Die solare Photovoltaik-Stromerzeugung hat sich weltweit zu einer der vielversprechendsten neuen Energiebranchen entwickelt. Im Vergleich zu Polysilizium- und amorphen Silizium-Solarzellen bietet monokristallines Silizium als Photovoltaik-Material eine hohe photoelektrische Umwandlungseffizienz und herausragende wirtschaftliche Vorteile und ist daher zum Standard in der solaren Photovoltaik geworden. Das Czochralski-Verfahren (CZ) ist eines der wichtigsten Verfahren zur Herstellung von monokristallinem Silizium. Ein Czochralski-Ofen besteht aus Ofensystem, Vakuumsystem, Gassystem, Thermofeldsystem und elektrischer Steuerung. Das Thermofeldsystem ist eine der wichtigsten Voraussetzungen für das Wachstum von monokristallinem Silizium, da die Qualität des monokristallinen Siliziums direkt von der Temperaturgradientenverteilung im Thermofeld beeinflusst wird.
Die Komponenten des Wärmefelds bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoffwerkstoffen (Graphit und Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen) und werden, wie in Abbildung 1 dargestellt, funktionsbezogen in Stütz-, Funktions-, Heiz-, Schutz- und Wärmedämmteile unterteilt. Mit zunehmender Größe von monokristallinem Silizium steigen auch die Anforderungen an die Abmessungen der Wärmefeldkomponenten. Aufgrund ihrer Dimensionsstabilität und hervorragenden mechanischen Eigenschaften sind Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe die erste Wahl für Wärmefeldmaterialien in monokristallinem Silizium.
Bei der Herstellung von czochralschem monokristallinem Silizium entstehen beim Schmelzen des Siliziummaterials Siliziumdampf und Siliziumspritzer. Dies führt zu einer Verkieselungserosion der Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien und beeinträchtigt deren mechanische Eigenschaften und Lebensdauer erheblich. Daher ist die Reduzierung der Verkieselungserosion und die Verbesserung der Lebensdauer dieser Materialien zu einem zentralen Anliegen von Herstellern monokristallinen Siliziums und Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien geworden.Siliziumkarbidbeschichtunghat sich aufgrund seiner ausgezeichneten Temperaturwechselbeständigkeit und Verschleißfestigkeit zur ersten Wahl für den Oberflächenschutz von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien entwickelt.
In diesem Beitrag werden, ausgehend von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien, die in der monokristallinen Siliziumproduktion eingesetzt werden, die wichtigsten Herstellungsverfahren sowie die Vor- und Nachteile von Siliciumcarbid-Beschichtungen vorgestellt. Darauf aufbauend werden die Anwendung und der Forschungsstand von Siliciumcarbid-Beschichtungen in Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien unter Berücksichtigung ihrer Eigenschaften untersucht. Abschließend werden Vorschläge und Entwicklungsrichtungen für den Oberflächenschutz von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien durch Beschichtungen unterbreitet.
1. Herstellungstechnologie vonSiliziumkarbidbeschichtung
1.1 Einbettungsmethode
Das Einbettungsverfahren wird häufig zur Herstellung der inneren Siliciumcarbid-Beschichtung in C/C-SiC-Verbundwerkstoffen eingesetzt. Dabei wird zunächst ein Pulvergemisch um den Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoff gelegt und anschließend bei einer bestimmten Temperatur wärmebehandelt. Zwischen dem Pulvergemisch und der Probenoberfläche finden komplexe physikalisch-chemische Reaktionen statt, die zur Bildung der Beschichtung führen. Vorteile des Verfahrens sind die Einfachheit: In nur einem Arbeitsgang lassen sich dichte, rissfreie Matrix-Verbundwerkstoffe herstellen. Die Größenänderung vom Vorformling zum Endprodukt ist gering. Das Verfahren eignet sich für beliebige faserverstärkte Strukturen. Zwischen Beschichtung und Substrat kann ein bestimmter Zusammensetzungsgradient erzeugt werden, der eine gute Verbindung mit dem Substrat ermöglicht. Zu den Nachteilen zählen chemische Reaktionen bei hohen Temperaturen, die die Fasern schädigen können, sowie eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der Kohlenstoff/Kohlenstoff-Matrix. Die Gleichmäßigkeit der Beschichtung ist aufgrund von Faktoren wie der Schwerkraft schwer zu kontrollieren, was zu Unebenheiten führen kann.
