Die solare Photovoltaik-Stromerzeugung hat sich zur weltweit vielversprechendsten neuen Energiebranche entwickelt. Im Vergleich zu Solarzellen aus Polysilicium und amorphem Silicium weist monokristallines Silicium als photovoltaisches Stromerzeugungsmaterial einen hohen photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad und herausragende kommerzielle Vorteile auf und ist zum Mainstream der solaren Photovoltaik-Stromerzeugung geworden. Czochralski (CZ) ist eine der Hauptmethoden zur Herstellung von monokristallinem Silizium. Der monokristalline Czochralski-Ofen besteht aus einem Ofensystem, einem Vakuumsystem, einem Gassystem, einem thermischen Feldsystem und einem elektrischen Steuerungssystem. Das Wärmefeldsystem ist eine der wichtigsten Bedingungen für das Wachstum von monokristallinem Silizium, und die Qualität von monokristallinem Silizium wird direkt von der Temperaturgradientenverteilung des Wärmefelds beeinflusst.
Die Wärmefeldkomponenten bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoffmaterialien (Graphitmaterialien und Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterialien), die entsprechend ihrer Funktion in Stützteile, Funktionsteile, Heizelemente, Schutzteile, Wärmedämmmaterialien usw. unterteilt werden dargestellt in Abbildung 1. Da die Größe von monokristallinem Silizium weiter zunimmt, steigen auch die Größenanforderungen für Wärmefeldkomponenten. Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe werden aufgrund ihrer Dimensionsstabilität und hervorragenden mechanischen Eigenschaften zur ersten Wahl für thermische Feldmaterialien für monokristallines Silizium.
Beim Prozess des czochralcianischen monokristallinen Siliziums entstehen beim Schmelzen des Siliziummaterials Siliziumdampf und geschmolzene Siliziumspritzer, was zur Verkieselungserosion von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien führt und die mechanischen Eigenschaften und die Lebensdauer von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien beeinträchtigt stark beeinträchtigt. Daher ist die Frage, wie die Verkieselungserosion von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien reduziert und ihre Lebensdauer verbessert werden kann, zu einem der gemeinsamen Anliegen der Hersteller von monokristallinem Silizium und der Hersteller von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien geworden.Siliziumkarbidbeschichtungist aufgrund seiner hervorragenden Thermoschockbeständigkeit und Verschleißfestigkeit zur ersten Wahl für den Oberflächenschutz von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien geworden.
In diesem Artikel werden ausgehend von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien, die bei der Herstellung von monokristallinem Silizium verwendet werden, die wichtigsten Herstellungsmethoden sowie Vor- und Nachteile der Siliziumkarbidbeschichtung vorgestellt. Auf dieser Grundlage werden die Anwendung und der Forschungsfortschritt der Siliziumkarbidbeschichtung in Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien anhand der Eigenschaften von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien sowie Vorschläge und Entwicklungsrichtungen für den Oberflächenbeschichtungsschutz von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Wärmefeldmaterialien überprüft werden vorgebracht.
1 Vorbereitungstechnologie vonSiliziumkarbidbeschichtung
1.1 Einbettungsmethode
Die Einbettungsmethode wird häufig zur Herstellung der Innenbeschichtung aus Siliziumkarbid in einem C/C-sic-Verbundwerkstoffsystem verwendet. Bei dieser Methode wird das Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterial zunächst mit gemischtem Pulver umwickelt und anschließend bei einer bestimmten Temperatur wärmebehandelt. Zwischen dem gemischten Pulver und der Oberfläche der Probe kommt es zu einer Reihe komplexer physikalisch-chemischer Reaktionen, die zur Bildung der Beschichtung führen. Sein Vorteil besteht darin, dass das Verfahren einfach ist und nur ein einziger Prozess dichte, rissfreie Matrix-Verbundmaterialien herstellen kann. Kleine Größenänderung vom Vorformling zum Endprodukt; Geeignet für jede faserverstärkte Struktur; Zwischen der Beschichtung und dem Substrat kann ein bestimmter Zusammensetzungsgradient gebildet werden, der sich gut mit dem Substrat verbindet. Allerdings gibt es auch Nachteile, wie etwa die chemische Reaktion bei hoher Temperatur, die die Faser schädigen kann, und die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften von Kohlenstoff/Kohlenstoffmatrix. Die Gleichmäßigkeit der Beschichtung ist aufgrund von Faktoren wie der Schwerkraft, die die Beschichtung ungleichmäßig macht, schwer zu kontrollieren.
