炭化ケイ素セラミック技術と太陽光発電分野への応用

I. 炭化ケイ素の構造と性質

炭化ケイ素SiCはケイ素と炭素を含んでいます。代表的な多形化合物であり、主にα-SiC（高温安定型）とβ-SiC（低温安定型）が含まれます。多形体は 200 以上あり、β-SiC の 3C-SiC、α-SiC の 2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC が代表的です。

図 SiC の多形構造 温度が 1600℃以下の場合、SiC は β-SiC の形で存在し、約 1450℃の温度でシリコンと炭素の単純な混合物から生成できます。 1600℃を超えると、β-SiC はゆっくりとα-SiC のさまざまな多形に変化します。 4H-SiCは2000℃付近で生成しやすい。 6H および 15R ポリタイプは 2100℃ 以上の高温で容易に生成します。 6H-SiC は 2200℃ 以上の温度でも非常に安定した状態を保つことができるため、産業用途でより一般的です。純粋な炭化ケイ素は無色透明の結晶です。工業用炭化ケイ素は、無色、淡黄色、淡緑色、濃緑色、淡青色、濃青色、さらには黒色であり、透明度が順に低くなります。研磨業界では、炭化ケイ素を色に応じて黒色の炭化ケイ素と緑色の炭化ケイ素の 2 つのカテゴリーに分類しています。無色から濃緑色のものは緑色炭化ケイ素、淡青色から黒色のものは黒色炭化ケイ素に分類されます。黒色炭化珪素、緑色炭化珪素はいずれもα-SiC六方晶系結晶である。一般に、炭化ケイ素セラミックスは、緑色の炭化ケイ素粉末を原料として使用します。

2. 炭化ケイ素セラミックスの作製工程

炭化ケイ素セラミック材料は、炭化ケイ素原料を粉砕、粉砕、分級して均一な粒度分布のSiC粒子を得た後、SiC粒子、焼結添加剤、仮接着剤をグリーンブランクにプレスし、高温で焼結して製造されます。しかし、Si-C 結合の高い共有結合特性 (約 88%) と低い拡散係数により、製造プロセスにおける主な問題の 1 つは焼結緻密化の難しさです。高密度炭化ケイ素セラミックスの作製方法には、反応焼結、常圧焼結、常圧焼結、ホットプレス焼結、再結晶焼結、熱間静水圧プレス焼結、放電プラズマ焼結などが含まれます。

しかしながら、炭化ケイ素セラミックスには、破壊靱性が低い、つまり脆さが大きいという欠点がある。このため、近年では炭化ケイ素セラミックスをベースとした繊維（ウィスカー）強化材、不均一粒子分散強化材、傾斜機能材料などの多相セラミックスが次々に登場し、モノマー材料の靱性や強度を向上させています。

3. 太陽光発電分野における炭化ケイ素セラミックスの応用

炭化ケイ素セラミックは耐食性に優れ、化学物質の侵食に耐え、耐用年数を延ばし、有害な化学物質を放出しないため、環境保護要件を満たしています。同時に、炭化ケイ素ボートサポートにはコスト面でも優れた利点があります。炭化ケイ素材料自体の価格は比較的高価ですが、その耐久性と安定性により、運用コストと交換頻度を削減できます。長期的には、より高い経済的メリットがあり、太陽光発電ボートサポート市場の主流の製品となっています。

太陽電池の製造プロセスで主要な担体材料として炭化ケイ素セラミックが使用される場合、製造されるボートサポート、ボートボックス、パイプ継手およびその他の製品は良好な熱安定性を持ち、高温でも変形せず、有害な沈殿汚染物質がありません。これらは、現在一般的に使用されている石英製ボート サポート、ボート ボックス、およびパイプ継手を置き換えることができ、コスト面で大きな利点があります。炭化ケイ素ボートサポートは炭化ケイ素を主材料として作られています。従来の石英ボート サポートと比較して、炭化ケイ素ボート サポートは熱安定性に優れており、高温環境でも安定性を維持できます。炭化ケイ素ボートサポートは高温環境でも優れた性能を発揮し、熱の影響を受けにくく変形したり損傷したりしません。高温処理を必要とする生産プロセスに適しており、生産プロセスの安定性と一貫性を維持するのに役立ちます。

耐用年数: データレポート分析によると: 炭化ケイ素セラミックスの耐用年数は、石英材料で作られたボートサポート、ボートボックス、パイプ継手の 3 倍以上であり、消耗品の交換頻度が大幅に減少します。