Аморфный (некристаллический) диоксид кремния с высокой удельной поверхностью в природе в чистом виде почти не встречается. Его можно получить только технологическим способом. Выпускаемый нами высокочистый синтетический кремнезем (аморфный диоксид кремния) под торговой маркой КОВЕЛОС представляет собой очень легкий микронизированный (размер частиц в зависимости от марки от 6 до 40 микрон) порошок белого цвета без вкуса и запаха с нанопористой структурой частиц, с выраженными сорбционными свойствами. Его удельная площадь поверхности составляет 350-400 кв.м. на 1 грамм. Маслоемкость — 300-340 г/100 г.
Среди твёрдых тел аморфный диоксид кремния отличается самыми низкими теплопроводностью (0,02 Вт/(м • К)), скоростью распространения звука (100 м/с) и диэлектрической проницаемостью. Аморфный кремнезем нагреванием (при температуре свыше 1000 градусов по С) переходит в кристаллическую форму.
- нейтрален и химически стоек почти ко всем существующим на нашей планете минеральным и органическим веществам. То есть он безвреден для живых организмов, не токсичен, пожаро- и взрывобезопасен во внешней среде.
- имеет высокую площадь удельной поверхности, из-за того, что частица аморфного диоксида кремния содержит огромное количество наноразмерных пор. Эта сложнопространственная нанопоровая структура (высокоразвитая поверхность) частицы обуславливает прекрасные сорбционные свойства синтетического кремнезема. Он может избирательно поглощать из окружающей среды или связывать газы, пары и растворённые вещества. Интересно, что при синтезе аморфного диоксида кремния можно заранее задавать параметры поверхности (модифицировать поверхность), и тем самым получать продукт с избирательной сорбцией.
- загущать (повышать вязкость) текучие составы вплоть до сыпучего состояния (в зависимости от требуемой степени загущения в состав вводится от 1,5% до 33% синтетического кремнезема). Данное свойство используется при производстве краскок, лаков, клеев, герметиков, паст, мазей, смазок и т.д.;
- увеличивать сыпучесть измельченных и/или порошкообразных твердых тел (специи, чипсы, сухарики, хлебцы, сухое молоко, сухие строительные смеси, комбикорма, стиральные порошки, тонеры, лекарственные средства и т.д.) и предохранять их от комкования,тем самым повышая срок их хранения.
- повышать прочностные характеристики и износостойкость материалов (пластики, смолы, резины, каучуки, бетон, асфальт и пр.)
- улучшать термодинамические характеристики (термостойкость, теплопроводность) материалов;
- улучшать трибологические характеристики (повышает устойчивость к истиранию);
- использоваться в качестве добавки в масла и смазки для любых узлов и механизмов, где есть металлические пары трения . В этом случае из аморфного диоксида кремния в процессе работы механизмов на поверхности трущихся пар образуются силикатные пленки, которые восстановливают геометрические размеры узлов и механизмов до их первоначального состояния, что в несколько раз снижает степень износа.
- быть носителем активных веществ в фармацевтических и косметических средствах;
- применяться в роли щадящего абразива в парфюмерии и косметике (пиллинг кожи, сорбирование грязи на коже), при производстве кремниевых полупроводниковых пластин и пр. (как полировальная суспензия);
- для выращивания кристаллов больших размеров , которые не могут быть выращены в воде. В этом случае для выращивания используется среда геля кремнезема. Структура геля диоксида кремния предотвращает конвекцию и позволяет равномерно протекать процессу диффузии компонентов;
- для приготовления синтетических глинистых материалов . Так, каолин в присутствии аморфного диоксида кремния образуется в гидротермальных условиях при 200–300 °С.
