טכנולוגיית קרמיקה סיליקון קרביד ויישומה בתחום הפוטו-וולטאי

I. מבנה ותכונות של סיליקון קרביד

סיליקון קרביד SiC מכיל סיליקון ופחמן. זוהי תרכובת פולימורפית טיפוסית, הכוללת בעיקר α-SiC (סוג יציב בטמפרטורה גבוהה) ו-β-SiC (סוג יציב בטמפרטורה נמוכה). ישנם יותר מ-200 פולימורפים, ביניהם 3C-SiC של β-SiC ו-2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC ו-15R-SiC של α-SiC מייצגים יותר.

איור מבנה פולימורפי SiC כאשר הטמפרטורה היא מתחת ל-1600℃, SiC קיים בצורה של β-SiC, שניתן להכין מתערובת פשוטה של ​​סיליקון ופחמן בטמפרטורה של כ-1450℃. כאשר הוא גבוה מ-1600℃, β-SiC הופך באיטיות לפולימורפים שונים של α-SiC. קל ליצור 4H-SiC בסביבות 2000℃; קל ליצור פוליטיפים 6H ו-15R בטמפרטורות גבוהות מעל 2100℃; 6H-SiC יכול גם להישאר יציב מאוד בטמפרטורות מעל 2200℃, כך שהוא נפוץ יותר ביישומים תעשייתיים. סיליקון קרביד טהור הוא גביש חסר צבע ושקוף. סיליקון קרביד תעשייתי הוא חסר צבע, צהוב בהיר, ירוק בהיר, ירוק כהה, תכלת, כחול כהה ואפילו שחור, כאשר מידת השקיפות פוחתת בתורה. תעשיית השוחקים מחלקת את סיליקון קרביד לשתי קטגוריות לפי צבע: סיליקון קרביד שחור וסיליקון קרביד ירוק. חסרי צבע עד ירוק כהה מסווגים כסיליקון קרביד ירוק, ותכלת עד שחור מסווגים כסיליקון קרביד שחור. גם סיליקון קרביד שחור וגם סיליקון קרביד ירוק הם גבישים משושה α-SiC. בדרך כלל, קרמיקת סיליקון קרביד משתמשת באבקת סיליקון קרביד ירוקה כחומרי גלם.

2. תהליך הכנת קרמי סיליקון קרביד

חומר קרמי סיליקון קרביד מיוצר על ידי ריסוק, טחינה ודירוג חומרי גלם סיליקון קרביד לקבלת חלקיקי SiC עם חלוקת גודל חלקיקים אחידה, ולאחר מכן לחיצה על חלקיקי ה-SiC, תוספי ה-Sintering והדבקים הזמניים לריק ירוק, ולאחר מכן סינטר בטמפרטורה גבוהה. עם זאת, בשל מאפייני הקשר הקוולנטיים הגבוהים של קשרי Si-C (~88%) ומקדם דיפוזיה נמוך, אחת הבעיות העיקריות בתהליך ההכנה היא הקושי בצפיפות סינטר. שיטות ההכנה של קרמיקה סיליקון קרביד בצפיפות גבוהה כוללות סינטר תגובה, סינטר ללא לחץ, סינון בלחץ אטמוספרי, סינטר בכבישה חמה, סינטר גיבוש מחדש, סינטר לחיצה איזוסטטית חמה, סינטר פלזמה ניצוץ וכו'.

עם זאת, לקרמיקת סיליקון קרביד יש את החיסרון של קשיחות שבר נמוכה, כלומר, פריכות גדולה יותר. מסיבה זו, בשנים האחרונות הופיעו בזה אחר זה קרמיקה רב-פאזית המבוססת על קרמיקת סיליקון קרביד, כגון חיזוק סיבים (או שפם), חיזוק פיזור חלקיקים הטרוגני וחומרים פונקציונליים מדורגים, המשפרים את הקשיחות והחוזק של חומרים מונומרים.

3. יישום של קרמיקה סיליקון קרביד בתחום הפוטו-וולטאי

קרמיקת סיליקון קרביד היא בעלת עמידות בפני קורוזיה מצוינת, יכולה להתנגד לשחיקה של חומרים כימיים, להאריך את חיי השירות, ולא תשחרר כימיקלים מזיקים, העומדים בדרישות הגנת הסביבה. יחד עם זאת, לתמיכות סירות סיליקון קרביד יש גם יתרונות עלות טובים יותר. למרות שהמחיר של חומרי סיליקון קרביד עצמם גבוה יחסית, העמידות והיציבות שלהם יכולים להפחית את עלויות התפעול ותדירות ההחלפה. בטווח הארוך, יש להם יתרונות כלכליים גבוהים יותר והם הפכו למוצרים המרכזיים בשוק התמיכה בסירות פוטו-וולטאיות.

כאשר קרמיקה סיליקון קרביד משמשת כחומרי נשיאה מרכזיים בתהליך הייצור של תאים פוטו-וולטאיים, תומכי הסירה, קופסאות הסירה, אביזרי הצינור ומוצרים אחרים שיוצרו הינם בעלי יציבות תרמית טובה, אינם מעוותים בטמפרטורות גבוהות, ואין בהם מזהמים משקעים מזיקים. הם יכולים להחליף את תומכי סירות הקוורץ הנפוצים כיום, קופסאות הסירה ואביזרים לצינורות, ויש להם יתרונות משמעותיים בעלות. תומכי סירות סיליקון קרביד עשויים מסיליקון קרביד כחומר העיקרי. בהשוואה לתומכי סירות קוורץ מסורתיים, לתומכי סירות סיליקון קרביד יש יציבות תרמית טובה יותר ויכולים לשמור על יציבות בסביבות טמפרטורות גבוהות. תומכי סירות סיליקון קרביד מתפקדים היטב בסביבות טמפרטורות גבוהות ואינם מושפעים בקלות מחום ומעוותים או ניזוקים. הם מתאימים לתהליכי ייצור הדורשים טיפול בטמפרטורה גבוהה, דבר המסייע לשמירה על יציבות ועקביות תהליך הייצור.

חיי שירות: על פי ניתוח דוח הנתונים: חיי השירות של קרמיקה סיליקון קרביד הם יותר מפי 3 מתומכי סירה, קופסאות סירה ואביזרים לצינורות העשויים מחומרי קוורץ, מה שמפחית מאוד את תדירות ההחלפה של חומרים מתכלים.