La production d'énergie solaire photovoltaïque est devenue l'un des secteurs des énergies nouvelles les plus prometteurs au monde. Comparé aux cellules solaires en polysilicium et en silicium amorphe, le silicium monocristallin, en tant que matériau photovoltaïque, présente un rendement de conversion photoélectrique élevé et des avantages commerciaux considérables, ce qui en fait le matériau de référence pour la production d'énergie solaire photovoltaïque. La méthode Czochralski (CZ) est l'une des principales méthodes de préparation du silicium monocristallin. Un four Czochralski pour la production de silicium monocristallin comprend un système de four, un système de vide, un système d'alimentation en gaz, un système de champ thermique et un système de contrôle électrique. Le système de champ thermique est un paramètre essentiel à la croissance du silicium monocristallin, et la qualité de ce dernier est directement influencée par la distribution du gradient de température au sein du champ thermique.
Les composants du champ thermique sont principalement composés de matériaux carbonés (graphite et composites carbone/carbone) et se répartissent, selon leur fonction, en éléments de support, éléments fonctionnels, éléments chauffants, éléments de protection, matériaux d'isolation thermique, etc., comme illustré sur la figure 1. L'augmentation constante de la taille des cellules de silicium monocristallin entraîne une hausse des exigences dimensionnelles pour ces composants. Grâce à leur stabilité dimensionnelle et à leurs excellentes propriétés mécaniques, les composites carbone/carbone sont devenus le matériau de choix pour le champ thermique du silicium monocristallin.
Lors du procédé de fabrication du silicium monocristallin par lixiviation czochralcienne, la fusion du silicium produit des vapeurs et des projections de silicium fondu, provoquant une corrosion par silicification des matériaux de champ thermique carbone/carbone. Cette corrosion affecte considérablement les propriétés mécaniques et la durée de vie de ces matériaux. Par conséquent, la réduction de cette corrosion et l'amélioration de la durée de vie des matériaux de champ thermique carbone/carbone constituent une préoccupation majeure pour les fabricants de silicium monocristallin et de matériaux de champ thermique carbone/carbone.revêtement en carbure de siliciumest devenu le premier choix pour la protection des revêtements de surface des matériaux de champ thermique carbone/carbone grâce à son excellente résistance aux chocs thermiques et à l'usure.
Cet article présente, à partir des matériaux de champ thermique carbone/carbone utilisés dans la production de silicium monocristallin, les principales méthodes de préparation, ainsi que les avantages et les inconvénients du revêtement en carbure de silicium. Il passe ensuite en revue les applications et les progrès de la recherche concernant ce revêtement, en tenant compte des caractéristiques des matériaux de champ thermique carbone/carbone, et propose des pistes de développement pour la protection de surface de ces matériaux.
1 Technologie de préparation derevêtement en carbure de silicium
1.1 Méthode d'intégration
La méthode d'enrobage est fréquemment utilisée pour la préparation du revêtement interne en carbure de silicium dans les matériaux composites C/C-SiC. Elle consiste à enrober le matériau composite carbone/carbone d'une poudre mixte, puis à effectuer un traitement thermique à une température donnée. Une série de réactions physico-chimiques complexes se produisent alors entre la poudre et la surface de l'échantillon, formant ainsi le revêtement. Ses avantages résident dans la simplicité du procédé : une seule étape suffit pour obtenir des matériaux composites à matrice dense et sans fissures ; les variations dimensionnelles entre la préforme et le produit final sont minimes ; le procédé convient à toute structure renforcée par fibres ; un gradient de composition peut se former entre le revêtement et le substrat, assurant une bonne adhésion. Cependant, il présente également des inconvénients : les réactions chimiques à haute température peuvent endommager les fibres et entraîner une diminution des propriétés mécaniques de la matrice carbone/carbone. L'uniformité du revêtement est difficile à contrôler, notamment en raison de facteurs tels que la gravité, qui peuvent engendrer des irrégularités.
1.2 Méthode d'enrobage par suspension
La méthode de revêtement par barbotine consiste à mélanger le matériau de revêtement et le liant, puis à appliquer uniformément le mélange au pinceau sur la surface du support. Après séchage sous atmosphère inerte, l'échantillon revêtu est fritté à haute température, ce qui permet d'obtenir le revêtement souhaité. Ce procédé présente l'avantage d'être simple et facile à mettre en œuvre, et l'épaisseur du revêtement est facile à contrôler. Ses inconvénients résident dans la faible adhérence entre le revêtement et le substrat, la faible résistance aux chocs thermiques et la faible uniformité du revêtement.
1.3 Méthode de réaction chimique en phase vapeur
La méthode de réaction chimique en phase vapeur (RCV) est un procédé qui consiste à vaporiser du silicium solide à une température donnée. Cette vapeur de silicium diffuse ensuite à l'intérieur et à la surface de la matrice et réagit in situ avec le carbone qu'elle contient pour former du carbure de silicium. Ses avantages comprennent une atmosphère uniforme dans le four, une vitesse de réaction constante et une épaisseur de dépôt homogène. Le procédé est simple et facile à mettre en œuvre, et l'épaisseur du revêtement peut être contrôlée en modifiant la pression de vapeur de silicium, le temps de dépôt et d'autres paramètres. Son principal inconvénient réside dans la forte sensibilité de l'échantillon à sa position dans le four, et dans le fait que la pression de vapeur de silicium n'atteint pas l'uniformité théorique, ce qui entraîne une épaisseur de revêtement irrégulière.
1.4 Méthode de dépôt chimique en phase vapeur
Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est un procédé utilisant des hydrocarbures comme source gazeuse et un mélange N₂/Ar de haute pureté comme gaz vecteur. Ces gaz sont introduits dans un réacteur CVD, où les hydrocarbures se décomposent, se synthétisent, se diffusent, s'adsorbent et se séparent sous une température et une pression contrôlées, formant ainsi des films solides à la surface de matériaux composites carbone/carbone. Ce procédé présente l'avantage de permettre un contrôle précis de la densité et de la pureté du revêtement. Il convient également aux pièces de formes complexes. La structure cristalline et la morphologie de surface du produit peuvent être maîtrisées par l'ajustement des paramètres de dépôt. Ses inconvénients sont un faible taux de dépôt, une complexité de mise en œuvre, un coût de production élevé et la possibilité d'apparition de défauts de revêtement tels que des fissures, des défauts de maillage et des imperfections de surface.
En résumé, la méthode d'enrobage, de par ses caractéristiques technologiques, est adaptée au développement et à la production de matériaux de laboratoire et de petite taille. La méthode de revêtement, quant à elle, ne convient pas à la production de masse en raison de son manque d'homogénéité. La méthode CVD permet la production en série de produits de grande taille, mais elle exige un équipement et une technologie plus performants. La méthode CVD est idéale pour la préparation de matériaux.revêtement SICmais son coût est plus élevé que celui de la méthode CVR en raison de sa difficulté à contrôler les processus.
Date de publication : 22 février 2024