ייצור חשמל סולארי פוטו-וולטאי הפך לתעשיית האנרגיה החדשה והמבטיחה ביותר בעולם. בהשוואה לתאי שמש פוליסיליקון וסיליקון אמורפי, סיליקון חד-גבישי, כחומר לייצור חשמל פוטו-וולטאי, בעל יעילות המרה פוטואלקטרית גבוהה ויתרונות מסחריים יוצאי דופן, והוא הפך למיינסטרים של ייצור חשמל סולארי פוטו-וולטאי. צ'וכרלסקי (CZ) היא אחת השיטות העיקריות להכנת סיליקון חד-גבישי. הרכב תנור הצ'וכרלסקי החד-גבישי כולל מערכת תנור, מערכת ואקום, מערכת גז, מערכת שדה תרמי ומערכת בקרה חשמלית. מערכת שדה התרמי היא אחד התנאים החשובים ביותר לגידול סיליקון חד-גבישי, ואיכות הסיליקון החד-גבישי מושפעת ישירות מהתפלגות גרדיאנט הטמפרטורה של השדה התרמי.
רכיבי השדה התרמי מורכבים בעיקר מחומרים פחמניים (חומרי גרפיט וחומרים מרוכבים פחמן/פחמן), המחולקים לחלקי תמיכה, חלקים פונקציונליים, גופי חימום, חלקים מגנים, חומרי בידוד תרמי וכו', בהתאם לתפקודיהם, כפי שמוצג באיור 1. ככל שגודל הסיליקון המונוקריסטלי ממשיך לגדול, כך גם דרישות הגודל לרכיבי שדה תרמי עולות. חומרים מרוכבים פחמן/פחמן הופכים לבחירה הראשונה עבור חומרי שדה תרמי עבור סיליקון מונוקריסטלי בשל יציבותם הממדית ותכונותיהם המכניות המצוינות.
בתהליך ייצור סיליקון חד-גבישי צ'וכרלציאני, התכת חומר הסיליקון תייצר אדי סיליקון והתזות סיליקון מותך, וכתוצאה מכך נשחק הסיליקון של חומרי שדה תרמי פחמן/פחמן, והתכונות המכניות וחיי השירות של חומרי שדה תרמי פחמן/פחמן מושפעים קשות. לכן, כיצד להפחית את שחיקת הסיליקון של חומרי שדה תרמי פחמן/פחמן ולשפר את חיי השירות שלהם הפכה לאחת הדאגות הנפוצות של יצרני סיליקון חד-גבישי ויצרני חומרי שדה תרמי פחמן/פחמן.ציפוי סיליקון קרבידהפך לבחירה הראשונה להגנה על ציפוי פני השטח של חומרי שדה תרמי פחמן/פחמן בשל עמידותו המצוינת לזעזועים תרמיים ועמידותו בפני שחיקה.
במאמר זה, החל מחומרי שדה תרמי פחמן/פחמן המשמשים בייצור סיליקון חד-גבישי, מוצגות שיטות ההכנה העיקריות, היתרונות והחסרונות של ציפוי סיליקון קרביד. על בסיס זה, נסקרים היישום והתקדמות המחקר של ציפוי סיליקון קרביד בחומרי שדה תרמי פחמן/פחמן בהתאם למאפייני חומרי שדה תרמי פחמן/פחמן, ומוצגות הצעות וכיווני פיתוח להגנה על ציפוי פני השטח של חומרי שדה תרמי פחמן/פחמן.
1 טכנולוגיית הכנה שלציפוי סיליקון קרביד
1.1 שיטת הטמעה
שיטת ההטמעה משמשת לעתים קרובות להכנת הציפוי הפנימי של סיליקון קרביד במערכת חומרים מרוכבים C/C-sic. שיטה זו משתמשת תחילה באבקה מעורבת כדי לעטוף את החומר המרוכב פחמן/פחמן, ולאחר מכן מבצעת טיפול בחום בטמפרטורה מסוימת. סדרה של תגובות פיזיקו-כימיות מורכבות מתרחשות בין האבקה המעורבת לבין פני השטח של הדגימה ליצירת הציפוי. יתרונה הוא שהתהליך פשוט, רק תהליך אחד יכול להכין חומרי מטריצה מרוכבים צפופים וללא סדקים; שינוי גודל קטן מהתבנית המוקדמת למוצר הסופי; מתאים לכל מבנה מחוזק בסיבים; ניתן ליצור גרדיאנט הרכב מסוים בין הציפוי למצע, אשר משתלב היטב עם המצע. עם זאת, ישנם גם חסרונות, כגון תגובה כימית בטמפרטורה גבוהה, אשר עלולה לפגוע בסיבים, וירידה בתכונות המכניות של מטריצת פחמן/פחמן. קשה לשלוט באחידות הציפוי, עקב גורמים כמו כוח הכבידה, מה שהופך את הציפוי ללא אחיד.
