石墨材料在光伏單晶領域應用現狀及趨勢分析
石墨材料在現代科技工業中扮演著非常重要的角色,在半導體行業的Cz法直拉硅單晶工藝中更是不可缺少的材料。由於石墨具有耐高溫、導電性好、輻射率高等特性, 加工成坩堝、加熱器、保溫筒等部件用於Cz爐內熱場, 起加熱、隔熱、支撐、保護等作用。
光伏市場簡述
全球：2017年，全球光伏市場強勁增長，新增裝機容量達到102GW，同比增長超過37%，累計光伏容量達到495GW;日本6.8GW、美國12.5GW、歐洲8.8GW、印度9GW；
中國：新增裝機量53GW，同比增長超過53.6%，連續5年位居世界第一，累計裝機達到130GW，連續3年位居全球首位；分散式成為2017年市場發展的新亮點，全年新增裝機量超過19GW.
等靜壓石墨的應用
上表是國內的等靜壓石墨分行業需求，光伏行業需求一直佔比在50%以上，而根據招商證券調研信息，近年隨著光伏行業的快速發展以及單晶需求的增加，光伏行業用等靜壓石墨需求佔比已經達到 60%左右；同時從全球等靜壓石墨需求來看，光伏行業的需求佔比最高、增長最快，佔比已經超50%。
單晶爐內的化學反應及其對石墨部件的影響
單晶爐的一般構造及所用熱場石墨部件如圖1所示,其中主要部件除石英坩堝、保溫氈,幾乎全部用等靜壓石墨製成。
單晶爐內的化學反應
根據一般的生產經驗,我們總結出了Cz爐內熱場部分所發生的化學反應。引起反應的化學元素及化合物有si(單晶硅原科)、sio2(石英坩堝)、 C (石墨部件)。因此,爐內會有如下氣體:
①si蒸氣
②si與石英坩堝反應而生成的sio氣體
si(l)+sio2(s)一 2sio(g)(1)
③石墨坩堝與石英坩堝反應而生成的sio、co氣體
C(s)+si02(s)-si0(g)+CO(g)(2)
si0(g)+2C(s)-SiC(s)+CO(g)(3)
上述反應對主要石墨部件的影響
對坩堝的影響
①坩堝的內側面,由於上述(2)、(3)式氧化 反應,分瓣面附近R (圓角)部分發生消耗,其厚度變薄。同時,由於(3)式的影響,內側面發生體積膨脹,引起坩堝變形,分瓣面上部開裂等不良現象。
②坩堝的外側面,由於si蒸氣或sio氣體而發生si蒸氣的凝結(下面簡稱蒸結),並出現 SiC(如同碳化硅塗層)現象。但是, SiC生成的厚度比內側面薄。
③外側面的si蒸結多的時候,一旦升溫, 蒸 結的si就會熔化流下,最後在R部形成滴 狀殘留 。
對加熱器的影響
①發熱部分的上半部正對著坩堝,溫度較高, 由於與sio氣體的反應引起消耗,厚度及寬度變小。
②發熱部分的下半部溫度較低,有si蒸結及生成碳化硅現象。
對保護筒的影響
① 內側面與sio氣體反應,生成SIC,使體積膨脹,可能發生保護筒變形、裂縫等現象。
②溫度低的情況下,內側面的下部分有si蒸結現象。
光伏產業用等靜壓石墨的主要特性
密度
石墨單晶的理論密度是2.26g/cm3，通常人造石墨的密度都在1.5-1.9g/cm3之間，固體的熱解碳的密度可達2.1g/cm3，純石墨的密度值是其質量除以體積 ﹙含所有的氣孔﹚所得的商。
機械強度
人造石墨不同於其它大部分的材料，它的抗張、抗折和抗壓強度會隨著溫度的升高而增大，當達到2200K之後，其強度會下降。在2200K時，石墨的強度值較室溫時高一倍。一般用於光伏工業的石墨材料的抗壓強度達到90-150Mpa；抗折強度為40-65Mpa。
