Wytwarzanie energii fotowoltaicznej stało się najbardziej obiecującą nową gałęzią przemysłu energetycznego na świecie. W porównaniu z ogniwami słonecznymi z polikrzemu i krzemu amorficznego, krzem monokrystaliczny, jako materiał do wytwarzania energii fotowoltaicznej, charakteryzuje się wysoką wydajnością konwersji fotoelektrycznej i wyjątkowymi zaletami komercyjnymi, dzięki czemu stał się głównym nurtem wytwarzania energii fotowoltaicznej. Czochralskiego (CZ) jest jedną z głównych metod otrzymywania krzemu monokrystalicznego. Skład pieca monokrystalicznego Czochralskiego obejmuje system pieca, system próżniowy, system gazowy, system pola cieplnego i elektryczny system sterowania. Układ pola termicznego jest jednym z najważniejszych warunków wzrostu krzemu monokrystalicznego, a na jakość krzemu monokrystalicznego wpływa bezpośrednio rozkład gradientu temperatury pola termicznego.
Składniki pola termicznego składają się głównie z materiałów węglowych (materiały grafitowe i materiały kompozytowe węgiel/węgiel), które są podzielone na części nośne, części funkcjonalne, elementy grzejne, części ochronne, materiały termoizolacyjne itp., zgodnie z ich funkcjami, jak pokazano na rysunku 1. Wraz ze wzrostem wielkości krzemu monokrystalicznego rosną również wymagania dotyczące wielkości komponentów pola cieplnego. Materiały kompozytowe węgiel/węgiel stają się pierwszym wyborem w przypadku materiałów pola termicznego dla krzemu monokrystalicznego ze względu na ich stabilność wymiarową i doskonałe właściwości mechaniczne.
W procesie czochralcańskiego krzemu monokrystalicznego topienie materiału krzemowego spowoduje wytworzenie pary krzemu i rozprysków stopionego krzemu, co spowoduje erozję krzemionkową materiałów pola termicznego węgiel/węgiel, a właściwości mechaniczne i żywotność materiałów pola termicznego węgiel/węgiel są poważnie dotknięty. Dlatego też, jednym z częstych problemów producentów krzemu monokrystalicznego i producentów materiałów pola termicznego typu węgiel/węgiel, jest to, jak zmniejszyć erozję krzemionkową materiałów pola termicznego typu węgiel/węgiel i poprawić ich żywotność.Powłoka z węglika krzemustał się pierwszym wyborem do ochrony powłok powierzchniowych materiałów węglowych/węglowych wykorzystujących pole termiczne ze względu na doskonałą odporność na szok termiczny i odporność na zużycie.
W artykule, wychodząc od materiałów pola termicznego typu węgiel/węgiel stosowanych w produkcji krzemu monokrystalicznego, przedstawiono główne metody przygotowania, zalety i wady powłok z węglika krzemu. Na tej podstawie dokonano przeglądu zastosowania i postępu badań powłok z węglika krzemu w materiałach typu węgiel/węgiel w polach termicznych pod kątem charakterystyki materiałów typu węgiel/węgiel oraz sugestii i kierunków rozwoju w zakresie ochrony powłok powierzchniowych materiałów typu węgiel/węgiel są wysuwane.
1 Technologia przygotowaniapowłoka z węglika krzemu
1.1 Metoda osadzania
Metoda zatapiania jest często stosowana do przygotowania wewnętrznej powłoki z węglika krzemu w systemie materiałów kompozytowych C/C-sic. W tej metodzie najpierw wykorzystuje się mieszany proszek do owinięcia materiału kompozytowego węgiel/węgiel, a następnie przeprowadza się obróbkę cieplną w określonej temperaturze. Pomiędzy zmieszanym proszkiem a powierzchnią próbki zachodzi szereg złożonych reakcji fizykochemicznych, tworząc powłokę. Jego zaletą jest to, że proces jest prosty, tylko w jednym procesie można uzyskać gęste, pozbawione pęknięć materiały kompozytowe z matrycą; Mała zmiana rozmiaru z preformy do produktu końcowego; Nadaje się do każdej konstrukcji wzmocnionej włóknami; Pomiędzy powłoką a podłożem może powstać pewien gradient składu, który jest dobrze połączony z podłożem. Jednakże istnieją również wady, takie jak reakcja chemiczna w wysokiej temperaturze, która może uszkodzić włókno oraz pogorszenie właściwości mechanicznych węgla/osnowy węglowej. Jednorodność powłoki jest trudna do kontrolowania ze względu na takie czynniki, jak grawitacja, która powoduje nierówność powłoki.
