碳/碳復(fù)合材料在直拉單晶硅生產(chǎn)中的應(yīng)用

黃旭光　楊運(yùn)忠　彭豪豪　董彥萌

(晶龍實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司　 河北 邢臺　055550)

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碳/碳復(fù)合材料在直拉單晶硅生產(chǎn)中的應(yīng)用

黃旭光楊運(yùn)忠彭豪豪董彥萌⑤

(晶龍實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 河北 邢臺055550)

單晶硅是太陽能電池的基礎(chǔ)材料，在直拉法單晶硅生產(chǎn)工藝中需要使用大量的等靜壓石墨材料制作熱場，隨著單晶硅生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和所用熱場日漸大型化，應(yīng)用新型的碳/碳復(fù)合材料制作單晶爐熱場成為必然趨勢.碳/碳復(fù)合材料適合于制作大尺寸耐高溫?zé)釄?，并且使用壽命長、穩(wěn)定性高、節(jié)能效果好.

碳/碳復(fù)合材料單晶爐熱場

1　研發(fā)背景

當(dāng)前，國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，已成為為數(shù)不多的中國在國際上保持優(yōu)勢地位的制造業(yè)之一.晶硅電池產(chǎn)業(yè)鏈分為硅原料制備、單晶硅棒多晶硅錠制備、硅片多線切割、電池片生產(chǎn)、組件生產(chǎn)、終端發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用6個主要環(huán)節(jié).在單晶硅棒生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，為提高生產(chǎn)效率、降低成本，各企業(yè)均不斷進(jìn)行技術(shù)革新，而其中最為重要的兩項(xiàng)內(nèi)容是降低耗材使用成本和降低電耗.原有單晶爐普遍采用等靜壓石墨材料制作耐高溫?zé)釄?，但石墨材料使用壽命有限，并且受限于機(jī)械強(qiáng)度很難做薄或加工成異型結(jié)構(gòu).新型的碳/碳復(fù)合材料具有使用壽命長、穩(wěn)定性高、節(jié)能效果好、易于超薄加工及可加工成異型結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，并且隨著其生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，價格下降明顯，未來必將在單晶爐熱場中廣泛使用.

2　技術(shù)分析

2.1直拉法生長單晶硅

直拉法生長單晶硅是一種十分成熟的硅單晶生長方法，其特點(diǎn)是通過電阻加熱方式使盛放在石英坩堝中的硅原料熔化成液態(tài)，通過控制加熱器的功率，升高或降低熔硅的溫度，使其達(dá)到晶體生長的適宜溫度，此時將特定晶向的籽晶與熔硅接觸并生長放大，同時通過提拉機(jī)構(gòu)向上旋轉(zhuǎn)提拉，從而逐漸生長出一根特定晶向、直徑均勻的單晶硅棒.

熱場是單晶硅生長的最重要條件，現(xiàn)階段熱場的主要部件多由石墨材料構(gòu)成，圖1為典型的直拉單晶硅石墨熱場結(jié)構(gòu).石墨熱場主要分為3層結(jié)構(gòu)：內(nèi)層是石墨坩堝、堝托、堝桿，主要作用是支撐石英坩堝及其內(nèi)部的高溫熔硅并帶動其旋轉(zhuǎn)升降；中層是石墨加熱器，主要作用是通過電阻加熱的方式，使硅原料升溫到1 420℃以上熔化，并時刻控制熱場內(nèi)溫度，保證拉晶環(huán)境；外層是上下保溫蓋和中段保溫桶及其配套保溫碳?xì)?，作用是將爐腔內(nèi)的高溫區(qū)與單晶爐不銹鋼爐體隔絕，最大限度降低熱量散失并保護(hù)爐體及人員安全.熱場的設(shè)計必須科學(xué)合理，熱場溫度梯度的分布(圖2)直接影響著能否順利拉制單晶以及成品單晶硅的品質(zhì)優(yōu)劣.

圖1　石墨熱場實(shí)物圖 圖2　單晶爐內(nèi)熱場溫度梯度分布

2.2碳/碳復(fù)合材料

碳/碳復(fù)合材料是以碳纖維及其織物為增強(qiáng)材料,以碳為基體的復(fù)合材料，具有比強(qiáng)度高、比模量高、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)電性好、斷裂朝性大、比重低、抗熱震、耐腐蝕、耐高溫等一系列優(yōu)良性能，目前作為新型耐高溫材料已廣泛應(yīng)用于航空航天、賽車、生物材料等領(lǐng)域.

在直拉單晶硅生產(chǎn)的應(yīng)用中，碳/碳復(fù)合材料對比石墨材料的優(yōu)勢主要有：

(1)表1所示為碳/碳復(fù)合材料與石墨材料的物理特性對比數(shù)據(jù)，從中可以看出碳/碳復(fù)合材料的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于石墨材料，其尺寸穩(wěn)定性、耐沖擊性、抗震性和綜合機(jī)械性能都要好于石墨材料.因此，碳/碳復(fù)合材料能夠做的更薄，并且能夠加工成異型工件.

