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碳碳復合材料在光伏行業應用現狀及未來發展趨勢分析

放大字體  縮小字體 發布日期:2021-11-25  瀏覽次數:13
核心提示:我國對碳/碳復合材料的研究開發工作開始于20世紀70年代末,經過幾十年的發展,取得了豐碩的成果,先進性直追發達國家。 本文主要
 我國對碳/碳復合材料的研究開發工作開始于20世紀70年代末,經過幾十年的發展,取得了豐碩的成果,先進性直追發達國家。

本文主要介紹碳/碳復合材料在光伏領域應用的發展史、相比于石墨產品的優勢、行業發展現狀、主要的技術難點以及未來的發展趨勢。

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關于碳/碳復合材料

/碳復合材料是以碳纖維為增強相的碳基復合材料,是目前極少數可以在2000 ℃以上保持較高力學性能的材料,它具有低比重、高比強、高比模、低熱膨脹系數、耐熱沖擊以及耐燒蝕等優異性能,是新材料領域重點研究和開發的一類戰略性高技術材料。

/碳復合材料在光伏領域應用的發展史

/碳復合材料在光伏領域應用和發展主要分三個階段:

1)第一階段:技術探索與產品驗證

2005年至2010年,碳/碳復合材料在晶硅制造熱場系統領域的應用進入探索期,國內少數碳/碳復合材料廠商嘗試用碳/碳復合材料產品對等靜壓石墨產品進行替代,產品開始得到驗證。

/碳復合材料產品

圖片來源:碳材科技

2)第二階段:技術提升與產業化

2011年至2015年,歐美雙反政策對中國光伏產業造成極大的沖擊,光伏行業降低成本的緊迫需求使得國內企業率先思變,開始大膽嘗試新材料、新工藝。在這個階段,/碳復合材料為光伏行業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計與材料保障,推動了光伏行業的降本增效、技術進步與復蘇發展。

 

 

3)第三階段:批量替代及市場主導

2016年至今,隨著下游晶硅制造行業向大尺寸、高拉速和高品質方向的發展,/碳復合材料的高安全性、高純度和可設計等方面的技術優勢越來越明顯,碳/碳復合材料已經成為市場需求主導。目前,碳/碳復合材料的發展正處于第三階段。

相比于石墨產品的優勢

/碳復合材料具有質量輕、損傷容限高、強度高等突出優點,用作熱場產品與石墨產品比較,具有以下突出優點:

1、碳/碳復合材料用作單(多)晶爐熱場產品,大幅度延長產品的使用壽命。/碳熱場產品經測試可使用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,從而提高設備的利用率,減少了維修成本。

/碳復合材料產品

圖片來源:碳材科技

 

2、用做拉單晶硅的坩堝時,由于石英坩堝對石墨坩堝產生較大的膨脹應力作用,石墨坩堝需要做成三瓣,或在坩堝上開熱膨脹槽;而使用碳/碳復合材料的加熱爐內產品由于不用開熱膨脹槽,可以做成一個整體,并且在石英坩堝內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。據統計,一次漏硅事故造成的設備材料方面的損失超過10萬元。

 

3、碳/碳復合材料用作單晶硅爐熱場產品時,現有設備具有固定的工作容積,而由于碳/碳復合材料具有優異的性能,與石墨產品相比,可以做的更薄,從而可以利用現有設備生產尺寸更長、直徑更大的產品,可節約大量新設備投資的費用。

4、在拉制大直徑的產品時,石墨熱場產品成型困難,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/碳復合材料具有優異的性能,目前在拉制大直徑的產品時,較多地采用了碳/碳復合材料熱場產品。

5、石墨熱場產品在反復高溫條件下易產生微裂紋,微裂紋的存在改變了其熱傳導性能,在加熱時石墨加熱器的功率與硅溶體的溫度場發生變化,將影響拉晶的效率和拉出的品質,而使用碳/碳復合材料熱場產品則可以克服這個缺點。

6、碳/碳復合材料用作單(多)晶爐熱場產品時,導熱系數比石墨熱場產品低很多,用做隔熱保溫材料隔熱保溫效果好,可以節約大量的電能,節省大量的電費開支,有效的降低單晶硅生產成本,隨著全球能源供應的緊張,單晶硅生產作為高耗能行業,能源消耗的降低具有較大的經濟和社會意義。

/碳復合材料行業發展現狀

1)下游行業規?焖僭鲩L,對碳/碳復合材料的需求旺盛

根據“碳達峰”的目標,《中國光伏產業發展路線圖》(2020年版)預計“十四五”期間我國光伏年均新增光伏裝機量將在70-90GW之間。隨著光伏行業的迅速發展,碳/碳復合材料正快速形成在晶硅制造熱場系統中對石墨材料部件的進口替代與升級換代。

2)政策推動行業持續、快速發展

/碳復合材料行業是國家重點扶持、優先發展的行業之一。政府主管部門先后出臺了一系列政策對行業的發展予以支持,要求積極開發新型超大規格、特殊結構材料的一體化制備工藝,推進高性能復合材料生產制備低成本化、產品品種多樣化和裝備設計自主化。

 

主要技術難點

/碳復合材料產品生產工藝都相對復雜,技術難度高,行業的門檻較高,特別是在熱場系統,大直徑、形狀復雜部件的結構功能一體化設計與高性能、低成本的碳/碳復合材料產品制造整體技術具有較高的技術門檻。未來,隨著光伏、半導體行業的快速發展,帶動單晶硅生長爐熱場系統的技術快速升級,將對熱場部件的大直徑、高純度、長壽命等關鍵性能提出更高的要求,需要高性能、低成本,綜合性能更加優異的碳/碳復合材料熱場產品。

行業未來發展趨勢

1)碳/碳復合材料產品向高純度、大尺寸方向發展

在光伏行業及半導體行業,由于技術的發展及產品的快速迭代,硅片向高純度、大尺寸發展是其基本的趨勢,因此,高溫熱場系統應用中,/碳復合材料產品向高純度、大尺寸的方向發展也是必然的趨勢。

2)光伏行業周期性減弱,政策驅動逐步轉向經濟性驅動

面對著“2030年碳達峰”和“2060年碳中和”的能源發展目標,加速發展光伏等零碳能源,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”期間迎來一個加速發展階段,“十四五”能源規劃中的光伏裝機目標必然較“十三五”大幅提升,未來五年新增總裝機量在350GW到450GW之間。

隨著平價上網的全面開展,光伏行業擺脫了政策補貼依賴,周期性減弱,由政策驅動逐步轉向經濟性驅動。隨著光伏行業的需求逐步釋放,碳/碳復合材料產品面臨廣闊的市場空間。

 

 
 
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