Silizio monokristalinoaren hazkuntza-prozesua eremu termikoan gauzatzen da erabat. Eremu termiko on batek kristalen kalitatea hobetzeko lagungarria da eta kristalizazio-eraginkortasun handiagoa du. Eremu termikoaren diseinuak neurri handi batean zehazten ditu eremu termiko dinamikoan tenperatura-gradienteen aldaketak eta labe-ganberako gas-fluxua. Eremu termikoan erabilitako materialen desberdintasunak zuzenean zehazten du eremu termikoaren zerbitzu-bizitza. Zentzugabeko eremu termiko bat ez da zaila kalitate-eskakizunak betetzen dituzten kristalak hazteaz gain, ezin da hazi monokristalino osoa prozesu-baldintza batzuen arabera. Horregatik, tira zuzeneko silizio monokristalinoaren industriak eremu termikoaren diseinua oinarrizko teknologiatzat hartzen du eta eskulan eta baliabide material handiak inbertitzen ditu eremu termikoko ikerketan eta garapenean.
Sistema termikoa eremu termikoko hainbat materialez osatuta dago. Arlo termikoan erabiltzen diren materialak laburki aurkeztuko ditugu. Eremu termikoko tenperaturaren banaketari eta kristalen tiraketan duen eraginari dagokionez, ez dugu hemen aztertuko. Eremu termikoko materialak kristalen hazkuntzako hutseko labearen ganbararen egitura eta isolamendu termikoko zatiari egiten dio erreferentzia, eta hori ezinbestekoa da erdieroaleen urtu eta kristalaren inguruan tenperatura banaketa egokia sortzeko.
1. Eremu termikoko egitura-materiala
Silizio monokristalinoa hazteko zuzeneko tiraketa metodorako oinarrizko euskarri-materiala purutasun handiko grafitoa da. Grafitozko materialek oso paper garrantzitsua dute industria modernoan. Bero eremuko egitura-osagai gisa erabil daitezke, esaterakoberogailuak, gida-hodiak, arragoak, isolamendu-hodiak, arragoa erretiluak, etab. Czochralski metodoaren bidez silizio monokristalinoa prestatzeko.
Grafitozko materialakbolumen handietan prestatzeko errazak direlako, prozesatu daitezkeelako eta tenperatura altuekiko erresistenteak direlako hautatzen dira. Diamante edo grafito moduan karbonoak edozein elementu edo konposatu baino urtze-puntu altuagoa du. Grafitozko materialak nahiko sendoak dira, batez ere tenperatura altuetan, eta haien eroankortasun elektrikoa eta termikoa ere nahiko ona da. Bere eroankortasun elektrikoari esker aproposa daberogailuamateriala. Eroankortasun termikoko koefiziente egokia du, berogailuak sortutako beroa arragoa eta bero-eremuko beste ataletara uniformeki banatzeko aukera ematen duena. Hala ere, tenperatura altuetan, batez ere distantzia luzeetan, bero-transferentzia modu nagusia erradiazioa da.
Grafitoko piezak hasieran aglutinatzaile batekin nahastuta eta estrusioz edo prentsa isostatikoz eratutako karbono-partikula finez osatuta daude. Kalitate handiko grafitozko piezak normalean isostatikoki sakatzen dira. Pieza osoa lehenik karbonizatu eta gero grafitizatu egiten da oso tenperatura altuetan, 3000°C-tik gertu. Pieza oso horietatik prozesatutako piezak kloroa duen atmosferan araztu ohi dira tenperatura altuetan metalen kutsadura kentzeko, erdieroaleen industriaren eskakizunak betetzeko. Hala ere, behar bezala garbitu ondoren ere, metalen kutsadura maila siliziozko material monokristalinoek onartzen dutena baino magnitude-ordena handiagoa da. Hori dela eta, kontuz ibili behar da eremu termikoko diseinuan osagai horien kutsadura urtu edo kristalen gainazalean sar ez dadin.
Grafitozko materialak apur bat iragazgaitzak dira, eta horrek errazten du barruan geratzen den metala gainazalera iristea. Gainera, grafitoaren gainazalaren inguruko purga-gasan dagoen silizio monoxidoa material gehienetan sartu eta erreakzionatu dezake.