1.2 Metoda powlekania zawiesiną
Metoda powlekania zawiesinowego polega na wymieszaniu materiału powłokowego i spoiwa w mieszaninę, równomiernym nałożeniu pędzlem na powierzchnię matrycy, po wysuszeniu w atmosferze obojętnej powlekaną próbkę spieka się w wysokiej temperaturze i można uzyskać wymaganą powłokę. Zaletą jest to, że proces jest prosty i łatwy w obsłudze, a grubość powłoki można łatwo kontrolować; Wadą jest słaba siła wiązania pomiędzy powłoką a podłożem, a odporność powłoki na szok termiczny jest słaba, a jednorodność powłoki jest niska.
1.3 Metoda reakcji chemicznej z parą
Metoda chemicznej reakcji z parą (CVR) to metoda procesowa, która polega na odparowaniu stałego materiału krzemowego do pary krzemu w określonej temperaturze, a następnie pary krzemu dyfundują do wnętrza i powierzchni matrycy oraz reagują in situ z węglem w matrycy, tworząc węglik krzemu. Jego zalety obejmują jednolitą atmosferę w piecu, stałą szybkość reakcji i grubość osadzania powlekanego materiału w każdym miejscu; Proces jest prosty i łatwy w obsłudze, a grubość powłoki można kontrolować zmieniając prężność pary krzemu, czas osadzania i inne parametry. Wadą jest to, że położenie próbki w piecu ma duży wpływ, a ciśnienie pary krzemu w piecu nie może osiągnąć teoretycznej jednorodności, co powoduje nierówną grubość powłoki.
1.4 Metoda chemicznego osadzania z fazy gazowej
Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) to proces, w którym węglowodory wykorzystuje się jako źródło gazu, a N2/Ar o wysokiej czystości jako gaz nośny do wprowadzania mieszanych gazów do chemicznego reaktora parowego, a węglowodory są rozkładane, syntetyzowane, dyfundowane, adsorbowane i rozdzielane w warunkach określonej temperaturze i ciśnieniu, aby utworzyć stałe warstwy na powierzchni materiałów kompozytowych węgiel/węgiel. Jego zaletą jest możliwość kontrolowania gęstości i czystości powłoki; Nadaje się również do detali o bardziej złożonym kształcie; Strukturę krystaliczną i morfologię powierzchni produktu można kontrolować dostosowując parametry osadzania. Wadą jest to, że szybkość osadzania jest zbyt niska, proces jest złożony, koszt produkcji jest wysoki i mogą występować defekty powłoki, takie jak pęknięcia, defekty siatki i defekty powierzchni.
Podsumowując, metoda osadzania ogranicza się do jej właściwości technologicznych, które są odpowiednie do opracowywania i produkcji materiałów laboratoryjnych i małogabarytowych; Metoda powlekania nie nadaje się do produkcji masowej ze względu na słabą konsystencję. Metoda CVR może sprostać masowej produkcji produktów o dużych rozmiarach, ale ma wyższe wymagania dotyczące sprzętu i technologii. Metoda CVD jest idealną metodą przygotowaniapowłoka SIC, ale jej koszt jest wyższy niż metody CVR ze względu na trudność w kontroli procesu.
Czas publikacji: 22 lutego 2024 r