Способ пиролитического уплотнения лент из графитовой фольги

Изобретение может быть использовано для изготовления непроницаемых для расплава кремния графитовых лент, применяемых в электротехнической промышленности при получении элементов солнечных батарей. Ленту из графитовой фольги нагревают в герметичной водоохлаждаемой камере пропусканием электрического тока через участок ленты, проходящий между двумя графитовыми электродами и прижимными элементами при 1800-2000°С и давлении 8-50 мм рт.ст. На поверхности ленты проводят разложение углеводородного реагента. Изобретение позволяет повысить качество уплотнения лент из графитовой фольги и одновременно снизить расход электроэнергии. 2 ил.

 

Изобретение относится к области получения пироуглеродных покрытий, предотвращающих пропитку графитовой фольги расплавом кремния при выращивании на ней поликристалллических слоев кремния, и может быть использовано для изготовления непроницаемых для расплава кремния графитовых лент, используемых в электротехнической промышленности в качестве подложек, на которых выращивают из расплава листовой кремний, применяемый для изготовления элементов солнечных батарей.

Известен способ получения слоев пирографита на поверхности углеродных изделий, включающий схему нагрева внешним нагревателем покрываемых изделий в среде углеводородов (Фиалков А.С., Бавер А.И., Сидоров Н.М., Чайкун М.И. Пирографит. «Успехи химии», 1965, т.34, №1, с.132-153).

К недостаткам известного способа можно отнести преимущественное осаждение пирографита на внешнем нагревателе и подвод к поверхности обрабатываемого изделия реакционных продуктов разложения исходного углеводорода, что снижает качество получаемых покрытий.

Другим недостатком является повышенный расход электроэнергии, связанный с необходимостью значительного перегрева внешнего нагревателя относительно обрабатываемых изделий.

Еще одним недостатком известного способа является необходимость частой замены нагревателей из-за их растрескивания после пропитки пироуглеродом.

Известен способ получения слоев пирографита на поверхности гибкой графитовой фольги, включающий нагрев исходной ленты и термическое разложение метана на ее поверхности при температуре 2200°С (Belouet С. Growth of silicon ribbons by the RAD process. «J.Crystal Growth», 1987, v.82, №1/2, p.110-116).

Недостатком данного способа является то, что осаждение пироуглерода на смотанную в рулон ленту фольги приводит к дополнительному расходу электроэнергии. После пироуплотнения лента фольги становится жесткой и плохо сматывается, с трудом поддается натяжению, обеспечивающему хорошую плоскостность в процессе выращивания слоев кремния.

Другим недостатком способа-прототипа является значительный расход электроэнергии, связанный с использованием схемы нагрева внешним нагревателем.

Вышеприведенный способ пиролитического уплотнения лент из графитовой фольги наиболее близок по технической сущности к заявляемому способу, поэтому выбран в качестве прототипа.

Технический результат, получаемый при осуществлении настоящего способа, выражается в повышении качества пиролитического уплотнения лент из графитовой фольги за счет эффективного перекрытия пор на ее поверхности и одновременном снижении удельного расхода электроэнергии.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе, включающем нагрев ленты из графитовой фольги и термическое разложение углеводородного реагента на поверхности ленты, нагрев осуществляется пропусканием электрического тока через участок ленты, проходящий между двумя графитовыми электродами и прижимными элементами, причем температуру нагретого участка поддерживают в пределах 1800-2000°С, а давление углеводородного реагента - от 8 до 50 мм рт.ст.

В предлагаемом способе лента графитовой фольги перематывается с одной электроизолированной бобины на другую, в промежутке между бобинами перематываемая лента контактирует с горизонтально размещенными графитовыми электродами. Для улучшения электрического контакта между электродами и лентой используется прижимные элементы - щетки, состоящие из графитового каркаса и слоя мягкого углеродного войлока.

Схема практического осуществления заявляемого способа иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 и 2.

В вакуумноплотной водоохлаждаемой камере 1 размещены две электрически изолированные от корпуса камеры бобины: пассивная 2, на которой намотана фольга, и активная 3, на которую наматывается уплотненная пирографитом фольга. Бобина 3 снабжена механизмом ее вращения (на чертеже не показан). В промежутке между бобинами 2 и 3 размещены два графитовых электрода 4 и 5, между которыми подается постоянное либо переменное напряжение U. Для улучшения электрического контакта между фольгой и электродами используются прижимные щетки 6 и 7, состоящие из графитового каркаса и слоя мягкого углеродного войлока 8. В камеру 1 непрерывно подается метан CH₄ через штуцер 9. После пиролиза метана на поверхности нагретой до 1800-2000°С фольги реакционные продукты выводятся вакуумным насосом 10 и дожигаются на горелке 11.

Пример 1. Уплотняют пироуглеродом ленту из графитовой фольги средней плотностью 1, 2 г/см³, толщиной 0,2 мм, шириной 12 см и длиной 800 см. Намотанную на пассивную бобину 2 ленту пропускают через пару графитовых электродов 4 и 5 диаметром 45 мм каждый и направляют на активную бобину 3. Герметично закрыв вакуумноплотную водоохлаждаемую камеру 1, откачивают ее вакуумным насосом 10 до давления 0,1 мм рт.ст. Через штуцер 9 подают метан, а на горелке 11 выходной магистрали вакуумного насоса 10 зажигают факел. Затем с помощью регулируемого вентиля устанавливают давление метана 15 мм рт.ст. Включают электропривод вращения активной бобины 3, установив линейную скорость перемещения ленты 10 см/мин. На графитовые электроды 4 и 5 подают напряжение от источника тока, измеряя температуру нагреваемого участка ленты с помощью радиационного пирометра. При токе 370 А и напряжении 17 В температура ленты составляет 1800°С, в дальнейшем ее не изменяют.

