石墨材料在现代科技工业中扮演着非常重要的角色,在半导体行业的Cz法直拉硅单晶工艺中更是不可缺少的材料。由于石墨具有耐高温、导电性好、辐射率高等特性, 加工成坩埚、加热器、保温筒等部件用于Cz炉内热场, 起加热、隔热、支撑、保护等作用。
光伏市场简述
全球：2017年，全球光伏市场强劲增长，新增装机容量达到102GW，同比增长超过37%，累计光伏容量达到495GW;日本6.8GW、美国12.5GW、欧洲8.8GW、印度9GW；
中国：新增装机量53GW，同比增长超过53.6%，连续5年位居世界第一，累计装机达到130GW，连续3年位居全球首位；分布式成为2017年市场发展的新亮点，全年新增装机量超过19GW.
等静压石墨的应用
上表是国内的等静压石墨分行业需求，光伏行业需求一直占比在50%以上，而根据招商证券调研信息，近年随着光伏行业的快速发展以及单晶需求的增加，光伏行业用等静压石墨需求占比已经达到 60%左右；同时从全球等静压石墨需求来看，光伏行业的需求占比最高、增长最快，占比已经超50%。
单晶炉内的化学反应及其对石墨部件的影响
单晶炉的一般构造及所用热场石墨部件如图1所示,其中主要部件除石英坩埚、保温毡,几乎全部用等静压石墨制成。
单晶炉内的化学反应
根据一般的生产经验,我们总结出了Cz炉内热场部分所发生的化学反应。引起反应的化学元素及化合物有si(单晶硅原科)、sio2(石英坩埚)、 C (石墨部件)。因此,炉内会有如下气体:
①si蒸气
②si与石英坩埚反应而生成的sio气体
si(l)+sio2(s)一 2sio(g)(1)
③石墨坩埚与石英坩埚反应而生成的sio、co气体
C(s)+si02(s)-si0(g)+CO(g)(2)
si0(g)+2C(s)-SiC(s)+CO(g)(3)
上述反应对主要石墨部件的影响
对坩埚的影响
①坩埚的内侧面,由于上述(2)、(3)式氧化 反应,分瓣面附近R (圆角)部分发生消耗,其厚度变薄。同时,由于(3)式的影响,内侧面发生体积膨胀,引起坩埚变形,分瓣面上部开裂等不良现象。
②坩埚的外侧面,由于si蒸气或sio气体而发生si蒸气的凝结(下面简称蒸结),并出现 SiC(如同碳化硅涂层)现象。但是, SiC生成的厚度比内侧面薄。
③外侧面的si蒸结多的时候,一旦升温, 蒸 结的si就会熔化流下,最后在R部形成滴 状残留 。
对加热器的影响
①发热部分的上半部正对着坩埚,温度较高, 由于与sio气体的反应引起消耗,厚度及宽度变小。
②发热部分的下半部温度较低,有si蒸结及生成碳化硅现象。
对保护筒的影响
① 内侧面与sio气体反应,生成SIC,使体积膨胀,可能发生保护筒变形、裂缝等现象。
②温度低的情况下,内侧面的下部分有si蒸结现象。
光伏产业用等静压石墨的主要特性
密度
石墨单晶的理论密度是2.26g/cm3，通常人造石墨的密度都在1.5-1.9g/cm3之间，固体的热解碳的密度可达2.1g/cm3，纯石墨的密度值是其质量除以体积 ﹙含所有的气孔﹚所得的商。
机械强度
人造石墨不同于其它大部分的材料，它的抗张、抗折和抗压强度会随着温度的升高而增大，当达到2200K之后，其强度会下降。在2200K时，石墨的强度值较室温时高一倍。一般用于光伏工业的石墨材料的抗压强度达到90-150Mpa；抗折强度为40-65Mpa。
导电性
同其他金属不同，石墨的电阻温度系数是负数。石墨的导电性好。接近绝对零，只拥有少数自由电子，本身可充当绝缘体，随着温度的上升，其导电性会增加。石墨的导电性较许多金属要高，且随着温度的增加其数值下降。石墨的导热性随着其石墨化程度的不同而有所不同。
热膨胀性
石墨的热膨胀系数以3×10-6K-1级排列，即只相当于铁的1/4。不同牌号的石墨其热膨胀系数值会有所变化，也同石墨材料的各向异性及温度有关。
比热
石墨的比热在500K-1500K温度范围内变化较大，它随着温度的增高，也有较大的增高。而不同牌号的石墨，其比热变化很小。
耐温性
石墨不会熔化，但在3900K温度时能耐温至750K。石墨有非常好的抗热冲击性能，因此急速地加热或冷却，石墨都不会有问题。
可加工性
石墨容易加工，其边缘强度和耐磨性好。结构复杂、公差严格的部件都可以通过精加工获得。石墨具有很好的耐浸润性，它不会被熔化的玻璃或大部分金属浸润。
石墨材料在光伏产业中应用分析
光伏平价上网对高效电池的需求促进单晶市场大幅度增长，导致单晶热场石墨件需求大幅度增长，根据机构调研信息，光伏单晶对等静压石墨需求约为0.36吨/MW，2018年需求超过16200吨。
目前单晶行业平均成本50-65元/kg，优秀企业可以做到50元/kg以下，多晶行业平均成本28元/kg，优秀多晶企业铸锭炉成本可以达到22元/kg；石墨热场占单晶非硅成本的20%，多晶铸锭的热场成本约占16%。
石墨材料在光伏产业中的市场预测
光伏用电测平价上网近在眼前，全球每年新增装机量稳步上升，预计19年新增装机量超过122GW；
高效电池逐渐成为市场主流，单晶市场份额逐步扩大，预计18年单晶市场份额从去年的30%提高到50%，预计2020年单晶市场份额超过65%；
随着光伏市场的扩大，晶体生长所需石墨件需求也同比稳步上升。单晶用石墨热场发展趋势，光伏单晶历经十多年发展，单晶成本降低90%，热场尺寸也越来越大，目前市场主流尺寸是26吋热场，预计明后年逐步过渡到28吋热场。国内等静压石墨大部分用于单晶生长炉热场，而石墨坩埚、加热器、保温筒是按顺序包围在石英坩埚外层的，随着热场尺寸的扩大，需要的等静压石墨配件规格越来越大。
N型单晶纯化热场与普通热场相比，平均寿命提高50%左右，提高幅度较大，可以很好地反映热场纯度对单晶品质的影响程度。目前高效电池脱颖而出，对单晶纯度的要求也比以前大幅度提高，尤其是少子寿命的要求；纯化热场寿命远高于普通热场寿命，高纯石墨是未来发展方向。
总结
高纯化、大尺寸是未来光伏单晶用石墨件的主要发展趋势；C/C复合材料会对单晶石墨件造成一定冲击，但不会完全代替石墨件；光伏行业是等静压石墨最主要的市场，等静压石墨件会随着光伏市场的快速增长而增长；预计2020年光伏新增装机量超过140GW，晶体生长用等静压石墨件市场扩大到30亿元。
