζεται καλά με το υπόστρωμα. Ωστόσο, υπάρχουν και μειονεκτήματα, όπως η χημική αντίδραση σε υψηλή θερμοκρασία, η οποία μπορεί να προκαλέσει ζημιά στην ίνα, και οι μηχανικές ιδιότητες της μήτρας άνθρακα/άνθρακα μειώνονται. Η ομοιομορφία της επίστρωσης είναι δύσκολο να ελεγχθεί, λόγω παραγόντων όπως η βαρύτητα, η οποία καθιστά την επίστρωση ανομοιόμορφη.
1.2 Μέθοδος επικάλυψης με πολτό
Η μέθοδος επίστρωσης με πολτό είναι η ανάμειξη του υλικού επίστρωσης και του συνδετικού υλικού σε ένα μείγμα, η ομοιόμορφη επάλειψη με βούρτσα στην επιφάνεια της μήτρας, η ξήρανση σε αδρανή ατμόσφαιρα και η σύντηξη του επικαλυμμένου δείγματος σε υψηλή θερμοκρασία επιτρέπουν την απόκτηση της απαιτούμενης επίστρωσης. Τα πλεονεκτήματα είναι ότι η διαδικασία είναι απλή και εύκολη στη λειτουργία και το πάχος της επίστρωσης είναι εύκολο να ελεγχθεί. Το μειονέκτημα είναι ότι η αντοχή συγκόλλησης μεταξύ της επίστρωσης και του υποστρώματος είναι χαμηλή, η αντοχή της επίστρωσης σε θερμικό σοκ είναι χαμηλή και η ομοιομορφία της επίστρωσης είναι χαμηλή.
1.3 Μέθοδος χημικής αντίδρασης ατμών
Η μέθοδος χημικής αντίδρασης ατμών (CVR) είναι μια μέθοδος διεργασίας που εξατμίζει στερεό υλικό πυριτίου σε ατμούς πυριτίου σε μια ορισμένη θερμοκρασία, και στη συνέχεια οι ατμοί πυριτίου διαχέονται στο εσωτερικό και την επιφάνεια της μήτρας και αντιδρούν in situ με άνθρακα στη μήτρα για να παράγουν καρβίδιο του πυριτίου. Τα πλεονεκτήματά της περιλαμβάνουν ομοιόμορφη ατμόσφαιρα στον κλίβανο, σταθερό ρυθμό αντίδρασης και πάχος εναπόθεσης του επικαλυμμένου υλικού παντού. Η διαδικασία είναι απλή και εύκολη στη λειτουργία και το πάχος της επικάλυψης μπορεί να ελεγχθεί αλλάζοντας την πίεση ατμών πυριτίου, τον χρόνο εναπόθεσης και άλλες παραμέτρους. Το μειονέκτημα είναι ότι το δείγμα επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τη θέση στον κλίβανο και η πίεση ατμών πυριτίου στον κλίβανο δεν μπορεί να φτάσει τη θεωρητική ομοιομορφία, με αποτέλεσμα ανομοιόμορφο πάχος επικάλυψης.
1.4 Μέθοδος χημικής εναπόθεσης ατμών
Η χημική εναπόθεση ατμών (CVD) είναι μια διαδικασία στην οποία χρησιμοποιούνται υδρογονάνθρακες ως πηγή αερίου και υψηλής καθαρότητας N2/Ar ως αέριο φορέας για την εισαγωγή μικτών αερίων σε έναν χημικό αντιδραστήρα ατμών και οι υδρογονάνθρακες αποσυντίθενται, συντίθενται, διαχέονται, προσροφώνται και διαχωρίζονται υπό ορισμένη θερμοκρασία και πίεση για να σχηματίσουν στερεές μεμβράνες στην επιφάνεια σύνθετων υλικών άνθρακα/άνθρακα. Το πλεονέκτημά της είναι ότι η πυκνότητα και η καθαρότητα της επικάλυψης μπορούν να ελεγχθούν. Είναι επίσης κατάλληλη για τεμάχια εργασίας με πιο σύνθετο σχήμα. Η κρυσταλλική δομή και η μορφολογία της επιφάνειας του προϊόντος μπορούν να ελεγχθούν ρυθμίζοντας τις παραμέτρους εναπόθεσης. Τα μειονεκτήματα είναι ότι ο ρυθμός εναπόθεσης είναι πολύ χαμηλός, η διαδικασία είναι πολύπλοκη, το κόστος παραγωγής είναι υψηλό και μπορεί να υπάρχουν ελαττώματα επικάλυψης, όπως ρωγμές, ελαττώματα πλέγματος και επιφανειακά ελαττώματα.
Συνοπτικά, η μέθοδος ενσωμάτωσης περιορίζεται στα τεχνολογικά της χαρακτηριστικά, τα οποία είναι κατάλληλα για την ανάπτυξη και παραγωγή εργαστηριακών και μικρού μεγέθους υλικών. Η μέθοδος επίστρωσης δεν είναι κατάλληλη για μαζική παραγωγή λόγω της κακής συνοχής της. Η μέθοδος CVR μπορεί να καλύψει τη μαζική παραγωγή προϊόντων μεγάλου μεγέθους, αλλά έχει υψηλότερες απαιτήσεις για εξοπλισμό και τεχνολογία. Η μέθοδος CVD είναι μια ιδανική μέθοδος για την παρασκευήΕπίστρωση SIC, αλλά το κόστος της είναι υψηλότερο από τη μέθοδο CVR λόγω της δυσκολίας ελέγχου της διεργασίας.
Ώρα δημοσίευσης: 22 Φεβρουαρίου 2024