Silizio monokristalinoaren lehen berogailuak metal erregogorrez eginak ziren, hala nola wolframioa eta molibdenoa. Grafitoa prozesatzeko teknologiaren heldutasun handiagoarekin, grafitoaren osagaien arteko konexioaren propietate elektrikoak egonkor bihurtu dira eta silizio monokristalino-labe-berogailuek tungstenoa, molibdenoa eta beste material-berogailuak guztiz ordezkatu dituzte. Gaur egun, grafito gehien erabiltzen den materiala grafito isostatikoa da. Nire herrialdeko grafito isostatikoa prestatzeko teknologia nahiko atzeratua da, eta etxeko industria fotovoltaikoan erabiltzen diren grafito material gehienak atzerritik inportatzen dira. Atzerriko grafito isostatikoen fabrikatzaileen artean daude, batez ere, Alemaniako SGL, Japoniako Tokai Carbon, Japoniako Toyo Tanso... plakak eta beste osagai batzuk. Karbono/karbonoa (C/C) konposatuak karbono-zuntzez indartutako karbono-oinarritutako konposatuak dira propietate bikain batzuekin, hala nola, indar espezifiko handia, modulu espezifiko handia, hedapen termiko koefiziente baxua, eroankortasun elektriko ona, haustura gogortasun handia, grabitate espezifiko baxua, Shock termikoaren erresistentzia, korrosioarekiko erresistentzia eta tenperatura altuko erresistentzia. Gaur egun, asko erabiltzen dira aeroespazialean, lasterketetan, biomaterialetan eta beste esparru batzuetan, tenperatura altuko erresistenteak diren egiturazko material berri gisa. Gaur egun, etxeko C/C konpositeek aurkitzen dituzten oztopo nagusiak kostu eta industrializazio arazoak dira oraindik.
Eremu termikoak egiteko beste material asko erabiltzen dira. Karbono-zuntzez indartutako grafitoak propietate mekaniko hobeak ditu; baina garestiagoa da eta diseinurako beste baldintza batzuk ditu.Silizio karburoa (SiC)grafitoa baino material hobea da alderdi askotan, baina askoz garestiagoa eta zailagoa da bolumen handiko piezak prestatzea. Hala ere, SiC sarritan erabiltzen da aCVD estaldurasilizio monoxidoaren gas korrosiboaren eraginpean dauden grafito piezen iraupena areagotzeko eta grafitoaren kutsadura murrizteko. CVD silizio karburozko estaldura trinkoak grafitozko material mikroporotsuaren barruko kutsatzaileak gainazalera iristea eragozten du.
Beste bat CVD karbonoa da, grafito zatiaren gainean geruza trinko bat ere sor dezakeena. Tenperatura altuko erresistenteak diren beste material batzuk, hala nola, ingurunearekin batera bizi daitezkeen molibdenoa edo zeramikazko materialak, urtua kutsatzeko arriskurik ez dagoenean erabil daitezke. Dena den, oxido-zeramika, oro har, tenperatura altuetan grafitozko materialetarako aplikagarritasuna mugatuta dago, eta beste aukera gutxi daude isolamendua behar bada. Bat boro nitruro hexagonala da (batzuetan grafito zuria deitzen zaio antzeko propietateengatik), baina propietate mekanikoak txarrak dira. Molibdenoa, oro har, zentzuz erabiltzen da tenperatura altuko egoeretarako, bere kostu moderatua, silizio-kristaletan difusio-tasa baxua eta 5×108 inguruko bereizketa-koefiziente oso baxua direlako, eta horrek molibdenoaren kutsadura kopuru jakin bat ahalbidetzen du kristal-egitura suntsitu aurretik.
2. Isolamendu termikoko materialak
Gehien erabiltzen den isolamendu-materiala karbono-fieltroa da hainbat formatan. Karbonozko feltroa zuntz mehez egina dago, isolatzaile gisa funtzionatzen baitute, distantzia laburrean hainbat aldiz blokeatzen baitute erradiazio termikoa. Karbonozko feltro biguna material xafla mehe samarretan ehuntzen da, eta gero nahi den forman mozten dira eta zentzuzko erradioan ondo makurtzen dira. Ondutako feltroak antzeko zuntzezko materialez osatuta daude, eta karbonoa duen aglutinatzailea erabiltzen da sakabanatutako zuntzak objektu sendoago eta itxuradun batean lotzeko. Karbonoaren lurrun-deposizio kimikoa aglutinatzaile baten ordez erabiltzeak materialaren propietate mekanikoak hobe ditzake.