- связывать и выводить из организма животных и человека различные токсины, соли тяжелых металлов, радионуклеиды;
- использоваться в качестве сырья для производства специальных кварцевых стекол с прозрачностью более 99,5% для оптического излучения с длиной волны 248 нм и более 98% для оптического излучения с длиной волны 193 нм, для производства волоконных световодов;
- использоваться в качестве сырья для изготовления высокочистых силикатов , применяемых для покрытия телевизионных и осветительных трубок;
- в производстве микросхем и пр. электронных компонентов использоваться в качестве изолятора, наносимого путем напыления или в виде спец. пленки;
- служить исходным материалом для получения кремния высокой чистоты , применяемого в производстве солнечных батарей и в синтезе кремнийорганических соединений;
- применяться как теплоизолятор и шумопоглотитель в ракетных и реактивных двигателях. Это хороший теплоизолятор для различного рода проводящих систем с температурой нагрева до 1000 °С;
- использоваться в огнетушащих порошках для тушения пожаров классов А (тлеющие материалы), В (легковоспламеняющиеся жидкости), С (горючие газы), а также электроустановок, находящихся под напряжением до 1000 В.
Так же использование аморфного диоксида кремния ускоряет производственный процесс (за счет упрощения технологических циклов, сокращения времени производственного цикла) и требует меньших энергозатрат. Например, для загущения жидких составов синтетическим кремнеземом достаточно комнатной температуры.
Солнечная Панель. Аморфный Кремний на СОЛНЦЕ (первый тест)
Аморфный Растительный Диоксид Кремния. Часть 1
Сфера применения высокочистого аморфного диоксида кремния в мировой экономике с каждым годом расширяется, растет его роль в развитии современных отраслей, в создании новых материалов.
ООО «Экокремний», 2021. Все права защищены
Источник: aerosil.su
2.2 Аморфный кремний
Бурый или коричневый порошок, сильно гигроскопичный, химически более активен, чем кристаллический. При обыкновенной температуре непосредственно реагирует с фтором, образуя фтористый кремний SiF4, при высокой температуре реагирует почти со всеми неметаллами и со многими металлами.
Координационное число кремния равно четырем, поэтому в кристалле каждый атом кремния связан с четырьмя соседними атомами. В кристаллическом кремнии эти тетраэдрические структуры продолжаются в широком диапазоне, образуя хорошо упорядоченную кристаллическую решетку.
В аморфном кремнии это дальнего порядка нет, и структура порядка атомных позиций ограничивается короткой дистанцией. Скорее всего, атомы образуют непрерывные случайные сети. Кроме того, не все атомы в аморфном кремнии четыре раза скоординированы. В связи с неупорядоченным характером материала некоторые атомы имеют оборванные связи. Физически эти оборванные связи представляют собой дефекты в непрерывной случайной сети и значительно изменяют свойства кремния.
В полупроводниковых приборах аморфный кремний используется обычно в виде тонких пленок, осажденных на подложку. В солнечных элементах используются слои гидрогенизированного аморфного кремния, в котором значительная часть оборванных связей заполнена атомами водорода. Такой кремний показывает лучший коэффициент преобразования света в электроэнергию по сравнению с чистым аморфным кремнием.
Аморфный кремний во многом похож на углерод. Реакционная способность аморфного кремния выше, чем кристаллического.
3 Получение
Наиболее простым и удобным лабораторным способом получения кремния является восстановление оксида кремния SiO2 при высоких температурах металлами-востановителями. Вследствие устойчивости оксида кремния для восстановления применяют такие активные восстановители, как магний и алюминий:
3SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3
При восстановлении металлическим алюминием получают кристаллический кремний. Способ восстановления металлов из их оксидов металлическим алюминием открыл русский физикохимик Н.Н. Бекетов в 1865 году. При восстановлении оксида кремния алюминием выделяющейся теплоты не хватает для расплавления продуктов реакции – кремния и оксида алюминия, который плавится при 2050 С. Для снижения температуры плавления продуктов реакции в реакционную смесь добавляют серу и избыто алюминия. При реакции образуется легкоплавкий сульфид алюминия:
Капли расплавленного кремния опускаются на дно тигля.
