La production d'énergie solaire photovoltaïque est devenue la nouvelle industrie énergétique la plus prometteuse au monde. Comparé aux cellules solaires en polysilicium et en silicium amorphe, le silicium monocristallin, en tant que matériau de production d'énergie photovoltaïque, présente un rendement de conversion photoélectrique élevé et des avantages commerciaux exceptionnels. Il est devenu le matériau de référence pour la production d'énergie solaire photovoltaïque. La méthode Czochralski (CZ) est l'une des principales méthodes de préparation du silicium monocristallin. Le four monocristallin Czochralski comprend un système de four, un système de vide, un système de gaz, un système de champ thermique et un système de contrôle électrique. Le système de champ thermique est l'une des conditions essentielles à la croissance du silicium monocristallin, et la qualité du silicium monocristallin est directement influencée par la distribution du gradient de température du champ thermique.
Les composants de champ thermique sont principalement composés de matériaux carbonés (graphites et composites carbone/carbone), divisés en pièces de support, pièces fonctionnelles, éléments chauffants, pièces de protection, matériaux d'isolation thermique, etc., selon leurs fonctions, comme illustré à la figure 1. Avec l'augmentation constante de la taille du silicium monocristallin, les exigences dimensionnelles des composants de champ thermique augmentent également. Les composites carbone/carbone deviennent le premier choix pour les matériaux de champ thermique du silicium monocristallin en raison de leur stabilité dimensionnelle et de leurs excellentes propriétés mécaniques.
Lors de la fabrication du silicium monocristallin czochralcien, la fusion du silicium produit de la vapeur et des projections de silicium fondu, ce qui entraîne une érosion par silicification des matériaux de champ thermique carbone/carbone, affectant gravement leurs propriétés mécaniques et leur durée de vie. Par conséquent, la réduction de l'érosion par silicification et l'amélioration de la durée de vie des matériaux de champ thermique carbone/carbone sont devenues une préoccupation commune des fabricants de silicium monocristallin et de matériaux de champ thermique carbone/carbone.Revêtement en carbure de siliciumest devenu le premier choix pour la protection du revêtement de surface des matériaux de champ thermique carbone/carbone en raison de son excellente résistance aux chocs thermiques et à l'usure.
Cet article, qui s'intéresse aux matériaux carbone/carbone à champ thermique utilisés dans la production de silicium monocristallin, présente les principales méthodes de préparation, les avantages et les inconvénients du revêtement en carbure de silicium. Il passe ensuite en revue les applications et les avancées de la recherche sur le revêtement en carbure de silicium dans les matériaux carbone/carbone à champ thermique, en fonction de leurs caractéristiques, et propose des suggestions et des pistes de développement pour la protection de surface de ces matériaux.
1 Technologie de préparation derevêtement en carbure de silicium
1.1 Méthode d'intégration
La méthode d'enrobage est souvent utilisée pour préparer le revêtement interne du carbure de silicium dans les composites C/C-sic. Cette méthode utilise d'abord un mélange de poudre pour envelopper le composite carbone/carbone, puis effectue un traitement thermique à une température donnée. Une série de réactions physico-chimiques complexes se produisent entre le mélange de poudre et la surface de l'échantillon pour former le revêtement. Son avantage réside dans sa simplicité : un seul procédé permet de préparer des composites à matrice dense et sans fissures ; une faible variation de taille entre la préforme et le produit final ; une adaptation à toute structure renforcée par des fibres ; un gradient de composition entre le revêtement et le substrat, qui se combine parfaitement avec ce dernier. Cependant, elle présente également des inconvénients, tels que la réaction chimique à haute température, qui peut endommager les fibres, et la dégradation des propriétés mécaniques de la matrice carbone/carbone. L'uniformité du revêtement est difficile à contrôler, en raison de facteurs tels que la gravité, qui le rend irrégulier.
1.2 Méthode de revêtement par coulis
La méthode de revêtement par barbotine consiste à mélanger le matériau de revêtement et le liant, puis à appliquer uniformément la surface de la matrice au pinceau. Après séchage sous atmosphère inerte, l'échantillon revêtu est fritté à haute température pour obtenir le revêtement souhaité. Le procédé présente les avantages suivants : simplicité d'utilisation et contrôle aisé de l'épaisseur du revêtement. L'inconvénient réside dans la faible adhérence entre le revêtement et le substrat, sa faible résistance aux chocs thermiques et son faible uniformité.
1.3 Méthode de réaction chimique en phase vapeur
La méthode de réaction chimique en phase vapeur (CVR) consiste à évaporer du silicium solide en vapeur de silicium à une température donnée. Cette vapeur se diffuse ensuite à l'intérieur et à la surface de la matrice et réagit in situ avec le carbone de la matrice pour produire du carbure de silicium. Ses avantages comprennent une atmosphère homogène dans le four, une vitesse de réaction et une épaisseur de dépôt du matériau revêtu constantes partout. Le procédé est simple et facile à mettre en œuvre, et l'épaisseur du revêtement peut être contrôlée en modifiant la pression de vapeur de silicium, le temps de dépôt et d'autres paramètres. L'inconvénient est que l'échantillon est fortement affecté par la position dans le four, et que la pression de vapeur de silicium dans le four ne peut pas atteindre l'uniformité théorique, ce qui entraîne une épaisseur de revêtement irrégulière.
1.4 Méthode de dépôt chimique en phase vapeur
Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est un procédé utilisant des hydrocarbures comme source de gaz et du N₂/Ar de haute pureté comme gaz vecteur pour introduire des gaz mixtes dans un réacteur à vapeur chimique. Les hydrocarbures sont ensuite décomposés, synthétisés, diffusés, adsorbés et résolus sous certaines températures et pressions pour former des films solides à la surface de matériaux composites carbone/carbone. Son avantage réside dans le contrôle de la densité et de la pureté du revêtement. Il est également adapté aux pièces de forme plus complexe. La structure cristalline et la morphologie de surface du produit peuvent être contrôlées en ajustant les paramètres de dépôt. Ses inconvénients sont une vitesse de dépôt trop faible, un procédé complexe, un coût de production élevé et des défauts de revêtement potentiels, tels que des fissures, des défauts de maillage et des défauts de surface.
En résumé, la méthode d'enrobage présente des caractéristiques technologiques limitées, ce qui la rend adaptée au développement et à la production de matériaux de laboratoire et de petite taille. La méthode de revêtement ne convient pas à la production de masse en raison de sa faible consistance. La méthode CVR permet la production de masse de produits de grande taille, mais elle exige des équipements et des technologies plus exigeants. La méthode CVD est idéale pour la préparation.Revêtement SIC, mais son coût est plus élevé que la méthode CVR en raison de sa difficulté à contrôler le processus.
Date de publication : 22 février 2024