Silizio monokristalinoaren hazkuntza-prozesua eremu termikoan egiten da erabat. Eremu termiko on batek kristalen kalitatea hobetzen laguntzen du eta kristalizazio-eraginkortasun handiagoa du. Eremu termikoaren diseinuak eremu termiko dinamikoan tenperatura-gradienteen aldaketak eta labe-ganberan gas-fluxua zehazten ditu neurri handi batean. Eremu termikoan erabilitako materialen arteko aldeak zuzenean zehazten du eremu termikoaren bizitza erabilgarria. Eremu termiko desegoki batean ez da zaila soilik kalitate-eskakizunak betetzen dituzten kristalak haztea, baita ezin da monokristalino osorik hazi prozesu-eskakizun jakin batzuen pean ere. Horregatik, zuzeneko tiraka egiten den silizio monokristalinoaren industriak eremu termikoaren diseinua teknologia nagusitzat hartzen du eta giza baliabide eta baliabide material handiak inbertitzen ditu eremu termikoaren ikerketan eta garapenean.
Sistema termikoa hainbat eremu termikoko materialez osatuta dago. Eremu termikoan erabilitako materialak laburki aurkeztuko ditugu soilik. Eremu termikoko tenperaturaren banaketari eta kristalen tirakaduran duen eraginari dagokionez, ez ditugu hemen aztertuko. Eremu termikoko materialak kristalen hazkuntzarako huts-labe ganberako egitura eta isolamendu termikoaren zatia adierazten du, eta hori ezinbestekoa da erdieroale urtutako materialaren eta kristalaren inguruan tenperatura banaketa egokia sortzeko.
1. Eremu termikoaren egitura-materiala
Silizio monokristalinoa hazteko zuzeneko tiraketa metodoaren oinarrizko euskarri materiala grafito purua da. Grafito materialek oso zeregin garrantzitsua dute industria modernoan. Bero-eremuaren egitura-osagai gisa erabil daitezke, hala nola...berogailuak, gida-hodiak, gurutzak, isolamendu-hodiak, gurutze-erretiluak, etab. Czochralski metodoaren bidez silizio monokristalinoa prestatzean.
Grafito materialakhautatzen dira bolumen handietan erraz prestatzen direlako, prozesatu daitezkeelako eta tenperatura altuekiko erresistenteak direlako. Diamante edo grafito moduan dagoen karbonoak edozein elementu edo konposatu baino urtze-puntu altuagoa du. Grafito materialak nahiko sendoak dira, batez ere tenperatura altuetan, eta haien eroankortasun elektrikoa eta termikoa ere nahiko ona da. Bere eroankortasun elektrikoak egokia bihurtzen duberogailumateriala. Eroankortasun termiko koefiziente egokia du, eta horri esker, berogailuak sortutako beroa gurutzera eta bero-eremuaren beste ataletara uniformeki banatzen da. Hala ere, tenperatura altuetan, batez ere distantzia luzeetan, bero-transferentzia modu nagusia erradiazioa da.
Grafitozko piezak hasieran aglutinatzaile batekin nahastutako partikula karboniko finekin egiten dira eta estrusio edo prentsatze isostatiko bidez eratzen dira. Kalitate handiko grafitozko piezak normalean modu isostatikoan prentsatzen dira. Pieza osoa lehenik karbonizatzen da eta gero tenperatura oso altuetan grafitizatzen da, 3000 °C-tik gertu. Pieza oso horietatik prozesatutako piezak normalean kloroa duen atmosferan purifikatzen dira tenperatura altuetan, metalaren kutsadura kentzeko eta erdieroaleen industriaren eskakizunak betetzeko. Hala ere, behar bezala purifikatu ondoren ere, metalaren kutsadura maila siliziozko material monokristalinoentzat onartzen dena baino magnitude ordena batzuk handiagoa da. Beraz, kontuz ibili behar da eremu termikoaren diseinuan osagai horien kutsadura urtutako edo kristalaren gainazalean sartzea saihesteko.
Grafitozko materialak apur bat iragazkorrak dira, eta horrek barruan geratzen den metalak gainazalera erraz iristea ahalbidetzen du. Gainera, grafitoaren gainazalaren inguruko purga-gasean dagoen silizio monoxidoak material gehienetan sartu eta erreakzionatu dezake.