Кремний технической чистоты (95—98%) получают в электрической дуге восстановлением кремнезёма SiO2 между графитовыми электродами.
В связи с развитием полупроводниковой техники разработаны методы получения чистого и особо чистого кремния. Это требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений кремния, из которых кремний извлекают путём восстановления или термического разложения. Чистый полупроводниковый кремний получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением SiCI4 или SiHCl3 цинком или водородом, термическим разложением Sil4 и SiH4) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и «вытягиванием» монокристалла из расплавленного кремния – метод Чохральского).
Старейшим методом разложения тетрахлорида кремния является метод выдающегося русского химика академика Н.Н.Бекетова. Метод этот можно представить уравнением:
Здесь пары тетрахлорида кремния, кипящего при температуре 57,6°C, взаимодействуют с парами цинка. В настоящее время тетрахлорид кремния восстанавливают водородом. Реакция протекает по уравнению:
Кремний получается в порошкообразном виде. Применяют и йодидный способ получения кремния, аналогичный описанному ранее йодидному методу получения чистого титана.
Чтобы получить чистыми кремний, его очищают от примесей зонной плавкой аналогично тому, как получают чистый титан. Для целого ряда полупроводниковых приборов предпочтительны полупроводниковые материалы, получаемые в виде монокристаллов, так как в поликристаллическом материале имеют место неконтролируемые изменения электрических свойств.
При вращении монокристаллов пользуются методом Чохральского, заключающимся вследующем: в расплавленный материал опускают стержень, на конце которого имеется кристалл данного материала; он служит зародышем будущего монокристалла. Стержень вытягивают из расплава с небольшой скоростью до 1-2 мм/мин. В результате постепенно выращивают монокристалл нужного размера. Из него вырезают пластинки, используемые в полупроводниковых приборах.
Источник: studfile.net
HiSoUR История культуры
Виртуальный тур, Выставка произведений искусства, История открытия, Глобальный культурный Интернет.
Аморфный кремний
Аморфный кремний (a-Si) представляет собой некристаллическую форму кремния, используемую для солнечных элементов и тонкопленочных транзисторов на ЖК-дисплеях.
Используемый в качестве полупроводникового материала для солнечных элементов Si-Si или тонкопленочных кремниевых солнечных элементов, он осаждается в тонких пленках на различные гибкие подложки, такие как стекло, металл и пластик. Аморфные кремниевые ячейки обычно характеризуются низкой эффективностью, но являются одной из самых экологически чистых фотоэлектрических технологий, поскольку они не используют никаких токсичных тяжелых металлов, таких как кадмий или свинец.
Как технология тонкопленочных солнечных элементов второго поколения, когда-то ожидается, что аморфный кремний станет основным источником быстрорастущего мирового фотоэлектрического рынка, но с тех пор утратил свою значимость из-за сильной конкуренции со стороны традиционных кристаллических кремниевых элементов и других тонкопленочных кремниевых элементов, таких как CdTe и CIGS.
Аморфный кремний отличается от других аллотропных изменений, таких как монокристаллический кремний — монокристалл и поликристаллический кремний, состоящий из мелких зерен, также известных как кристаллиты.
Описание
Кремний представляет собой четырехкратный скоординированный атом, который обычно тетраэдрически связан с четырьмя соседними атомами кремния. В кристаллическом кремнии (c-Si) эта тетраэдрическая структура продолжается в большом диапазоне, формируя, таким образом, упорядоченную кристаллическую решетку.
В аморфном кремнии этого длинного порядка порядка нет. Скорее, атомы образуют непрерывную случайную сеть. Более того, не все атомы в аморфном кремнии четырехкратно скоординированы. Из-за неупорядоченной природы материала некоторые атомы имеют свисающую связь. Физически эти оборванные связи представляют собой дефекты в непрерывной случайной сети и могут вызывать аномальное электрическое поведение.
