Güneş fotovoltaik enerji üretimi, dünyanın en umut vadeden yeni enerji endüstrisi haline gelmiştir. Polisilisyum ve amorf silikon güneş pillerine kıyasla, fotovoltaik enerji üretim malzemesi olarak monokristal silikon, yüksek fotoelektrik dönüşüm verimliliğine ve olağanüstü ticari avantajlara sahiptir ve güneş fotovoltaik enerji üretiminin ana akımı haline gelmiştir. Czochralski (CZ), monokristal silikon hazırlamanın ana yöntemlerinden biridir. Czochralski monokristal fırınının bileşimi; fırın sistemi, vakum sistemi, gaz sistemi, termal alan sistemi ve elektrik kontrol sistemini içerir. Termal alan sistemi, monokristal silikonun büyümesi için en önemli koşullardan biridir ve monokristal silikonun kalitesi, termal alanın sıcaklık gradyanı dağılımından doğrudan etkilenir.
Isı alanı bileşenleri esas olarak karbon malzemelerden (grafit malzemeler ve karbon/karbon kompozit malzemeler) oluşur ve Şekil 1'de gösterildiği gibi işlevlerine göre destek parçaları, fonksiyonel parçalar, ısıtma elemanları, koruyucu parçalar, ısı yalıtım malzemeleri vb. olarak ayrılır. Monokristal silikonun boyutu artmaya devam ettikçe, ısı alanı bileşenleri için boyut gereksinimleri de artmaktadır. Karbon/karbon kompozit malzemeler, boyutsal kararlılığı ve mükemmel mekanik özellikleri nedeniyle monokristal silikon için ısı alanı malzemelerinde ilk tercih haline gelmektedir.
Czochralcian monokristal silikon üretim sürecinde, silikon malzemenin erimesi silikon buharı ve erimiş silikon sıçramasına neden olur; bu da karbon/karbon termal alan malzemelerinin silisleşme aşınmasına yol açar ve karbon/karbon termal alan malzemelerinin mekanik özelliklerini ve kullanım ömrünü ciddi şekilde etkiler. Bu nedenle, karbon/karbon termal alan malzemelerinin silisleşme aşınmasını azaltmak ve kullanım ömrünü uzatmak, monokristal silikon üreticileri ve karbon/karbon termal alan malzemesi üreticilerinin ortak endişelerinden biri haline gelmiştir.Silisyum karbür kaplamaMükemmel termal şok direnci ve aşınma direnci sayesinde karbon/karbon termal alan malzemelerinin yüzey kaplama koruması için ilk tercih haline gelmiştir.
Bu çalışmada, tek kristalli silisyum üretiminde kullanılan karbon/karbon termal alan malzemelerinden yola çıkarak, silisyum karbür kaplamanın başlıca hazırlama yöntemleri, avantajları ve dezavantajları tanıtılmıştır. Bu temel üzerinde, karbon/karbon termal alan malzemelerinin özelliklerine göre silisyum karbür kaplamanın karbon/karbon termal alan malzemelerindeki uygulama ve araştırma ilerlemeleri incelenmiş ve karbon/karbon termal alan malzemelerinin yüzey kaplama koruması için öneriler ve geliştirme yönleri ortaya konmuştur.
1 Hazırlama teknolojisisilisyum karbür kaplama
1.1 Gömme yöntemi
Gömme yöntemi, C/C-siC kompozit malzeme sisteminde silisyum karbürün iç kaplamasının hazırlanmasında sıklıkla kullanılır. Bu yöntemde önce karışık toz, karbon/karbon kompozit malzemeyi sarar ve ardından belirli bir sıcaklıkta ısıl işlem uygulanır. Karışık toz ile numunenin yüzeyi arasında bir dizi karmaşık fizikokimyasal reaksiyon meydana gelerek kaplama oluşur. Avantajları arasında işlemin basit olması, tek bir işlemle yoğun, çatlak içermeyen matris kompozit malzemelerin hazırlanabilmesi; ön kalıptan nihai ürüne kadar boyut değişiminin az olması; herhangi bir elyaf takviyeli yapıya uygun olması; kaplama ve alt tabaka arasında belirli bir bileşim gradyanının oluşturulabilmesi ve alt tabaka ile iyi bir şekilde birleşmesi yer almaktadır. Bununla birlikte, yüksek sıcaklıkta kimyasal reaksiyonun elyafa zarar verebilmesi ve karbon/karbon matrisinin mekanik özelliklerinin düşmesi gibi dezavantajları da vardır. Yerçekimi gibi faktörler nedeniyle kaplamanın homojenliğinin kontrol edilmesi zordur ve bu da kaplamanın düzensiz olmasına neden olur.
