การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์แบบโฟโตโวลตาอิกได้กลายเป็นอุตสาหกรรมพลังงานใหม่ที่มีอนาคตสดใสที่สุดในโลก เมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์แสงอาทิตย์แบบโพลีซิลิคอนและอะมอร์ฟัสซิลิคอน โมโนคริสตัลไลน์ซิลิคอนซึ่งเป็นวัสดุสำหรับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ มีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงเป็นไฟฟ้าสูงและมีข้อได้เปรียบทางการค้าที่โดดเด่น จึงกลายเป็นวัสดุหลักในการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์แบบโฟโตโวลตาอิก วิธีการของ Czochralski (CZ) เป็นหนึ่งในวิธีการหลักในการเตรียมโมโนคริสตัลไลน์ซิลิคอน องค์ประกอบของเตาเผาโมโนคริสตัลไลน์แบบ Czochralski ประกอบด้วยระบบเตาเผา ระบบสุญญากาศ ระบบก๊าซ ระบบสนามความร้อน และระบบควบคุมไฟฟ้า ระบบสนามความร้อนเป็นหนึ่งในเงื่อนไขที่สำคัญที่สุดสำหรับการเจริญเติบโตของโมโนคริสตัลไลน์ซิลิคอน และคุณภาพของโมโนคริสตัลไลน์ซิลิคอนได้รับผลกระทบโดยตรงจากการกระจายตัวของความชันอุณหภูมิในระบบสนามความร้อน
ส่วนประกอบของสนามความร้อนส่วนใหญ่ประกอบด้วยวัสดุคาร์บอน (วัสดุกราไฟต์และวัสดุคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอน) ซึ่งแบ่งออกเป็นส่วนรองรับ ส่วนใช้งาน องค์ประกอบความร้อน ส่วนป้องกัน วัสดุฉนวนความร้อน ฯลฯ ตามหน้าที่ ดังแสดงในรูปที่ 1 เนื่องจากขนาดของซิลิคอนผลึกเดี่ยวมีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ ความต้องการขนาดของส่วนประกอบสนามความร้อนก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน วัสดุคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอนจึงกลายเป็นตัวเลือกแรกสำหรับวัสดุสนามความร้อนสำหรับซิลิคอนผลึกเดี่ยว เนื่องจากมีความเสถียรทางมิติและคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม
ในกระบวนการผลิตซิลิคอนผลึกเดี่ยวแบบโคโซคราลเซียน การหลอมละลายของวัสดุซิลิคอนจะทำให้เกิดไอซิลิคอนและการกระเด็นของซิลิคอนหลอมเหลว ส่งผลให้เกิดการกัดกร่อนจากซิลิกาของวัสดุตัวนำความร้อนคาร์บอน/คาร์บอน และส่งผลกระทบอย่างร้ายแรงต่อคุณสมบัติทางกลและอายุการใช้งานของวัสดุตัวนำความร้อนคาร์บอน/คาร์บอน ดังนั้น วิธีการลดการกัดกร่อนจากซิลิกาของวัสดุตัวนำความร้อนคาร์บอน/คาร์บอน และปรับปรุงอายุการใช้งานจึงกลายเป็นหนึ่งในประเด็นสำคัญที่ผู้ผลิตซิลิคอนผลึกเดี่ยวและผู้ผลิตวัสดุตัวนำความร้อนคาร์บอน/คาร์บอนให้ความสนใจการเคลือบด้วยซิลิคอนคาร์ไบด์ได้กลายเป็นตัวเลือกอันดับแรกสำหรับการเคลือบผิวเพื่อป้องกันวัสดุคาร์บอน/คาร์บอนที่ใช้ในงานด้านความร้อน เนื่องจากมีความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันและความทนทานต่อการสึกหรอเป็นอย่างดี
บทความนี้เริ่มต้นจากการแนะนำวิธีการเตรียมหลัก ข้อดีและข้อเสียของการเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์ โดยเริ่มจากวัสดุตัวนำความร้อนคาร์บอน/คาร์บอนที่ใช้ในการผลิตซิลิคอนผลึกเดี่ยว จากนั้นจึงทบทวนการประยุกต์ใช้และความก้าวหน้าในการวิจัยเกี่ยวกับการเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์ในวัสดุตัวนำความร้อนคาร์บอน/คาร์บอนตามลักษณะเฉพาะของวัสดุเหล่านั้น และเสนอแนะแนวทางและทิศทางการพัฒนาสำหรับการปกป้องพื้นผิวด้วยการเคลือบผิวของวัสดุตัวนำความร้อนคาร์บอน/คาร์บอน
1. เทคโนโลยีการเตรียมการการเคลือบด้วยซิลิคอนคาร์ไบด์
1.1 วิธีการฝังข้อมูล