Через 1, 2 ч после выработки выключают электропривод вращения активной бобины 3 и источник напряжения, а также перекрывают подачу газа. После вскрытия камеры 1 извлекают покрытую на длине 720 см пироуглеродом ленту. Визуально осадок имеет металлический блеск, гидростатическое взвешивание показывает, что содержание пироуглерода в материале ленты составляет 12%. Толщина слоя пироуглерода достигает 7 мкм. Наблюдается выравнивание поверхности ленты по сравнению с исходной. Расход силовой электроэнергии составил 7, 6 кВт·ч или 0,00088 кВт·ч на 1 см² ленты фольги.

Пример 2. То же, что и в примере 1, но давление метана в реакционной камере поддерживали на уровне 7,5 мм рт.ст. После извлечения ленты фольги осадок пироуглерода визуально не наблюдался. Гидростатическое взвешивание образца фольги в пределах точности измерения привеса не показало.

Пример 3. То же, что и в примере 1, но давление метана в реакционной камере поддерживали на уровне 55 мм рт.ст. Поверхность фольги не имеет металлического блеска и покрыта плотным слоем сажи. Привес составил 15,5%.

Пример 4. Уплотняют пироуглеродом ленту из графитовой фольги средней плотностью 1,2 г/см³, толщиной 0,2 мм, шириной 12 см и длиной 850 см. Намотанную на пассивную бобину 2 ленту пропускают через пару графитовых электродов 4 и 5 диаметром 45 мм каждый и направляют на активную бобину 3. Герметично закрыв вакуумноплотную водоохлаждаемую камеру 1, откачивают ее вакуумным насосом 10 до давления 0,1 мм рт.ст. Через штуцер 9 подают метан, а на горелке 11 выходной магистрали вакуумного насоса 10 зажигают факел. Затем с помощью регулируемого вентиля устанавливают давление метана 21 мм рт.ст. Включают электропривод вращения активной бобины 3, установив линейную скорость перемещения ленты 10 см/мин. На графитовые электроды 4 и 5 подают напряжение от источника тока, измеряя температуру нагреваемого участка ленты с помощью радиационного пирометра. При токе 420 А температура ленты составляет 2000°С, в дальнейшем ее не изменяют.

Через 1, 3 ч после выработки выключают электропривод вращения активной бобины 3 и источник напряжения, а также перекрывают подачу газа. После вскрытия камеры 1 извлекают покрытую на длине 740 см пироуглеродом ленту. Визуально осадок имеет металлический блеск, гидростатическое взвешивание показывает, что содержание пироуглерода в материале ленты составляет 15%. В этом случае толщина слоя пироуглерода составляет 9 мкм. Наблюдается выравнивание поверхности ленты по сравнению с исходной. Расход силовой электроэнергии составил 9,3 кВт·ч или 0,001 кВт·ч на 1 см² ленты фольги.

Пример 5.

Лента углеродной фольги плотностью 1,2 г/см³, толщиной 0,2 мм и длиной 12 м, смотанная в рулон, была размещена внутри цилиндрического графитового нагревателя диаметром 120 мм. После выхода на температуру 2100°С в течение 3,5 часов в реакционный объем подавался метан. Толщина слоя пироуглерода в среднем достигла 6 мкм, но лента фольги приняла форму спирали и использовать ее в кристаллизационном процессе стало практически невозможно. Расход электроэнергии составил 122,5 кВт·ч или 0,0085 кВт·ч на 1 см² ленты фольги, что примерно в 10 раз больше, чем в примере 1.

Если парциальное давление углеводородов ниже 8 мм рт.ст., то концентрации углерода в атмосфере камеры недостаточно для получения плотного слоя пироуглерода.

Если поднять парциальное давление углеводородов на более чем 50 мм рт.ст., то на поверхности ленты фольги высаживается сажа, что в дальнейшем приводит к образованию микровключений карбида кремния и снижению эффективности солнечных элементов.

Если температура прогреваемого участка ленты фольги будет ниже 1800°С, то в указанном диапазоне давлений углеводородного реагента заметного осадка пироуглерода не возникнет.

При превышении температуры свыше 2000°С плотность осадка становится настолько высокой, что в дальнейшем поверхность ленты фольги перестает смачиваться расплавленным кремнием. Кроме того, лента становится крайне хрупкой. Увеличивается удельный расход электроэнергии.

Способ пиролитического уплотнения лент из графитовой фольги, включающий нагрев ленты и термическое разложение углеводородного реагента на ее поверхности, отличающийся тем, что нагрев осуществляется в герметичной водоохлаждаемой камере пропусканием электрического тока через участок ленты, проходящий между двумя графитовыми электродами и прижимными элементами при температуре 1800-2000°С и давлении углеводородного реагента от 8 до 50 мм рт.ст.