Siliziumkarbid-Keramiktechnologie und ihre Anwendung im Photovoltaikbereich

I. Struktur und Eigenschaften von Siliziumkarbid

Siliziumkarbid SiC enthält Silizium und Kohlenstoff. Es handelt sich um eine typische polymorphe Verbindung, die hauptsächlich α-SiC (hochtemperaturstabiler Typ) und β-SiC (niedertemperaturstabiler Typ) umfasst. Es gibt mehr als 200 Polymorphe, von denen 3C-SiC von β-SiC und 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC und 15R-SiC von α-SiC repräsentativer sind.

Abbildung Polymorphe SiC-Struktur Wenn die Temperatur unter 1600 °C liegt, liegt SiC in Form von β-SiC vor, das aus einer einfachen Mischung aus Silizium und Kohlenstoff bei einer Temperatur von etwa 1450 °C hergestellt werden kann. Bei Temperaturen über 1600℃ wandelt sich β-SiC langsam in verschiedene Polymorphe von α-SiC um. 4H-SiC lässt sich leicht bei etwa 2000℃ erzeugen; 6H- und 15R-Polytypen lassen sich leicht bei hohen Temperaturen über 2100℃ erzeugen; 6H-SiC kann auch bei Temperaturen über 2200℃ sehr stabil bleiben und kommt daher häufiger in industriellen Anwendungen vor. Reines Siliziumkarbid ist ein farbloser und transparenter Kristall. Industrielles Siliziumkarbid ist farblos, hellgelb, hellgrün, dunkelgrün, hellblau, dunkelblau und sogar schwarz, wobei der Grad der Transparenz wiederum abnimmt. Die Schleifmittelindustrie unterteilt Siliziumkarbid je nach Farbe in zwei Kategorien: schwarzes Siliziumkarbid und grünes Siliziumkarbid. Farblose bis dunkelgrüne Exemplare werden als grünes Siliciumcarbid klassifiziert, und hellblaue bis schwarze Exemplare werden als schwarzes Siliciumcarbid klassifiziert. Sowohl schwarzes als auch grünes Siliziumkarbid sind hexagonale α-SiC-Kristalle. Im Allgemeinen verwenden Siliziumkarbidkeramiken grünes Siliziumkarbidpulver als Rohstoffe.

2. Herstellungsprozess für Siliziumkarbidkeramik

Siliziumkarbid-Keramikmaterial wird hergestellt, indem Siliziumkarbid-Rohstoffe zerkleinert, gemahlen und sortiert werden, um SiC-Partikel mit gleichmäßiger Partikelgrößenverteilung zu erhalten. Anschließend werden die SiC-Partikel, Sinterzusätze und temporäre Klebstoffe zu einem Rohling gepresst und anschließend bei hoher Temperatur gesintert. Aufgrund der hohen kovalenten Bindungseigenschaften von Si-C-Bindungen (~88 %) und des niedrigen Diffusionskoeffizienten ist jedoch eines der Hauptprobleme im Herstellungsprozess die Schwierigkeit der Sinterverdichtung. Zu den Herstellungsmethoden für hochdichte Siliziumkarbidkeramiken gehören Reaktionssintern, druckloses Sintern, Sintern bei Atmosphärendruck, Heißpresssintern, Rekristallisationssintern, heißisostatisches Presssintern, Funkenplasmasintern usw.

Allerdings haben Siliziumkarbidkeramiken den Nachteil einer geringen Bruchzähigkeit, also einer größeren Sprödigkeit. Aus diesem Grund sind in den letzten Jahren nacheinander mehrphasige Keramiken auf der Basis von Siliziumkarbidkeramiken aufgetaucht, wie z. B. Faser- (oder Whisker-) Verstärkung, heterogene Partikeldispersionsverstärkung und Gradientenfunktionsmaterialien, die die Zähigkeit und Festigkeit von Monomermaterialien verbessern.

3. Anwendung von Siliziumkarbidkeramik im Photovoltaikbereich

Siliziumkarbidkeramik weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf, kann der Erosion chemischer Substanzen widerstehen, verlängert die Lebensdauer und setzt keine schädlichen Chemikalien frei, was den Umweltschutzanforderungen entspricht. Gleichzeitig bieten Bootsträger aus Siliziumkarbid auch bessere Kostenvorteile. Obwohl der Preis von Siliziumkarbidmaterialien selbst relativ hoch ist, können ihre Haltbarkeit und Stabilität die Betriebskosten und die Austauschhäufigkeit senken. Langfristig haben sie einen höheren wirtschaftlichen Nutzen und sind zu den Mainstream-Produkten auf dem Markt für Photovoltaik-Bootsunterstützung geworden.

Wenn Siliziumkarbidkeramik als wichtige Trägermaterialien im Produktionsprozess von Photovoltaikzellen verwendet wird, weisen die hergestellten Bootsstützen, Bootskästen, Rohrverbindungen und andere Produkte eine gute thermische Stabilität auf, verformen sich bei hohen Temperaturen nicht und weisen keine schädlichen Schadstoffe auf. Sie können die derzeit häufig verwendeten Quarz-Bootsstützen, Bootskästen und Rohrverbindungen ersetzen und bieten erhebliche Kostenvorteile. Siliziumkarbid-Bootsstützen bestehen aus Siliziumkarbid als Hauptmaterial. Im Vergleich zu herkömmlichen Quarz-Bootsstützen weisen Siliziumkarbid-Bootsstützen eine bessere thermische Stabilität auf und können die Stabilität in Umgebungen mit hohen Temperaturen aufrechterhalten. Bootsstützen aus Siliziumkarbid funktionieren gut in Umgebungen mit hohen Temperaturen und werden nicht so leicht durch Hitze beeinträchtigt und verformt oder beschädigt. Sie eignen sich für Produktionsprozesse, die eine Hochtemperaturbehandlung erfordern, was zur Aufrechterhaltung der Stabilität und Konsistenz des Produktionsprozesses beiträgt.

Lebensdauer: Laut Datenberichtsanalyse: Die Lebensdauer von Siliziumkarbidkeramik ist mehr als dreimal so hoch wie die von Bootsstützen, Bootskästen und Rohrverbindungsstücken aus Quarzmaterialien, was die Häufigkeit des Austauschs von Verbrauchsmaterialien erheblich reduziert.