我國對(duì)碳/碳復(fù)合材料的研究開發(fā)工作開始于20世紀(jì)70年代末,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,取得了豐碩的成果,先進(jìn)性直追發(fā)達(dá)國家。
本文主要介紹碳/碳復(fù)合材料在光伏領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展史、相比于石墨產(chǎn)品的優(yōu)勢、行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、主要的技術(shù)難點(diǎn)以及未來的發(fā)展趨勢。
太陽能電池板
關(guān)于碳/碳復(fù)合材料
碳/碳復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)相的碳基復(fù)合材料,是目前極少數(shù)可以在2000 ℃以上保持較高力學(xué)性能的材料,它具有低比重、高比強(qiáng)、高比模、低熱膨脹系數(shù)、耐熱沖擊以及耐燒蝕等優(yōu)異性能,是新材料領(lǐng)域重點(diǎn)研究和開發(fā)的一類戰(zhàn)略性高技術(shù)材料。
碳/碳復(fù)合材料在光伏領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展史
碳/碳復(fù)合材料在光伏領(lǐng)域應(yīng)用和發(fā)展主要分三個(gè)階段:
(1)第一階段:技術(shù)探索與產(chǎn)品驗(yàn)證
2005年至2010年,碳/碳復(fù)合材料在晶硅制造熱場系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)入探索期,以金博股份和西安超碼為代表的國內(nèi)少數(shù)碳/碳復(fù)合材料廠商嘗試用碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品對(duì)等靜壓石墨產(chǎn)品進(jìn)行替代,產(chǎn)品開始得到驗(yàn)證。
光伏領(lǐng)域碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品
(2)第二階段:技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化
2011年至2015年,歐美雙反政策對(duì)中國光伏產(chǎn)業(yè)造成極大的沖擊,光伏行業(yè)降低成本的緊迫需求使得國內(nèi)企業(yè)率先思變,開始大膽嘗試新材料、新工藝。在這個(gè)階段,碳/碳復(fù)合材料為光伏行業(yè)客戶單晶拉制爐增大投料量、提高拉速、降低能耗等工藝提供了新型熱場設(shè)計(jì)與材料保障,推動(dòng)了光伏行業(yè)的降本增效、技術(shù)進(jìn)步與復(fù)蘇發(fā)展。
(3)第三階段:批量替代及市場主導(dǎo)
2016年至今,隨著下游晶硅制造行業(yè)向大尺寸、高拉速和高品質(zhì)方向的發(fā)展,碳/碳復(fù)合材料的高安全性、高純度和可設(shè)計(jì)等方面的技術(shù)優(yōu)勢越來越明顯,碳/碳復(fù)合材料已經(jīng)成為市場需求主導(dǎo)。目前,碳/碳復(fù)合材料的發(fā)展正處于第三階段。
相比于石墨產(chǎn)品的優(yōu)勢
碳/碳復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、損傷容限高、強(qiáng)度高等突出優(yōu)點(diǎn),用作熱場產(chǎn)品與石墨產(chǎn)品比較,具有以下突出優(yōu)點(diǎn):
1、碳/碳復(fù)合材料用作單(多)晶爐熱場產(chǎn)品,大幅度延長產(chǎn)品的使用壽命。碳/碳熱場產(chǎn)品經(jīng)測試可使用90爐次以上,而石墨熱場則只有10-30爐次,使用碳/碳熱場減少了更換部件的次數(shù),從而提高設(shè)備的利用率,減少了維修成本。
2、用做拉單晶硅的坩堝時(shí),由于石英坩堝對(duì)石墨坩堝產(chǎn)生較大的膨脹應(yīng)力作用,石墨坩堝需要做成三瓣,或在坩堝上開熱膨脹槽;而使用碳/碳復(fù)合材料的加熱爐內(nèi)產(chǎn)品由于不用開熱膨脹槽,可以做成一個(gè)整體,并且在石英坩堝內(nèi)可以獲得更均勻的熱場,提高了成品率,而且可以避免漏硅事故造成的損失。據(jù)統(tǒng)計(jì),一次漏硅事故造成的設(shè)備材料方面的損失超過10萬元。
3、碳/碳復(fù)合材料用作單晶硅爐熱場產(chǎn)品時(shí),現(xiàn)有設(shè)備具有固定的工作容積,而由于碳/碳復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能,與石墨產(chǎn)品相比,可以做的更薄,從而可以利用現(xiàn)有設(shè)備生產(chǎn)尺寸更長、直徑更大的產(chǎn)品,可節(jié)約大量新設(shè)備投資的費(fèi)用。
4、在拉制大直徑的產(chǎn)品時(shí),石墨熱場產(chǎn)品成型困難,如果要制造超大直徑的石墨熱場零件,其制造成本、加工成本都很高,而由于碳/碳復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能,目前在拉制大直徑的產(chǎn)品時(shí),較多地采用了碳/碳復(fù)合材料熱場產(chǎn)品。
