Produkcja energii fotowoltaicznej stała się najbardziej obiecującą nową branżą energetyczną na świecie. W porównaniu z ogniwami fotowoltaicznymi z polikrzemu i krzemu amorficznego, krzem monokrystaliczny, jako materiał do wytwarzania energii fotowoltaicznej, charakteryzuje się wysoką sprawnością konwersji fotoelektrycznej i wyjątkowymi zaletami komercyjnymi, stając się głównym nurtem w wytwarzaniu energii fotowoltaicznej. Metoda Czochralskiego (CZ) jest jedną z głównych metod otrzymywania krzemu monokrystalicznego. Skład pieca monokrystalicznego Czochralskiego obejmuje układ pieca, układ próżniowy, układ gazowy, układ pola termicznego oraz układ sterowania elektrycznego. Układ pola termicznego jest jednym z najważniejszych warunków wzrostu krzemu monokrystalicznego, a na jego jakość bezpośrednio wpływa rozkład gradientu temperatury w polu termicznym.
Elementy pola termicznego składają się głównie z materiałów węglowych (materiałów grafitowych i kompozytów węglowo-węglowych), które w zależności od pełnionych funkcji dzielą się na elementy nośne, funkcjonalne, grzejne, ochronne, termoizolacyjne itp., jak pokazano na rysunku 1. Wraz ze wzrostem wielkości monokrystalicznego krzemu rosną również wymagania dotyczące wielkości elementów pola termicznego. Materiały kompozytowe węglowo-węglowe stają się pierwszym wyborem w przypadku materiałów pola termicznego dla monokrystalicznego krzemu ze względu na ich stabilność wymiarową i doskonałe właściwości mechaniczne.
W procesie produkcji monokrystalicznego krzemu czochralskiego, topienie materiału krzemowego powoduje powstawanie par krzemu i rozpryskiwanie się stopionego krzemu, co prowadzi do erozji krzemionkowej materiałów pola termicznego typu węgiel/węgiel, a ich właściwości mechaniczne i żywotność ulegają znacznemu pogorszeniu. Dlatego też ograniczenie erozji krzemionkowej materiałów pola termicznego typu węgiel/węgiel i wydłużenie ich żywotności stało się jednym z częstych problemów producentów monokrystalicznego krzemu i materiałów pola termicznego typu węgiel/węgiel.Powłoka z węglika krzemustała się pierwszym wyborem w zakresie ochrony powierzchni materiałów termicznych typu węgiel/węgiel ze względu na doskonałą odporność na szok termiczny i odporność na zużycie.
W niniejszym artykule, rozpoczynając od materiałów typu węgiel/węgiel, stosowanych w produkcji monokrystalicznego krzemu, przedstawiono główne metody przygotowania oraz zalety i wady powłoki z węglika krzemu. Na tej podstawie dokonano przeglądu zastosowań i postępów w badaniach nad powłokami z węglika krzemu w materiałach typu węgiel/węgiel, w kontekście ich właściwości, a także przedstawiono sugestie i kierunki rozwoju w zakresie ochrony powierzchni materiałów typu węgiel/węgiel.
1 Technologia przygotowaniapowłoka z węglika krzemu
1.1 Metoda osadzania
Metoda osadzania jest często stosowana do przygotowania wewnętrznej powłoki z węglika krzemu w systemie materiałów kompozytowych C/C-sic. Ta metoda najpierw wykorzystuje mieszany proszek do owinięcia materiału kompozytowego węgiel/węgiel, a następnie przeprowadza obróbkę cieplną w określonej temperaturze. Seria złożonych reakcji fizykochemicznych zachodzi między mieszanym proszkiem a powierzchnią próbki, tworząc powłokę. Jej zaletą jest prostota procesu, tylko jeden proces może przygotować gęste, bezpęknięte materiały kompozytowe o matrycy; Niewielka zmiana rozmiaru od preformy do produktu końcowego; Nadaje się do każdej struktury wzmocnionej włóknem; Można utworzyć pewien gradient składu między powłoką a podłożem, które dobrze łączy się z podłożem. Istnieją jednak również wady, takie jak reakcja chemiczna w wysokiej temperaturze, która może uszkodzić włókno, a także spadek właściwości mechanicznych matrycy węgiel/węgiel. Jednorodność powłoki jest trudna do kontrolowania ze względu na czynniki takie jak grawitacja, która powoduje nierównomierność powłoki.
1.2 Metoda powlekania zawiesinowego
Metoda powlekania zawiesinowego polega na wymieszaniu materiału powłokowego i spoiwa, a następnie równomiernym nałożeniu pędzlem na powierzchnię matrycy. Po wysuszeniu w atmosferze obojętnej, powlekana próbka jest spiekana w wysokiej temperaturze, co pozwala na uzyskanie pożądanej powłoki. Zaletą jest prostota i łatwość obsługi procesu oraz łatwa kontrola grubości powłoki. Wadą jest słaba wytrzymałość połączenia między powłoką a podłożem, niska odporność powłoki na szok termiczny oraz niska jednorodność powłoki.
1.3 Metoda reakcji chemicznej z parą
Metoda chemicznej reakcji z fazy gazowej (CVR) to proces, w którym stały materiał krzemowy odparowuje do postaci pary krzemu w określonej temperaturze. Para krzemu dyfunduje następnie do wnętrza i na powierzchnię matrycy, reagując in situ z węglem w matrycy, tworząc węglik krzemu. Jej zalety to jednorodna atmosfera w piecu, stała szybkość reakcji i grubość powłoki na całej powierzchni. Proces jest prosty i łatwy w obsłudze, a grubość powłoki można kontrolować poprzez zmianę prężności par krzemu, czasu osadzania i innych parametrów. Wadą jest to, że próbka jest silnie zależna od położenia w piecu, a prężność par krzemu w piecu nie może osiągnąć teoretycznej jednorodności, co skutkuje nierównomierną grubością powłoki.
1.4 Metoda chemicznego osadzania z fazy gazowej
Osadzanie chemiczne z fazy gazowej (CVD) to proces, w którym węglowodory są wykorzystywane jako źródło gazu, a mieszanina N₂/Ar o wysokiej czystości jako gaz nośny do wprowadzania mieszaniny gazów do reaktora chemicznego z fazy gazowej. Węglowodory są rozkładane, syntezowane, dyfundowane, adsorbowane i rozdzielane w określonej temperaturze i ciśnieniu, tworząc stałe warstwy na powierzchni materiałów kompozytowych węgiel/węgiel. Zaletą tego procesu jest możliwość kontrolowania gęstości i czystości powłoki; nadaje się on również do elementów obrabianych o bardziej złożonych kształtach; strukturę krystaliczną i morfologię powierzchni produktu można kontrolować poprzez dostosowanie parametrów osadzania. Wadami są zbyt niska szybkość osadzania, złożoność procesu, wysokie koszty produkcji oraz możliwość występowania defektów powłoki, takich jak pęknięcia, wady siatki i wady powierzchni.
Podsumowując, metoda osadzania jest ograniczona pod względem swoich właściwości technologicznych, co czyni ją odpowiednią do rozwoju i produkcji materiałów laboratoryjnych i małogabarytowych. Metoda powlekania nie nadaje się do produkcji masowej ze względu na słabą spójność. Metoda CVR może sprostać masowej produkcji produktów wielkogabarytowych, ale stawia wyższe wymagania sprzętowe i technologiczne. Metoda CVD jest idealną metodą przygotowania.Powłoka SIC, ale jej koszt jest wyższy niż metody CVR ze względu na trudności w kontrolowaniu procesu.
Czas publikacji: 22-02-2024