Normalean, isolamendu termikoko ontze-feltroaren kanpoko gainazala grafitozko estaldura edo paper etengabe batekin estaltzen da higadura eta higadura murrizteko, baita partikularen kutsadura murrizteko. Karbonoan oinarritutako isolamendu termikoko beste material mota batzuk ere badaude, hala nola karbono-aparra. Oro har, grafitizatutako materialak hobetsi dira, grafitizazioak zuntzaren azalera asko murrizten duelako. Azalera handiko material hauen gasa isurtzea asko murrizten da, eta denbora gutxiago behar da labea huts egoki batera ponpatzeko. Beste bat C/C material konposatua da, ezaugarri nabarmenak dituena, hala nola pisu arina, kalte-tolerantzia handia eta indar handia. Grafitozko piezak ordezkatzeko eremu termikoetan erabiltzen den grafitozko piezak ordezkatzeko maiztasuna nabarmen murrizten du, kalitate monokristalinoa eta ekoizpen-egonkortasuna hobetzen ditu.
Lehengaien sailkapenaren arabera, karbono-feltroa poliakrilonitriloan oinarritutako karbono-feltroa, biskosa-oinarritutako karbono-feltroa eta pitch-oinarritutako karbono-feltroa bana daiteke.
Poliakrilonitriloan oinarritutako karbono-feltroak errauts eduki handia du. Tenperatura handiko tratamenduaren ondoren, zuntz bakarra hauskorra bihurtzen da. Funtzionamenduan zehar, erraza da hautsa sortzea labearen ingurunea kutsatzeko. Aldi berean, zuntza erraz sar daiteke giza gorputzaren poroetan eta arnasbideetan, eta hori kaltegarria da giza osasunerako. Karbono biskosan oinarritutako feltroak isolamendu termiko errendimendu ona du. Bero tratamenduaren ondoren nahiko biguna da eta ez da erraza hautsa sortzea. Hala ere, biskosan oinarritutako zuntz gordinaren zehar-sekzioa irregularra da, eta zuntzaren gainazalean zirrikitu ugari daude. Erraza da C02 bezalako gasak sortzea CZ silizio-labearen atmosfera oxidatzailearen azpian, eta silizio monokristalinoan oxigeno eta karbono elementuen prezipitazioa eragiten du. Fabrikatzaile nagusien artean SGL alemaniarra eta beste enpresa batzuk daude. Gaur egun, erdieroaleen industria monokristalinoan gehien erabiltzen dena pitch-oinarritutako karbono-feltroa da, biskosan oinarritutako karbono-feltroa baino isolamendu termiko errendimendu txarragoa duena, baina pitch-oinarritutako karbono-feltroa purutasun handiagoa eta hauts-igorpen txikiagoa du. Fabrikatzaileen artean daude Japoniako Kureha Chemical eta Osaka Gas.
Karbono-sentimenduaren forma finkoa ez denez, deserosoa da funtzionatzea. Orain, enpresa askok isolamendu termikorako material berri bat garatu dute karbono-feltroan ondutako karbono-feltroan oinarrituta. Ondutako karbono-feltroa, feltro gogorra ere deitzen zaio, forma jakin bat eta auto-sostengapena duen karbono-feltroa da, feltro leuna erretxinaz busti, laminatu, ondu eta karbonizatu ondoren.
Silizio monokristalinoaren hazkuntza-kalitateak zuzenean eragiten du ingurune termikoak, eta karbono-zuntzezko isolamendu termikoko materialek funtsezko zeregina dute ingurune honetan. Karbono-zuntzezko isolamendu termikoko feltro leunak abantaila handia du erdieroale fotovoltaikoen industrian, kostu abantailagatik, isolamendu termiko efektu bikainagatik, diseinu malgua eta forma pertsonalizagarriagatik. Horrez gain, karbono-zuntzezko isolamendu termiko gogorraren sentimenduak garapen-espazio handiagoa izango du eremu termikoko materialen merkatuan bere sendotasun eta funtzionagarritasun handiagoa dela eta. Isolamendu termikoko materialen alorrean ikerketa eta garapenarekin konprometituta gaude, eta produktuaren errendimendua etengabe optimizatzen dugu erdieroale fotovoltaikoen industriaren oparotasuna eta garapena sustatzeko.
Argitalpenaren ordua: 2024-06-12