Hasierako silizio monokristalinozko labe-berogailuak tungsteno eta molibdeno bezalako metal errefraktarioekin egiten ziren. Grafitoa prozesatzeko teknologiaren heldutasun gero eta handiagoarekin, grafito-osagaien arteko konexioaren propietate elektrikoak egonkortu egin dira, eta silizio monokristalinozko labe-berogailuek tungsteno, molibdeno eta beste material-berogailuak erabat ordezkatu dituzte. Gaur egun, gehien erabiltzen den grafito-materiala grafito isostatikoa da. Nire herrialdeko grafito isostatikoa prestatzeko teknologia nahiko atzeratua da, eta etxeko industria fotovoltaikoan erabiltzen diren grafito-material gehienak atzerritik inportatzen dira. Atzerriko grafito isostatikoen fabrikatzaileen artean, batez ere Alemaniako SGL, Japoniako Tokai Carbon, Japoniako Toyo Tanso eta abar daude. Czochralski silizio monokristalinozko labeetan, batzuetan C/C material konposatuak erabiltzen dira, eta torlojuak, azkoinak, gurutzak, karga-plakak eta beste osagai batzuk fabrikatzeko erabiltzen hasi dira. Karbono/karbono (C/C) konpositeak karbono-zuntzez indartutako karbono-oinarritutako konpositeak dira, propietate bikain sorta bat dutenak, hala nola erresistentzia espezifiko handia, modulu espezifiko handia, hedapen termiko-koefiziente baxua, eroankortasun elektriko ona, haustura-zailtasun handia, grabitate espezifiko baxua, kolpe termikoarekiko erresistentzia, korrosioarekiko erresistentzia eta tenperatura altuko erresistentzia. Gaur egun, oso erabiliak dira aeroespazialki, lasterketetan, biomaterialetan eta beste arlo batzuetan, tenperatura altuko erresistentzia duten egitura-material berri gisa. Gaur egun, etxeko C/C konpositeek aurkitzen dituzten oztopo nagusiak kostua eta industrializazio arazoak dira oraindik.
Beste material asko erabiltzen dira eremu termikoak egiteko. Karbono-zuntzez indartutako grafitoak propietate mekaniko hobeak ditu; baina garestiagoa da eta diseinuari dagokionez beste baldintza batzuk ditu.Silizio karburoa (SiC)grafitoa baino material hobea da alderdi askotan, baina askoz garestiagoa eta zailagoa da bolumen handiko piezak prestatzea. Hala ere, SiC askotan erabiltzen daCVD estaldurasilizio monoxido gas korrosiboaren eraginpean dauden grafito piezen bizitza handitzeko, eta grafitoaren kutsadura ere murriztu dezake. CVD silizio karburozko estaldura trinkoak eraginkortasunez eragozten du grafito material mikroporotsuaren barruko kutsatzaileak gainazalera iristea.
Beste bat CVD karbonoa da, grafito zatiaren gainean geruza trinko bat ere sor dezakeena. Tenperatura altuko beste material erresistente batzuk, hala nola molibdenoa edo ingurunearekin batera bizi daitezkeen zeramikazko materialak, erabil daitezke urtua kutsatzeko arriskurik ez dagoenean. Hala ere, oxido zeramiken aplikagarritasuna mugatua da grafito materialetan tenperatura altuetan, eta beste aukera gutxi daude isolamendua behar izanez gero. Bat boro nitruro hexagonala da (batzuetan grafito zuria deitzen zaio antzeko propietateengatik), baina propietate mekanikoak eskasak dira. Molibdenoa, oro har, arrazoiz erabiltzen da tenperatura altuko egoeretan, kostu moderatua duelako, silizio kristaletan difusio-tasa baxua duelako eta 5×108 inguruko segregazio-koefiziente oso baxua duelako, eta horrek molibdeno kutsadura kopuru jakin bat ahalbidetzen du kristal-egitura suntsitu aurretik.
2. Isolamendu termikoko materialak
Isolamendu-material erabiliena karbono-feltroa da, hainbat formatan. Karbono-feltroa zuntz mehez egina dago, eta isolatzaile gisa jokatzen dute, erradiazio termikoa hainbat aldiz blokeatzen baitute distantzia laburrean. Karbono-feltro biguna material-xafla nahiko meheetan ehuntzen da, eta ondoren nahi den forman moztu eta erradio egoki batean tolestu egiten dira. Ontzeko feltroak antzeko zuntz-materialez osatuta daude, eta karbonoa duen aglutinatzaile bat erabiltzen da sakabanatutako zuntzak objektu sendoago eta formatuago batean lotzeko. Aglutinatzaile baten ordez karbonoaren lurrun-deposizio kimikoa erabiltzeak materialaren propietate mekanikoak hobetu ditzake.