1.2 Schlickerbeschichtungsverfahren
Beim Schlickerbeschichtungsverfahren werden Beschichtungsmaterial und Bindemittel zu einer Mischung vermengt, gleichmäßig auf die Oberfläche des Substrats aufgetragen und nach dem Trocknen unter Schutzgasatmosphäre bei hoher Temperatur gesintert. Dadurch erhält man die gewünschte Beschichtung. Vorteile des Verfahrens sind die einfache Handhabung und die gut steuerbare Schichtdicke. Nachteile sind die geringe Haftfestigkeit zwischen Beschichtung und Substrat, die niedrige Temperaturwechselbeständigkeit und die geringe Gleichmäßigkeit der Beschichtung.
1.3 Chemisches Dampfreaktionsverfahren
Die chemische Gasphasenreaktion (CVR) ist ein Verfahren, bei dem festes Siliziummaterial bei einer bestimmten Temperatur zu Siliziumdampf verdampft wird. Der Siliziumdampf diffundiert anschließend in das Innere und die Oberfläche der Matrix und reagiert dort in situ mit dem Kohlenstoff der Matrix zu Siliziumkarbid. Zu den Vorteilen zählen eine homogene Atmosphäre im Ofen, eine gleichmäßige Reaktionsgeschwindigkeit und eine gleichmäßige Schichtdicke. Das Verfahren ist einfach und leicht durchzuführen, und die Schichtdicke lässt sich durch Variation des Siliziumdampfdrucks, der Abscheidungszeit und anderer Parameter steuern. Ein Nachteil besteht darin, dass die Probe stark von ihrer Position im Ofen beeinflusst wird und der Siliziumdampfdruck im Ofen nicht die theoretisch erforderliche Homogenität erreicht, was zu ungleichmäßigen Schichtdicken führt.
1.4 Chemische Gasphasenabscheidung
Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist ein Verfahren, bei dem Kohlenwasserstoffe als Gasquelle und hochreines N₂/Ar als Trägergas in einen CVD-Reaktor eingeleitet werden. Unter bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen werden die Kohlenwasserstoffe zersetzt, synthetisiert, diffundiert, adsorbiert und gelöst, um feste Schichten auf der Oberfläche von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen zu bilden. Vorteile des Verfahrens sind die kontrollierbare Dichte und Reinheit der Beschichtung sowie die Eignung für Werkstücke mit komplexen Formen. Kristallstruktur und Oberflächenmorphologie des Produkts lassen sich durch die Anpassung der Abscheidungsparameter steuern. Zu den Nachteilen zählen die geringe Abscheidungsrate, die Prozesskomplexität, die hohen Produktionskosten und mögliche Beschichtungsdefekte wie Risse, Gitterfehler und Oberflächenfehler.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Einbettungsverfahren aufgrund seiner technologischen Eigenschaften für die Entwicklung und Herstellung von Labor- und Kleinteilen geeignet ist. Das Beschichtungsverfahren ist aufgrund seiner mangelnden Konsistenz für die Massenproduktion ungeeignet. Das CVR-Verfahren ermöglicht die Massenproduktion von Großprodukten, stellt jedoch höhere Anforderungen an Ausrüstung und Technologie. Das CVD-Verfahren ist ein ideales Verfahren zur Herstellung vonSIC-BeschichtungAllerdings sind die Kosten aufgrund der Schwierigkeit der Prozesssteuerung höher als bei der CVR-Methode.
Veröffentlichungsdatum: 22. Februar 2024