1.2 שיטת ציפוי סלורי
שיטת ציפוי סלרי היא ערבוב חומר הציפוי והקלסר לתערובת, מריחה אחידה של מברשת על פני המטריצה, לאחר ייבוש באווירה אינרטית, הדגימה המצופה עוברת סינטור בטמפרטורה גבוהה, וניתן להשיג את הציפוי הנדרש. היתרונות הם שהתהליך פשוט וקל לתפעול, ועובי הציפוי קל לשליטה; החיסרון הוא חוזק הקשר ירוד בין הציפוי למצע, עמידות הציפוי בפני הלם תרמי ירודה, ואחידות הציפוי נמוכה.
1.3 שיטת תגובה כימית באדים
שיטת תגובת אדים כימית (CVR) היא שיטת תהליך המאדה חומר סיליקון מוצק לאדי סיליקון בטמפרטורה מסוימת, ולאחר מכן אדי הסיליקון מתפזרים לתוך החלק הפנימי והמשטח של המטריצה, ומגיבים באתר עם פחמן במטריצה כדי לייצר סיליקון קרביד. יתרונותיה כוללים אווירה אחידה בכבשן, קצב תגובה ועובי שיקוע עקביים של החומר המצופה בכל מקום; התהליך פשוט וקל לתפעול, וניתן לשלוט בעובי הציפוי על ידי שינוי לחץ אדי הסיליקון, זמן השיקוע ופרמטרים אחרים. החיסרון הוא שהדגימה מושפעת מאוד מהמיקום בכבשן, ולחץ אדי הסיליקון בכבשן אינו יכול להגיע לאחידות התאורטית, וכתוצאה מכך עובי הציפוי לא אחיד.
1.4 שיטת שקיעת אדים כימית
שקיעת אדים כימית (CVD) היא תהליך בו משתמשים בפחמימנים כמקור גז וב-N2/Ar טהור במיוחד כגז נשא להכנסת גזים מעורבים לכור אדים כימי, והפחמימנים עוברים פירוק, סינתזה, דיפוזיה, ספיחת נספחים ונמסים תחת טמפרטורה ולחץ מסוימים ליצירת שכבות מוצקות על פני השטח של חומרים מרוכבים פחמן/פחמן. יתרונו הוא שניתן לשלוט בצפיפות ובטוהר הציפוי; הוא מתאים גם לחומרי עבודה בעלי צורה מורכבת יותר; ניתן לשלוט במבנה הגביש ובמורפולוגיה של פני השטח של המוצר על ידי התאמת פרמטרי השקיעה. החסרונות הם שקצב השקיעה נמוך מדי, התהליך מורכב, עלות הייצור גבוהה, ויכולים להיות פגמי ציפוי, כגון סדקים, פגמי רשת ופגמי פני השטח.
לסיכום, שיטת ההטמעה מוגבלת במאפייניה הטכנולוגיים, והיא מתאימה לפיתוח וייצור של חומרי מעבדה וחומרים בגודל קטן; שיטת הציפוי אינה מתאימה לייצור המוני בגלל העקביות הירודה שלה. שיטת CVR יכולה לעמוד בייצור המוני של מוצרים בגודל גדול, אך יש לה דרישות גבוהות יותר לציוד ולטכנולוגיה. שיטת CVD היא שיטה אידיאלית להכנת...ציפוי SIC, אך עלותו גבוהה יותר משיטת CVR בגלל הקושי שלה בבקרת התהליך.
זמן פרסום: 22 בפברואר 2024