เทคโนโลยีเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์และการประยุกต์ในด้านไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

I. โครงสร้างและคุณสมบัติของซิลิคอนคาร์ไบด์

ซิลิคอนคาร์ไบด์ SiC ประกอบด้วยซิลิคอนและคาร์บอน เป็นสารประกอบโพลีมอร์ฟิกทั่วไป ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วย α-SiC (ชนิดเสถียรที่อุณหภูมิสูง) และ β-SiC (ชนิดเสถียรที่อุณหภูมิต่ำ) มีโพลีมอร์ฟมากกว่า 200 แบบ โดยในจำนวนนี้ 3C-SiC ของ β-SiC และ 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC และ 15R-SiC ของ α-SiC เป็นตัวแทนมากกว่า

โครงสร้างโพลีมอร์ฟของรูป SiC เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 1,600°C SiC จะอยู่ในรูปของ β-SiC ซึ่งสามารถทำจากส่วนผสมง่ายๆ ของซิลิคอนและคาร์บอนที่อุณหภูมิประมาณ 1,450°C เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 1,600°C β-SiC จะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นโพลีมอร์ฟต่างๆ ของ α-SiC 4H-SiC สร้างได้ง่ายที่อุณหภูมิประมาณ 2000°C; โพลีไทป์ 6H และ 15R นั้นง่ายต่อการสร้างที่อุณหภูมิสูงกว่า 2100°C; 6H-SiC ยังคงเสถียรมากที่อุณหภูมิสูงกว่า 2200°C ดังนั้นจึงพบได้ทั่วไปในการใช้งานทางอุตสาหกรรม ซิลิคอนคาร์ไบด์บริสุทธิ์เป็นคริสตัลไม่มีสีและโปร่งใส ซิลิคอนคาร์ไบด์อุตสาหกรรมไม่มีสี สีเหลืองอ่อน สีเขียวอ่อน สีเขียวเข้ม สีฟ้าอ่อน สีน้ำเงินเข้ม และสีดำ โดยระดับความโปร่งใสจะลดลงตามลำดับ อุตสาหกรรมสารขัดถูแบ่งซิลิคอนคาร์ไบด์ออกเป็นสองประเภทตามสี: ซิลิคอนคาร์ไบด์สีดำและซิลิคอนคาร์ไบด์สีเขียว สีเขียวที่ไม่มีสีถึงเข้มจัดเป็นซิลิคอนคาร์ไบด์สีเขียว และสีฟ้าอ่อนถึงสีดำจัดเป็นซิลิคอนคาร์ไบด์สีดำ ทั้งซิลิคอนคาร์ไบด์สีดำและซิลิคอนคาร์ไบด์สีเขียวเป็นผลึกหกเหลี่ยม α-SiC โดยทั่วไป เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์จะใช้ผงซิลิกอนคาร์ไบด์สีเขียวเป็นวัตถุดิบ

2. กระบวนการเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์

วัสดุเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ทำโดยการบด บด และคัดเกรดวัตถุดิบซิลิกอนคาร์ไบด์เพื่อให้ได้อนุภาค SiC ที่มีการกระจายขนาดอนุภาคสม่ำเสมอ จากนั้นกดอนุภาค SiC สารเติมแต่งการเผาผนึกและกาวชั่วคราวลงในช่องว่างสีเขียว จากนั้นจึงเผาที่อุณหภูมิสูง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากพันธะโควาเลนต์สูงของพันธะ Si-C (~88%) และค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ต่ำ ปัญหาหลักประการหนึ่งในกระบวนการเตรียมการคือความยากลำบากในการเผาผนึกให้หนาแน่น วิธีการเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ความหนาแน่นสูง ได้แก่ การเผาผนึกปฏิกิริยา การเผาผนึกแบบไร้ความดัน การเผาผนึกความดันบรรยากาศ การเผาผนึกแบบกดร้อน การเผาผนึกตกผลึกซ้ำ การเผาผนึกแบบกดไอโซสแตติกแบบร้อน การเผาผนึกพลาสมาแบบประกายไฟ เป็นต้น

อย่างไรก็ตาม เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์มีข้อเสียคือมีความเหนียวแตกหักต่ำ กล่าวคือ มีความเปราะมากกว่า ด้วยเหตุนี้ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เซรามิกหลายเฟสที่ใช้เซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ เช่น การเสริมแรงด้วยเส้นใย (หรือวิสเกอร์) การเสริมการกระจายตัวของอนุภาคต่างกัน และวัสดุเชิงกราเดียนต์ได้ปรากฏขึ้นทีละชิ้นๆ เพื่อปรับปรุงความเหนียวและความแข็งแรงของวัสดุโมโนเมอร์

3. การใช้เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ในสนามไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์มีความทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม สามารถต้านทานการกัดกร่อนของสารเคมี ยืดอายุการใช้งาน และจะไม่ปล่อยสารเคมีที่เป็นอันตราย ซึ่งตรงตามข้อกำหนดการปกป้องสิ่งแวดล้อม ในเวลาเดียวกัน ส่วนรองรับเรือซิลิคอนคาร์ไบด์ก็มีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนที่ดีกว่าเช่นกัน แม้ว่าราคาของวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์เองจะค่อนข้างสูง แต่ความทนทานและความเสถียรสามารถลดต้นทุนการดำเนินงานและความถี่ในการเปลี่ยนได้ ในระยะยาวจะมีประโยชน์ทางเศรษฐกิจสูงกว่าและกลายเป็นผลิตภัณฑ์หลักในตลาดสนับสนุนเรือไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

เมื่อใช้เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุหลักในการพาหะในกระบวนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ ส่วนรองรับเรือ กล่องใส่เรือ อุปกรณ์ท่อ และผลิตภัณฑ์อื่นๆ ที่ผลิตขึ้นจะมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดี จะไม่เปลี่ยนรูปที่อุณหภูมิสูง และไม่มีสารมลพิษที่ตกตะกอนที่เป็นอันตราย สามารถใช้แทนส่วนรองรับเรือควอทซ์ กล่องใส่เรือ และอุปกรณ์ท่อที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบัน และมีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนอย่างมาก ส่วนรองรับเรือซิลิคอนคาร์ไบด์ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุหลัก เมื่อเปรียบเทียบกับส่วนรองรับเรือควอทซ์แบบดั้งเดิม ส่วนรองรับเรือซิลิคอนคาร์ไบด์มีเสถียรภาพทางความร้อนได้ดีกว่า และสามารถรักษาเสถียรภาพในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงได้ ส่วนรองรับเรือซิลิคอนคาร์ไบด์ทำงานได้ดีในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง และไม่ได้รับผลกระทบจากความร้อนได้ง่าย และการเสียรูปหรือเสียหาย เหมาะสำหรับกระบวนการผลิตที่ต้องการการบำบัดด้วยอุณหภูมิสูงซึ่งเอื้อต่อการรักษาเสถียรภาพและความสม่ำเสมอของกระบวนการผลิต

อายุการใช้งาน: ตามการวิเคราะห์รายงานข้อมูล: อายุการใช้งานของเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์นั้นมากกว่า 3 เท่าของส่วนรองรับเรือ กล่องใส่เรือ และอุปกรณ์ท่อที่ทำจากวัสดุควอตซ์ ซึ่งช่วยลดความถี่ในการเปลี่ยนวัสดุสิ้นเปลืองได้อย่างมาก