Материал может пассивироваться водородом, который связывается с оборванными связями и может уменьшать плотность оборванных связей на несколько порядков. Гидрированный аморфный кремний (a-Si: H) имеет достаточно малое количество дефектов, которые должны использоваться в устройствах, таких как солнечные фотоэлектрические элементы, особенно в режиме протокристаллического роста. Однако гидрирование связано со световой деградацией материала, называемой эффектом Стебелера-Вронского.
Аморфный кремний и углерод
Интересным вариантом являются аморфные сплавы кремния и углерода (карбид аморфного кремния, также гидрированный, a-Si1-xCx: H). Введение атомов углерода добавляет дополнительные степени свободы для контроля свойств материала. Пленка также может быть прозрачной для видимого света.
Увеличение концентрации углерода в сплаве расширяет электронный зазор между проводимостью и валентными зонами (также называемый «оптическим зазором» и запрещенной зоной). Это может потенциально увеличить светостойкость солнечных элементов, изготовленных из аморфных слоев карбида кремния. С другой стороны, на электронные свойства как полупроводника (в основном подвижность электронов) отрицательное влияние оказывает увеличение содержания углерода в сплаве из-за увеличения беспорядка в атомной сети.
В научной литературе найдено несколько исследований, в основном исследующих влияние параметров осаждения на электронное качество, но практическое применение аморфного карбида кремния в коммерческих устройствах все еще отсутствует.
свойства
Плотность аморфного Si была рассчитана как 4,90 × 1022 атом / см3 (2,285 г / см3) при 300 К. Это было сделано с использованием тонких (5 мкм) полосок аморфного кремния. Эта плотность на 1,8 ± 0,1% менее плотная, чем кристаллическая Si при 300 К. Кремний является одним из немногих элементов, который расширяется при охлаждении и имеет более низкую плотность в виде твердого вещества, чем в виде жидкости.
Гидрированный аморфный кремний
Негидрированный а-Si имеет очень высокую плотность дефектов, что приводит к нежелательным полупроводниковым свойствам, таким как слабая фотопроводимость, и предотвращает легирование, которое имеет решающее значение для инженерных свойств полупроводника. Введением водорода во время изготовления аморфного кремния фотопроводимость значительно улучшается и становится возможным легирование.Гидрированный аморфный кремний, a-Si: H, был впервые изготовлен в 1969 году Читтиком, Александром и Стерлингом путем осаждения с использованием предшественника силанового газа (SiH4).
Полученный материал показал более низкую плотность дефектов и повышенную проводимость за счет примесей. Интерес к a-Si: H пришел, когда (в 1975 году) LeComber и Spear обнаружили способность к замещению легированием a-Si: H с использованием фосфина (n-типа) или диборана (p-типа). Роль водорода в восстановлении дефектов была проверена группой Пола в Гарварде, которая обнаружила концентрацию водорода около 10 ат.% Через ИК-вибрацию, которая для связей Si-H имела частоту около 2000 см-1. Начиная с 1970-х годов, a-Si: H был разработан в солнечных батареях с помощью RCA, в результате чего в 2015 году он стабильно повышался до примерно 13,6%.
| Тип фильма | а-Si: H | а-Si: H | а-Si: H | Насколько я |
| Уникальное приложение | Электроника большой площади | Водородное осаждение | ||
| Температура камеры | 600C | 30-300C | 30-1000C | |
| Температура активного элемента | 2000C | |||
| Давление камеры | 0,1-10 торр | 0,1-10 торр | 0,001-0,1 торр | |
| Физический принцип | термолиз | Индуцированная плазмой диссоциация | термолиз | Ионизация источника Si |
| Посредники | W / Ta нагретые провода | Аргоновые катионы | ||
| Типичное напряжение привода | RF 13,56 МГц; 0,01-1 Вт / см 2 | |||
| Источник Si | Газ SiH 4 | Газ SiH 4 | Газ SiH 4 | тигель |
| Температура основания | управляемый | управляемый | управляемый | управляемый |
Приложения
В то время как a-Si имеет более низкие электронные характеристики по сравнению с c-Si, он намного более гибкий в своих приложениях. Например, слои a-Si можно сделать более тонкими, чем c-Si, что может привести к экономии затрат на кремниевый материал.
