Zonne-energieopwekking is uitgegroeid tot de meest veelbelovende nieuwe energie-industrie ter wereld. In vergelijking met polysilicium- en amorfe siliciumzonnecellen heeft monokristallijn silicium, als materiaal voor fotovoltaïsche energieopwekking, een hoge foto-elektrische conversie-efficiëntie en uitstekende commerciële voordelen, waardoor het de standaard is geworden voor zonne-energieopwekking. De Czochralski-methode (CZ) is een van de belangrijkste methoden voor de bereiding van monokristallijn silicium. De Czochralski-monokristallijne oven bestaat uit een ovensysteem, een vacuümsysteem, een gassysteem, een thermisch veldsysteem en een elektrisch besturingssysteem. Het thermische veldsysteem is een van de belangrijkste voorwaarden voor de groei van monokristallijn silicium, en de kwaliteit van het monokristallijne silicium wordt direct beïnvloed door de temperatuurgradiëntverdeling van het thermische veld.
De componenten van het thermische veld zijn hoofdzakelijk samengesteld uit koolstofmaterialen (grafietmaterialen en koolstof/koolstofcomposietmaterialen), die, afhankelijk van hun functie, zijn onderverdeeld in ondersteunende onderdelen, functionele onderdelen, verwarmingselementen, beschermende onderdelen, thermische isolatiematerialen, enz., zoals weergegeven in Figuur 1. Naarmate de afmetingen van monokristallijn silicium blijven toenemen, nemen ook de eisen aan de afmetingen van de componenten van het thermische veld toe. Koolstof/koolstofcomposietmaterialen zijn de eerste keuze geworden voor thermische veldmaterialen voor monokristallijn silicium vanwege hun dimensionale stabiliteit en uitstekende mechanische eigenschappen.
Tijdens het productieproces van monokristallijn silicium produceert het smelten van siliciummateriaal siliciumdamp en spatten van gesmolten silicium. Dit leidt tot silicificatie-erosie van koolstof/koolstof thermische veldmaterialen, waardoor de mechanische eigenschappen en levensduur van deze materialen ernstig worden aangetast. Daarom is het verminderen van silicificatie-erosie en het verlengen van de levensduur van koolstof/koolstof thermische veldmaterialen een belangrijk aandachtspunt geworden voor fabrikanten van monokristallijn silicium en koolstof/koolstof thermische veldmaterialen.Siliciumcarbide coatingHet is de eerste keuze geworden voor de oppervlaktebescherming van koolstof/koolstof thermische veldmaterialen vanwege de uitstekende thermische schokbestendigheid en slijtvastheid.
In dit artikel worden, uitgaande van koolstof/koolstof-thermische veldmaterialen die worden gebruikt bij de productie van monokristallijn silicium, de belangrijkste bereidingsmethoden, voordelen en nadelen van siliciumcarbidecoatings geïntroduceerd. Op basis hiervan worden de toepassing en de onderzoeksvoortgang van siliciumcarbidecoatings op koolstof/koolstof-thermische veldmaterialen besproken aan de hand van de kenmerken van deze materialen. Tevens worden suggesties en ontwikkelingsrichtingen voor oppervlaktebescherming van koolstof/koolstof-thermische veldmaterialen geformuleerd.
1. Bereidingstechnologie vansiliciumcarbide coating
1.1 Inbeddingsmethode
De inbeddingsmethode wordt vaak gebruikt om de binnenste coating van siliciumcarbide in C/C-Si-composietmaterialen aan te brengen. Bij deze methode wordt eerst een poedermengsel gebruikt om het koolstof/koolstof-composietmateriaal te omhullen, waarna een warmtebehandeling bij een bepaalde temperatuur plaatsvindt. Een reeks complexe fysisch-chemische reacties vindt plaats tussen het poedermengsel en het oppervlak van het materiaal, waardoor de coating wordt gevormd. De voordelen van deze methode zijn de eenvoud: in één enkele stap kunnen dichte, scheurvrije matrixcomposietmaterialen worden geproduceerd; de afmetingen van het voorvormmateriaal tot het eindproduct zijn minimaal; de methode is geschikt voor elke vezelversterkte structuur; en er kan een bepaalde samenstellingsgradiënt tussen de coating en het substraat worden gevormd, wat zorgt voor een goede hechting met het substraat. Er zijn echter ook nadelen, zoals de chemische reactie bij hoge temperaturen, die de vezels kan beschadigen, en de afname van de mechanische eigenschappen van de koolstof/koolstof-matrix. Bovendien is de uniformiteit van de coating moeilijk te controleren, onder andere door de zwaartekracht, waardoor de coating ongelijkmatig kan worden aangebracht.