1.2 Bulamaç kaplama yöntemi
Sulu kaplama yöntemi, kaplama malzemesi ve bağlayıcının bir karışım haline getirilmesi, matris yüzeyine eşit şekilde fırça ile sürülmesi, inert bir atmosferde kurutulduktan sonra kaplanmış numunenin yüksek sıcaklıkta sinterlenmesi ve böylece istenen kaplamanın elde edilmesidir. Avantajları, işlemin basit ve kolay olması ve kaplama kalınlığının kolayca kontrol edilebilmesidir; dezavantajı ise kaplama ile alt tabaka arasında zayıf yapışma mukavemeti olması, kaplamanın termal şok direncinin düşük olması ve kaplamanın homojenliğinin az olmasıdır.
1.3 Kimyasal buhar reaksiyonu yöntemi
Kimyasal buhar reaksiyonu (CVR) yöntemi, katı silikon malzemeyi belirli bir sıcaklıkta silikon buharına dönüştüren ve daha sonra silikon buharının matrisin iç ve dış yüzeyine yayılarak matristeki karbonla yerinde reaksiyona girip silisyum karbür üreten bir işlem yöntemidir. Avantajları arasında fırın içindeki homojen atmosfer, her yerde tutarlı reaksiyon hızı ve kaplama kalınlığı yer alır; işlem basit ve kolay uygulanabilir olup, kaplama kalınlığı silikon buhar basıncı, kaplama süresi ve diğer parametreler değiştirilerek kontrol edilebilir. Dezavantajı ise numunenin fırın içindeki konumundan büyük ölçüde etkilenmesi ve fırın içindeki silikon buhar basıncının teorik homojenliğe ulaşamaması, bunun sonucunda da düzensiz kaplama kalınlığı oluşmasıdır.
1.4 Kimyasal buhar biriktirme yöntemi
Kimyasal buhar biriktirme (CVD), hidrokarbonların gaz kaynağı ve yüksek saflıkta N2/Ar'ın taşıyıcı gaz olarak kullanıldığı, karışık gazların bir kimyasal buhar reaktörüne verildiği ve hidrokarbonların belirli sıcaklık ve basınç altında ayrıştırılması, sentezlenmesi, yayılması, adsorbe edilmesi ve çözünmesiyle karbon/karbon kompozit malzemelerin yüzeyinde katı filmler oluşturulduğu bir işlemdir. Avantajı, kaplamanın yoğunluğunun ve saflığının kontrol edilebilmesidir; ayrıca daha karmaşık şekle sahip iş parçaları için de uygundur; biriktirme parametreleri ayarlanarak ürünün kristal yapısı ve yüzey morfolojisi kontrol edilebilir. Dezavantajları ise biriktirme hızının çok düşük olması, işlemin karmaşık olması, üretim maliyetinin yüksek olması ve çatlaklar, ağ kusurları ve yüzey kusurları gibi kaplama kusurlarının oluşabilmesidir.
Özetle, gömme yöntemi teknolojik özellikleriyle sınırlıdır ve laboratuvar ortamında ve küçük boyutlu malzemelerin geliştirilmesi ve üretimi için uygundur; kaplama yöntemi ise düşük tutarlılığı nedeniyle seri üretim için uygun değildir. CVR yöntemi büyük boyutlu ürünlerin seri üretimini karşılayabilir, ancak ekipman ve teknoloji açısından daha yüksek gereksinimlere sahiptir. CVD yöntemi ise hazırlama için ideal bir yöntemdir.SIC kaplamaAncak, süreç kontrolündeki zorluk nedeniyle maliyeti CVR yöntemine göre daha yüksektir.
Yayın tarihi: 22 Şubat 2024