Еще одно преимущество заключается в том, что a-Si может осаждаться при очень низких температурах, например, до 75 градусов по Цельсию. Это позволяет осаждать не только стекло, но и пластик, что делает его кандидатом на технологию обработки рулоном. После осаждения a-Si может быть легирован способом, подобным c-Si, с образованием слоев p-типа или n-типа и, в конечном счете, для образования электронных устройств.
Другим преимуществом является то, что a-Si может быть осажден на большие площади PECVD. Конструкция системы PECVD оказывает большое влияние на себестоимость такой панели, поэтому большинство поставщиков оборудования уделяют основное внимание разработке PECVD для более высокой пропускной способности, что приводит к снижению стоимости производства, особенно при переработке силана.
Массивы небольших (менее 1 мм на 1 мм) фотодиодов a-Si на стекле используются в качестве датчиков изображения видимого света в некоторых плоских панельных детекторах для флюороскопии и рентгенографии.
Фотоэлементы
Аморфный кремний (a-Si) использовался в качестве фотоэлектрического материала солнечных элементов для устройств, которые требуют очень небольшой мощности, таких как карманные калькуляторы, поскольку их более низкая производительность по сравнению с обычными солнечными элементами из кристаллического кремния (c-Si) более чем компенсируется их упрощенной и более низкой стоимости осаждения на подложку. Первые солнечные калькуляторы уже были доступны в конце 1970-х годов, таких как Royal Solar 1, Sharp EL-8026 и Teal Photon.
Совсем недавно усовершенствования технологии построения a-Si сделали их более привлекательными для использования солнечной батареи в больших районах. Здесь их нижняя присущая эффективность составляется, по крайней мере частично, их тонкостью — более высокая эффективность может быть достигнута путем укладки нескольких тонкопленочных элементов друг на друга, каждый из которых настроен на хорошую работу на определенной частоте света. Такой подход не применим к c-Si-клеткам, которые являются толстыми в результате его косвенной запрещенной зоны и, следовательно, в значительной степени непрозрачны, блокируя свет от достижения других слоев в стеке.
Источником низкой эффективности фотовольтаики аморфного кремния в основном является низкая подвижность материала. Эта мобильность с низким отверстием объясняется многими физическими аспектами материала, включая наличие оборванных связей (кремний с тремя связями), плавающие связи (кремний с 5 связями), а также реконфигурации связей. Несмотря на то, что была проделана большая работа по контролю этих источников низкой мобильности, данные свидетельствуют о том, что множество взаимодействующих дефектов может привести к ограниченности мобильности, поскольку уменьшение одного типа дефектов приводит к образованию других.
Основным преимуществом a-Si в крупномасштабном производстве является не эффективность, а стоимость. a-Si-клетки используют только часть кремния, необходимую для типичных c-Si-клеток, и стоимость кремния исторически значитель- но влияла на стоимость клеток. Тем не менее, более высокие издержки производства из-за многослойной конструкции до настоящего времени сделали a-Si непривлекательным, за исключением ролей, где их тонкость или гибкость являются преимуществом.
Как правило, тонкопленочные ячейки аморфного кремния используют штыревую структуру.Размещение слоя р-типа сверху также связано с подвижностью нижнего отверстия, позволяя отверстиям пересекать более короткое среднее расстояние для сбора до верхнего контакта.Типичная структура панели включает переднее боковое стекло, ТСО, тонкопленочный кремний, обратный контакт, поливинилбутираль (PVB) и боковое стекло. Uni-Solar, подразделение устройств преобразования энергии, разработало вариант гибких опор, используемых в рулонных кровельных продуктах. Тем не менее, крупнейший в мире производитель аморфных кремниевых фотовольтаиков должен был подать заявление о банкротстве в 2012 году, поскольку он не мог конкурировать с быстро снижающимися ценами на обычные солнечные батареи.