วิธีการฝังตัวมักใช้ในการเตรียมการเคลือบด้านในของซิลิคอนคาร์ไบด์ในระบบวัสดุคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอน-ซิลิคอน วิธีนี้เริ่มต้นด้วยการใช้ผงผสมห่อหุ้มวัสดุคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอน จากนั้นทำการอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิที่กำหนด ปฏิกิริยาทางกายภาพและเคมีที่ซับซ้อนหลายอย่างเกิดขึ้นระหว่างผงผสมกับพื้นผิวของชิ้นงานเพื่อสร้างการเคลือบ ข้อดีของวิธีนี้คือ กระบวนการง่าย สามารถเตรียมวัสดุคอมโพสิตที่มีเมทริกซ์หนาแน่นและปราศจากรอยแตกได้ด้วยกระบวนการเดียว การเปลี่ยนแปลงขนาดจากชิ้นงานก่อนขึ้นรูปไปจนถึงผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายมีขนาดเล็ก เหมาะสำหรับโครงสร้างเสริมแรงด้วยเส้นใยทุกชนิด สามารถสร้างการไล่ระดับองค์ประกอบที่แน่นอนระหว่างการเคลือบและวัสดุรองรับ ซึ่งเข้ากันได้ดีกับวัสดุรองรับ อย่างไรก็ตามก็มีข้อเสียเช่นกัน เช่น ปฏิกิริยาเคมีที่อุณหภูมิสูงอาจทำให้เส้นใยเสียหาย และคุณสมบัติทางกลของเมทริกซ์คาร์บอน/คาร์บอนลดลง ความสม่ำเสมอของการเคลือบควบคุมได้ยากเนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น แรงโน้มถ่วง ทำให้การเคลือบไม่สม่ำเสมอ
1.2 วิธีการเคลือบแบบสลอรี่
วิธีการเคลือบแบบสลอรี่ คือการผสมวัสดุเคลือบและสารยึดเกาะเข้าด้วยกัน แล้วใช้แปรงทาลงบนพื้นผิวของวัสดุหลักอย่างสม่ำเสมอ หลังจากนั้นจึงนำไปอบแห้งในบรรยากาศเฉื่อย แล้วนำชิ้นงานที่เคลือบแล้วไปเผาที่อุณหภูมิสูง เพื่อให้ได้การเคลือบที่ต้องการ ข้อดีคือ กระบวนการง่ายและใช้งานสะดวก ความหนาของการเคลือบควบคุมได้ง่าย ข้อเสียคือ ความแข็งแรงในการยึดเกาะระหว่างการเคลือบกับวัสดุหลักไม่ดี ความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันของการเคลือบต่ำ และความสม่ำเสมอของการเคลือบต่ำ
1.3 วิธีปฏิกิริยาไอเคมี
วิธีการปฏิกิริยาไอเคมี (Chemical Vapor Reaction: CVR) เป็นกระบวนการที่ระเหยวัสดุซิลิคอนแข็งให้กลายเป็นไอซิลิคอนที่อุณหภูมิที่กำหนด จากนั้นไอซิลิคอนจะแพร่กระจายเข้าไปภายในและพื้นผิวของเมทริกซ์ และทำปฏิกิริยากับคาร์บอนในเมทริกซ์โดยตรงเพื่อผลิตซิลิคอนคาร์ไบด์ ข้อดีของวิธีนี้ ได้แก่ บรรยากาศในเตาเผาสม่ำเสมอ อัตราการเกิดปฏิกิริยาและความหนาของการเคลือบสม่ำเสมอทุกจุด กระบวนการง่ายและใช้งานง่าย และสามารถควบคุมความหนาของการเคลือบได้โดยการเปลี่ยนความดันไอซิลิคอน เวลาในการเคลือบ และพารามิเตอร์อื่นๆ ข้อเสียคือ ตำแหน่งของชิ้นงานในเตาเผาได้รับผลกระทบอย่างมาก และความดันไอซิลิคอนในเตาเผาไม่สามารถสม่ำเสมอได้ตามทฤษฎี ส่งผลให้ความหนาของการเคลือบไม่สม่ำเสมอ
1.4 วิธีการตกตะกอนไอสารเคมี
การตกตะกอนด้วยไอสารเคมี (Chemical Vapor Deposition, CVD) เป็นกระบวนการที่ใช้ไฮโดรคาร์บอนเป็นแหล่งก๊าซ และใช้ไนโตรเจน (N2) หรืออาร์กอน (Ar) ที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นก๊าซพาหะ เพื่อนำก๊าซผสมเข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์ไอสารเคมี โดยไฮโดรคาร์บอนจะถูกย่อยสลาย สังเคราะห์ แพร่กระจาย ดูดซับ และละลายภายใต้อุณหภูมิและความดันที่กำหนด เพื่อสร้างฟิล์มแข็งบนพื้นผิวของวัสดุคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอน ข้อดีคือสามารถควบคุมความหนาแน่นและความบริสุทธิ์ของสารเคลือบได้ เหมาะสำหรับชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อน และสามารถควบคุมโครงสร้างผลึกและลักษณะพื้นผิวของผลิตภัณฑ์ได้โดยการปรับพารามิเตอร์การตกตะกอน ข้อเสียคืออัตราการตกตะกอนต่ำเกินไป กระบวนการซับซ้อน ต้นทุนการผลิตสูง และอาจมีข้อบกพร่องในการเคลือบ เช่น รอยแตก รอยตำหนิ และข้อบกพร่องบนพื้นผิว
โดยสรุป วิธีการฝังตัวมีข้อจำกัดในด้านเทคโนโลยี ซึ่งเหมาะสำหรับการพัฒนาและการผลิตวัสดุในห้องปฏิบัติการและวัสดุขนาดเล็ก วิธีการเคลือบไม่เหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมากเนื่องจากความสม่ำเสมอต่ำ วิธีการ CVR สามารถตอบสนองความต้องการการผลิตจำนวนมากของผลิตภัณฑ์ขนาดใหญ่ได้ แต่มีความต้องการอุปกรณ์และเทคโนโลยีที่สูงกว่า วิธีการ CVD เป็นวิธีที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเตรียมวัสดุการเคลือบ SICแต่มีต้นทุนสูงกว่าวิธี CVR เนื่องจากควบคุมกระบวนการได้ยากกว่า
วันที่เผยแพร่: 22 กุมภาพันธ์ 2567