1.2 Slurry-coatingmethode
Bij de slurry-coatingmethode worden het coatingmateriaal en het bindmiddel gemengd, gelijkmatig op het oppervlak van de matrix aangebracht met een kwast, en na drogen in een inerte atmosfeer wordt het gecoate monster op hoge temperatuur gesinterd om de gewenste coating te verkrijgen. De voordelen zijn dat het proces eenvoudig en gemakkelijk te bedienen is en dat de coatingdikte gemakkelijk te controleren is. De nadelen zijn de geringe hechtsterkte tussen de coating en het substraat, de slechte thermische schokbestendigheid van de coating en de lage uniformiteit van de coating.
1.3 Chemische dampreactiemethode
De chemische dampreactiemethode (CVR) is een procesmethode waarbij vast siliciummateriaal bij een bepaalde temperatuur wordt verdampt tot siliciumdamp. Deze siliciumdamp diffundeert vervolgens in de binnenkant en aan het oppervlak van de matrix en reageert ter plaatse met koolstof in de matrix om siliciumcarbide te produceren. De voordelen zijn onder andere een uniforme atmosfeer in de oven, een constante reactiesnelheid en een gelijkmatige afzettingsdikte van het gecoate materiaal overal; het proces is eenvoudig en gemakkelijk te bedienen, en de laagdikte kan worden geregeld door de siliciumdampdruk, de afzettingstijd en andere parameters aan te passen. Het nadeel is dat het monster sterk wordt beïnvloed door de positie in de oven en dat de siliciumdampdruk in de oven niet de theoretische uniformiteit kan bereiken, wat resulteert in een ongelijkmatige laagdikte.
1.4 Chemische dampafzettingsmethode
Chemische dampafzetting (CVD) is een proces waarbij koolwaterstoffen als gasbron en zeer zuivere N2/Ar als draaggas worden gebruikt om een gasmengsel in een chemische dampreactor te brengen. Onder bepaalde temperatuur en druk worden de koolwaterstoffen ontleed, gesynthetiseerd, gediffundeerd, geadsorbeerd en opgelost om vaste films te vormen op het oppervlak van koolstof/koolstofcomposietmaterialen. Het voordeel is dat de dichtheid en zuiverheid van de coating kunnen worden gecontroleerd; het is ook geschikt voor werkstukken met complexere vormen; de kristalstructuur en oppervlaktemorfologie van het product kunnen worden gecontroleerd door de afzettingsparameters aan te passen. De nadelen zijn dat de afzettingssnelheid te laag is, het proces complex is, de productiekosten hoog zijn en er coatingdefecten kunnen optreden, zoals scheuren, gaasdefecten en oppervlaktedefecten.
Samenvattend is de inbeddingsmethode beperkt door haar technologische kenmerken en is deze geschikt voor de ontwikkeling en productie van laboratorium- en kleinschalige materialen. De coatingmethode is niet geschikt voor massaproductie vanwege de geringe consistentie. De CVR-methode is wel geschikt voor de massaproductie van grote producten, maar stelt hogere eisen aan apparatuur en technologie. De CVD-methode is een ideale methode voor de voorbereiding van producten.SIC-coatingMaar de kosten ervan liggen hoger dan die van de CVR-methode vanwege de moeilijkheid om het proces te beheersen.
Geplaatst op: 22 februari 2024