Микрокристаллический и микроморфный кремний
Микрокристаллический кремний (также называемый нанокристаллическим кремнием) представляет собой аморфный кремний, но также содержит мелкие кристаллы. Он поглощает более широкий спектр света и является гибким. Технология микроморфного кремниевого модуля объединяет два разных типа кремния, аморфного и микрокристаллического кремния в верхней и нижней фотоэлектрических ячейках. Sharp производит клетки, используя эту систему, чтобы более эффективно захватывать синий свет, повышая эффективность клеток в то время, когда на них не падает прямой солнечный свет. Проктикристаллический кремний часто используется для оптимизации напряжения разомкнутой цепи фотоэлектрических элементов a-Si.
Крупномасштабное производство
Корпорация Xunlight, получившая более 40 млн. Долл. США в виде институциональных инвестиций, завершила установку своего первого широкополосного 25-мегавалютного широкоугольного фотогальванического оборудования для производства тонкопленочных кремниевых фотоэлектрических модулей. Anwell Technologies также завершила установку своего первого в мире производства монокристаллической солнечной панели мощностью 40 МВт a-Si в Хэнань с использованием собственного многокомпонентного многокамерного оборудования PECVD.
Фотоэлектрические тепловые гибридные солнечные коллекторы
Фотоэлектрические тепловые гибридные солнечные коллекторы (PVT) — это системы, которые преобразуют солнечную радиацию в электрическую и тепловую энергию. Эти системы объединяют солнечный элемент, который преобразует электромагнитное излучение (фотоны) в электричество с солнечным тепловым коллектором, который захватывает оставшуюся энергию и удаляет отработанное тепло от солнечного фотоэлектрического модуля.
Солнечные батареи страдают от снижения эффективности с повышением температуры из-за повышенной устойчивости. Большинство таких систем могут быть сконструированы таким образом, чтобы переносить тепло от солнечных элементов, тем самым охлаждая клетки и тем самым повышая их эффективность за счет снижения сопротивления. Несмотря на то, что это эффективный метод, он приводит к недостаточной работе теплового компонента по сравнению с солнечным тепловым коллектором. Недавние исследования показали, что a-Si: H PV с низкотемпературными коэффициентами позволяют работать PVT при высоких температурах, создавая более симбиотическую систему PVT и улучшая производительность a-Si: H PV примерно на 10%.
Жидкокристаллический дисплей с тонкопленочным транзистором
Аморфный кремний стал материалом для активного слоя в тонкопленочных транзисторах (TFT), которые наиболее широко используются в приложениях большой площади, в основном для жидкокристаллических дисплеев (LCD).
Тонкопленочный транзисторный жидкокристаллический дисплей (TFT-LCD) демонстрирует аналогичный процесс компоновки схемы с полупроводниковыми изделиями. Однако вместо изготовления транзисторов из кремния, которые формируются в кристаллическую кремниевую пластину, они изготавливаются из тонкой пленки из аморфного кремния, которая осаждается на стеклянную панель. Силиконовый слой для TFT-LCD обычно осаждается с использованием процесса PECVD. Транзисторы занимают лишь небольшую часть площади каждого пикселя, а остальная часть кремниевой пленки вытравливается, чтобы свет легко проходил сквозь нее.
Поликристаллический кремний иногда используется в дисплеях, требующих более высоких характеристик TFT. К примерам относятся небольшие дисплеи с высоким разрешением, такие как дисплеи или видоискатели. Аморфные кремниевые TFT, безусловно, являются наиболее распространенными из-за их более низкой себестоимости, тогда как поликристаллические кремниевые TFT более дорогостоящие и гораздо более трудные для производства.
Источник: www.hisour.com