Normalean, isolamendu termikoaren sendatze-feltroaren kanpoko gainazala grafito-geruza edo xafla jarraitu batez estalita egoten da, higadura eta higadura murrizteko, baita partikula-kutsadura ere. Beste karbono-oinarritutako isolamendu termikoko material mota batzuk ere badaude, hala nola karbono-aparra. Oro har, grafitizatutako materialak nahiago dira, grafitizazioak zuntzaren azalera asko murrizten baitu. Azalera handiko material hauen gas-isurketa asko murrizten da, eta denbora gutxiago behar da labea huts egoki batera ponpatzeko. Beste bat C/C konposite materiala da, ezaugarri bikainak dituena, hala nola pisu arina, kalte-tolerantzia handia eta erresistentzia handia. Grafito-piezak ordezkatzeko eremu termikoetan erabiltzeak grafito-piezak ordezkatzeko maiztasuna nabarmen murrizten du, monokristalinoen kalitatea eta ekoizpen-egonkortasuna hobetzen ditu.
Lehengaien sailkapenaren arabera, karbono-feltroa poliakrilonitriloan oinarritutako karbono-feltroan, biskosan oinarritutako karbono-feltroan eta brea-oinarritutako karbono-feltroan bana daiteke.
Poliakrilonitriloan oinarritutako karbono-feltroak errauts-eduki handia du. Tenperatura altuko tratamenduaren ondoren, zuntz bakarra hauskor bihurtzen da. Funtzionamenduan zehar, erraza da hautsa sortzea labearen ingurunea kutsatzeko. Aldi berean, zuntza erraz sar daiteke giza gorputzaren poroetan eta arnasbideetan, eta hori kaltegarria da gizakien osasunerako. Biskosa-oinarritutako karbono-feltroak isolamendu termiko ona du. Nahiko biguna da tratamendu termikoaren ondoren eta ez da erraza hautsa sortzea. Hala ere, biskosa-oinarritutako zuntz gordinaren zeharkako sekzioa irregularra da, eta ildo asko daude zuntzaren gainazalean. Erraza da C02 bezalako gasak sortzea CZ silizio-labearen atmosfera oxidatzailearen azpian, oxigenoaren eta karbono-elementuen prezipitazioa eraginez silizio monokristalinoko materialean. Fabrikatzaile nagusien artean, SGL alemaniarra eta beste enpresa batzuk daude. Gaur egun, erdieroale monokristalinoen industrian gehien erabiltzen dena brea-oinarritutako karbono-feltroa da, eta horrek isolamendu termiko okerragoa du biskosa-oinarritutako karbono-feltroak baino, baina brea-oinarritutako karbono-feltroak purutasun handiagoa eta hauts-isuri txikiagoa du. Fabrikatzaileen artean, Japoniako Kureha Chemical eta Osaka Gas daude.
Karbono-feltroaren forma ez denez finkoa, erabiltzea deserosoa da. Orain, enpresa askok karbono-feltroz sendatutako karbono-feltroan oinarritutako isolamendu termikoko material berri bat garatu dute. Karbono-feltro sendatua, feltro gogorra ere deitua, forma jakin bat eta autoiraunkortasun propietatea duen karbono-feltroa da, feltro biguna erretxinarekin busti, laminatu, sendatu eta karbonizatu ondoren.
Silizio monokristalinoaren hazkuntza-kalitatean eragin zuzena du ingurune termikoak, eta karbono-zuntzezko isolamendu termikoko materialek funtsezko zeregina dute ingurune horretan. Karbono-zuntzezko isolamendu termikoko feltro bigunak abantaila handia du oraindik ere erdieroale fotovoltaikoen industrian, kostu-abantaila, isolamendu termikoko efektu bikaina, diseinu malgua eta forma pertsonalizagarria direla eta. Gainera, karbono-zuntzezko isolamendu termikoko feltro gogorrak garapen-espazio handiagoa izango du eremu termikoko materialen merkatuan, bere sendotasun handia eta funtzionamendu handiagoa direla eta. Isolamendu termikoko materialen arloan ikerketa eta garapenean konprometituta gaude, eta produktuaren errendimendua etengabe optimizatzen dugu erdieroale fotovoltaikoen industriaren oparotasuna eta garapena sustatzeko.
Argitaratze data: 2024ko ekainaren 12a