5、石墨熱場產(chǎn)品在反復(fù)高溫條件下易產(chǎn)生微裂紋,微裂紋的存在改變了其熱傳導(dǎo)性能,在加熱時(shí)石墨加熱器的功率與硅溶體的溫度場發(fā)生變化,將影響拉晶的效率和拉出的品質(zhì),而使用碳/碳復(fù)合材料熱場產(chǎn)品則可以克服這個(gè)缺點(diǎn)。
6、碳/碳復(fù)合材料用作單(多)晶爐熱場產(chǎn)品時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)比石墨熱場產(chǎn)品低很多,用做隔熱保溫材料隔熱保溫效果好,可以節(jié)約大量的電能,節(jié)省大量的電費(fèi)開支,有效的降低單晶硅生產(chǎn)成本,隨著全球能源供應(yīng)的緊張,單晶硅生產(chǎn)作為高耗能行業(yè),能源消耗的降低具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。
碳/碳復(fù)合材料行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
(1)下游行業(yè)規(guī)??焖僭鲩L,對(duì)碳/碳復(fù)合材料的需求旺盛
根據(jù)“碳達(dá)峰”的目標(biāo),《中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖》(2020年版)預(yù)計(jì)“十四五”期間我國光伏年均新增光伏裝機(jī)量將在70-90GW之間。隨著光伏行業(yè)的迅速發(fā)展,碳/碳復(fù)合材料正快速形成在晶硅制造熱場系統(tǒng)中對(duì)石墨材料部件的進(jìn)口替代與升級(jí)換代。
(2)政策推動(dòng)行業(yè)持續(xù)、快速發(fā)展
碳/碳復(fù)合材料行業(yè)是國家重點(diǎn)扶持、優(yōu)先發(fā)展的行業(yè)之一。政府主管部門先后出臺(tái)了一系列政策對(duì)行業(yè)的發(fā)展予以支持,要求積極開發(fā)新型超大規(guī)格、特殊結(jié)構(gòu)材料的一體化制備工藝,推進(jìn)高性能復(fù)合材料生產(chǎn)制備低成本化、產(chǎn)品品種多樣化和裝備設(shè)計(jì)自主化。
主要技術(shù)難點(diǎn)
碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品生產(chǎn)工藝都相對(duì)復(fù)雜,技術(shù)難度高,行業(yè)的門檻較高,特別是在熱場系統(tǒng),大直徑、形狀復(fù)雜部件的結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)與高性能、低成本的碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品制造整體技術(shù)具有較高的技術(shù)門檻。未來,隨著光伏、半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展,帶動(dòng)單晶硅生長爐熱場系統(tǒng)的技術(shù)快速升級(jí),將對(duì)熱場部件的大直徑、高純度、長壽命等關(guān)鍵性能提出更高的要求,需要高性能、低成本,綜合性能更加優(yōu)異的碳/碳復(fù)合材料熱場產(chǎn)品。
行業(yè)未來發(fā)展趨勢
(1)碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品向高純度、大尺寸方向發(fā)展
在光伏行業(yè)及半導(dǎo)體行業(yè),由于技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)品的快速迭代,硅片向高純度、大尺寸發(fā)展是其基本的趨勢,因此,高溫?zé)釄鱿到y(tǒng)應(yīng)用中,碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品向高純度、大尺寸的方向發(fā)展也是必然的趨勢。
(2)光伏行業(yè)周期性減弱,政策驅(qū)動(dòng)逐步轉(zhuǎn)向經(jīng)濟(jì)性驅(qū)動(dòng)
面對(duì)著“2030年碳達(dá)峰”和“2060年碳中和”的能源發(fā)展目標(biāo),加速發(fā)展光伏等零碳能源,替代煤電等化石能源是碳中和的必由之路,光伏將在“十四五”期間迎來一個(gè)加速發(fā)展階段,“十四五”能源規(guī)劃中的光伏裝機(jī)目標(biāo)必然較“十三五”大幅提升,未來五年新增總裝機(jī)量在350GW到450GW之間。
隨著平價(jià)上網(wǎng)的全面開展,光伏行業(yè)擺脫了政策補(bǔ)貼依賴,周期性減弱,由政策驅(qū)動(dòng)逐步轉(zhuǎn)向經(jīng)濟(jì)性驅(qū)動(dòng)。隨著光伏行業(yè)的需求逐步釋放,碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品面臨廣闊的市場空間。
內(nèi)容參考:金博股份2020年年度報(bào)告、九華碳素官網(wǎng)
為了更好的推動(dòng)碳/碳復(fù)合材料行業(yè)發(fā)展,DT新材料聯(lián)合中南大學(xué)炭/炭復(fù)合材料研究所、西北工業(yè)大學(xué)碳/碳復(fù)合材料研究所、陜西省碳/碳復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心,于11月18-20日在上海舉辦Carbontech碳/碳復(fù)合材料行業(yè)技術(shù)研討會(huì)。
來源:騰訊網(wǎng)