1.2 Schlammbeschichtungsverfahren
Beim Aufschlämmungsbeschichtungsverfahren werden das Beschichtungsmaterial und das Bindemittel zu einer Mischung gemischt, die Oberfläche der Matrix gleichmäßig aufgebürstet, nach dem Trocknen in einer inerten Atmosphäre wird die beschichtete Probe bei hoher Temperatur gesintert und die erforderliche Beschichtung kann erhalten werden. Die Vorteile bestehen darin, dass das Verfahren einfach und leicht durchzuführen ist und die Beschichtungsdicke leicht zu kontrollieren ist. Der Nachteil besteht darin, dass die Haftfestigkeit zwischen der Beschichtung und dem Substrat schlecht ist, die Thermoschockbeständigkeit der Beschichtung schlecht ist und die Gleichmäßigkeit der Beschichtung gering ist.
1.3 Chemische Dampfreaktionsmethode
Die chemische Dampfreaktion (CVR) ist eine Prozessmethode, bei der festes Siliziummaterial bei einer bestimmten Temperatur in Siliziumdampf verdampft, der Siliziumdampf dann in das Innere und die Oberfläche der Matrix diffundiert und in situ mit Kohlenstoff in der Matrix reagiert, um zu produzieren Siliziumkarbid. Zu seinen Vorteilen gehören eine gleichmäßige Atmosphäre im Ofen, eine gleichmäßige Reaktionsgeschwindigkeit und Ablagerungsdicke des beschichteten Materials überall; Der Prozess ist einfach und leicht durchzuführen und die Beschichtungsdicke kann durch Änderung des Siliziumdampfdrucks, der Abscheidungszeit und anderer Parameter gesteuert werden. Der Nachteil besteht darin, dass die Position der Probe im Ofen stark beeinflusst wird und der Siliziumdampfdruck im Ofen nicht die theoretische Gleichmäßigkeit erreichen kann, was zu einer ungleichmäßigen Beschichtungsdicke führt.
1.4 Chemische Gasphasenabscheidungsmethode
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist ein Prozess, bei dem Kohlenwasserstoffe als Gasquelle und hochreines N2/Ar als Trägergas verwendet werden, um gemischte Gase in einen chemischen Dampfreaktor einzuleiten. Die Kohlenwasserstoffe werden dabei zersetzt, synthetisiert, diffundiert, adsorbiert und aufgelöst Bei bestimmten Temperaturen und Drücken bilden sich feste Filme auf der Oberfläche von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterialien. Sein Vorteil besteht darin, dass die Dichte und Reinheit der Beschichtung kontrolliert werden kann; Es eignet sich auch für Werkstücke mit komplexerer Form; Die Kristallstruktur und Oberflächenmorphologie des Produkts können durch Anpassen der Abscheidungsparameter gesteuert werden. Die Nachteile bestehen darin, dass die Abscheidungsrate zu niedrig ist, der Prozess komplex ist, die Produktionskosten hoch sind und es zu Beschichtungsfehlern wie Rissen, Netzfehlern und Oberflächenfehlern kommen kann.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Einbettungsmethode aufgrund ihrer technologischen Eigenschaften für die Entwicklung und Herstellung von Labor- und Kleinmaterialien geeignet ist. Aufgrund der schlechten Konsistenz ist die Beschichtungsmethode nicht für die Massenproduktion geeignet. Die CVR-Methode eignet sich für die Massenproduktion großformatiger Produkte, stellt jedoch höhere Anforderungen an Ausrüstung und Technologie. Die CVD-Methode ist eine ideale Methode zur VorbereitungSIC-Beschichtung, aber aufgrund der Schwierigkeit bei der Prozesskontrolle sind die Kosten höher als bei der CVR-Methode.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 22. Februar 2024