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光伏行业的生产单晶硅的C/C热场材料

单晶硅生长炉

生产单晶硅主要有Cz法和浮游带区(Fz)法。图1是Cz单晶硅炉的结构示意图,在氩气保护下,将多晶硅加热到1500℃左右,使其熔融:由炉上部旋转垂放晶籽(种)拉线,使其与熔融硅面接触,并使熔融硅面保温在1400℃左右,向上提拉晶籽而单晶硅也随之逐步生成,一直生长到设计的尺寸,如15.24、20.32、25.4和30.48cm。由图1可知,工作室内除了熔融硅和拉制的单晶硅外,热场材料主要是高纯石墨和C/C复合材料,如坩埚、发热体、保温筒等,以保证单晶硅制品的纯度。


坩埚

拉制单晶硅采用组合式坩埚,外为C/C坩埚,内为石英坩埚。这是因为熔融硅的温度与石英熔点相近,都在1420℃左右,石英坩埚在这温度下处于软化状态,没有承重能力,外部C/C坩埚是承重的主体。但是,熔融硅不能直接与C/C坩埚接触,以防SiC的生成,因而采用了组合式坩埚。制造高纯度C/C复合材料坩埚的流程很长,从原材料的选择、准备、坯体的制造、增密、纯化、热处理等等, 生产工艺过程长。图2中列出了坩埚制备的一般生产路线。根据使用要求选择炭纤维, 预制成2-多维炭纤维多孔坯体;对坯体进行纯化后进行增密;纯化和高温热处理。材料制备过程中视情况可穿插安排多次纯化和石墨化处理。根据材料性能要求, 可以只采用化学气相沉积(CVI)增密工艺, 也可以采用CVI和浸渍复合增密工艺;例如:可以先浸渍树脂或沥青, 达到一定的密度后, 再对材料进行化学气相沉积或化学气相渗透;也可以先对坯体进行化学气相沉积至一定的密度, 再进行浸渍增密。中间的炭化和高温热处理主要是为打开多孔坯体表面的气道, 使坯体增密能继续有效进行;纯化处理则是除材料中的金属杂质, 最终的高温处理则主要是对材料进行组织结构的调整, 以保证材料的综合使用性能。

C/C坩埚取代石墨坩埚是技术发展的必然趋势。这是因为拉制单晶硅棒的直径愈来愈大,随之装置大型化。例如,拉制30.48cm单晶硅棒,热场范围约为81.28cm,坩埚外径约为?86cm,外围加热器为?100cm,其它的配套最大部件为?150cm。如此大直径坩埚,用石墨材质制造难度很大,需用C/C工艺制造。此外,C/C复合材料的抗拉伸、抗压缩和抗层间剪切强度比石墨高得多,可承受较大的应力,在高温下不变形,保持原有形状,使用寿命长。

单晶硅的拉制温度为1450℃左右, 石英坩埚的熔点为1750℃, 但当温度达到1200℃时即开始软化, 主要靠外部的石墨或C/C复合材料坩埚支撑。


加热器

在坩埚外围是加热元件,一部分电能使原料硅熔融,大部分电能用于熔融硅的保温,是耗能装置。随着装置大型化,加热元件的尺寸随之增大(?96~?100cm),需用抗拉伸强度和抗压缩强度高的C/C制造。有C/C加热型架和圆形加热器,C/C加热器也有方形的组件,其圆筒状C/C发热体可加热到2500℃。我国湖南南方搏云新材料有限公司与中南大学合作研究大直径(152cm) C/C整体加热器和保温筒。


其它部件

C/C复合材料还可以用来制造热反射屏(筒)、上/下保温盖、防漏盘、螺栓、螺帽等配件,使热场材料几近石墨和C/C复合材料化。图4是C/C复合材料制品和三明治结构的保温筒。

上一条:没有啦!
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