導電性
同其他金屬不同，石墨的電阻溫度係數是負數。石墨的導電性好。接近絕對零，只擁有少數自由電子，本身可充當絕緣體，隨著溫度的上升，其導電性會增加。石墨的導電性較許多金屬要高，且隨著溫度的增加其數值下降。石墨的導熱性隨著其石墨化程度的不同而有所不同。
熱膨脹性
石墨的熱膨脹係數以3×10-6K-1級排列，即只相當於鐵的1/4。不同牌號的石墨其熱膨脹係數值會有所變化，也同石墨材料的各向異性及溫度有關。
比熱
石墨的比熱在500K-1500K溫度範圍內變化較大，它隨著溫度的增高，也有較大的增高。而不同牌號的石墨，其比熱變化很小。
耐溫性
石墨不會熔化，但在3900K溫度時能耐溫至750K。石墨有非常好的抗熱衝擊性能，因此急速地加熱或冷卻，石墨都不會有問題。
可加工性
石墨容易加工，其邊緣強度和耐磨性好。結構複雜、公差嚴格的部件都可以通過精加工獲得。石墨具有很好的耐浸潤性，它不會被熔化的玻璃或大部分金屬浸潤。
石墨材料在光伏產業中應用分析
光伏平價上網對高效電池的需求促進單晶市場大幅度增長，導致單晶熱場石墨件需求大幅度增長，根據機構調研信息，光伏單晶對等靜壓石墨需求約為0.36噸/MW，2018年需求超過16200噸。
目前單晶行業平均成本50-65元/kg，優秀企業可以做到50元/kg以下，
多晶行業平均成本28元/kg，優秀多晶企業鑄錠爐成本可以達到22元/kg；
石墨熱場占單晶非硅成本的20%，多晶鑄錠的熱場成本約佔16%；
石墨材料在光伏產業中的市場預測
光伏用電測平價上網近在眼前，全球每年新增裝機量穩步上升，預計19年新增裝機量超過122GW；
高效電池逐漸成為市場主流，單晶市場份額逐步擴大，預計18年單晶市場份額從去年的30%提高到50%，預計2020年單晶市場份額超過65%；
隨著光伏市場的擴大，晶體生長所需石墨件需求也同比穩步上升。
單晶用石墨熱場發展趨勢
光伏單晶歷經十多年發展，單晶成本降低90%，熱場尺寸也越來越大，目前市場主流尺寸是26吋熱場，預計明後年逐步過渡到28吋熱場。
國內等靜壓石墨大部分用於單晶生長爐熱場，而石墨坩堝、加熱器、保溫筒是按順序包圍在石英坩堝外層的，隨著熱場尺寸的擴大，需要的等靜壓石墨配件規格越來越大。
N型單晶純化熱場與普通熱場相比，平均壽命提高50%左右，提高幅度較大，可以很好地反映熱場純度對單晶品質的影響程度。
目前高效電池脫穎而出，對單晶純度的要求也比以前大幅度提高，尤其是少子壽命的要求；純化熱場壽命遠高於普通熱場壽命，高純石墨是未來發展方向。
總結
高純化、大尺寸是未來光伏單晶用石墨件的主要發展趨勢；C/C複合材料會對單晶石墨件造成一定衝擊，但不會完全代替石墨件；
光伏行業是等靜壓石墨最主要的市場，等靜壓石墨件會隨著光伏市場的快速增長而增長；
預計2020年光伏新增裝機量超過140GW，晶體生長用等靜壓石墨件市場擴大到30億元。
參考文獻： 詹國彬，石墨在直拉硅單晶Cz爐熱場中的應用
(炭素技術）
鄧 浩，石墨在光伏單晶領域的應用及發展
（2018第二屆中國國際石墨大會）
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