表1　碳/碳復(fù)合材料與石墨材料物理特性對比

(2)在直拉單晶硅生產(chǎn)中，隨著單晶尺寸的加大，熱場尺寸也逐年擴(kuò)大，由早期的18英寸(1英寸=0.025m)、20英寸、22英寸熱場，逐步擴(kuò)展為24英寸、26英寸，甚至28英寸熱場.在加工工藝方面，目前大尺寸石墨均是等靜壓成型，尺寸越大成本越高，而且等靜壓石墨是首先制備實(shí)心棒料或塊料，再按圖紙尺寸加工成配件，在加工過程中材料浪費(fèi)嚴(yán)重；而碳/碳復(fù)合材料可以根據(jù)產(chǎn)品需要編織出任意尺寸和形狀的預(yù)制件，再通過一定的增密工藝(浸漬或氣相沉積)制造出所需產(chǎn)品，因此產(chǎn)品尺寸越大其性價比也就越高.由于等靜壓石墨材料尺寸加大所付出的成本代價很大，而碳/碳復(fù)合材料尺寸加大對成本的負(fù)荷不重，因此隨著單晶爐熱場加大，碳/碳復(fù)合材料將具有更大優(yōu)勢.

(3)在同等使用條件下，碳/碳復(fù)合材料的使用壽命比石墨材料延長1倍，因此其綜合性價比更高.

3　項(xiàng)目實(shí)施

3.1熱場設(shè)計

碳/碳復(fù)合材料保溫件和結(jié)構(gòu)件能夠做的很薄，這更好地滿足了企業(yè)在不更換原有單晶爐設(shè)備的基礎(chǔ)上，直接更換更大尺寸熱場的需求.

方案1：原有漢虹95爐采用石墨材質(zhì)22英寸熱場，在整體石墨熱場完全不用調(diào)整的前提下，利用碳/碳復(fù)合材料能夠加工的更薄且支撐強(qiáng)度仍然足夠的特性，僅更換23英寸碳/碳材質(zhì)坩堝，在投入極小的情況下，使原有22英寸熱場升級為23英寸熱場.經(jīng)驗(yàn)證，23英寸熱場能增加投料量9%，有效提高拉晶單產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本.

方案2：原有漢虹95爐采用石墨材質(zhì)22英寸熱場，將整體熱場全部更換為碳/碳復(fù)合材料，可升級為24英寸熱場.經(jīng)驗(yàn)證，24英寸熱場能增加投料量19%，有效提高拉晶單產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本.在能耗方面，實(shí)際使用證明，使用碳/碳復(fù)合材料可節(jié)電10%～20%.

3.2防護(hù)涂層改進(jìn)

直拉單晶爐內(nèi)微量氧的存在，會氧化碳/碳熱場部件，降低熱場的使用壽命.因此，對直拉單晶爐內(nèi)碳/碳熱場部件的抗氧化防護(hù)顯得尤為必要，其中涂層技術(shù)是一個最佳選擇.

經(jīng)分析，涂層材料應(yīng)具有以下幾個特點(diǎn)：能夠提供有效防護(hù)屏障，以防止氧在材料界面和組織結(jié)構(gòu)內(nèi)部擴(kuò)散，即具有較低的氧滲透率；防護(hù)涂層與基體材料之間應(yīng)具有良好的化學(xué)相容性與物理相容性和穩(wěn)定性；涂層材料不能對碳/碳材料的氧化反應(yīng)有催化作用；涂層材料應(yīng)具有較低的揮發(fā)性，以防止涂層材料在高速氣流中或高溫環(huán)境下工作時，涂層因過度損耗而失效；涂層不能降低復(fù)合材料的優(yōu)良機(jī)械性能；涂層與基體材料之間具有較為接近的熱膨脹系數(shù)，不易剝落；涂層應(yīng)較為致密，且具有高溫自愈合能力.

由于單層涂層無法同時兼顧抗氧化防護(hù)和良好的結(jié)合性能，因此我們采用多層涂層技術(shù).SiC與碳/碳材料具有相近的熱膨脹系數(shù)、良好的物理化學(xué)相容性、耐高溫性能，用作內(nèi)涂層；外涂層材料則選用耐火氧化物、高溫玻璃或高溫合金作為密封層.

4　結(jié)論

技術(shù)分析與實(shí)際使用情況均表明，碳/碳復(fù)合材料完全可以直接應(yīng)用于直拉單晶硅行業(yè)，其使用效果良好.碳/碳復(fù)合材料的使用為直拉單晶硅行業(yè)積極研發(fā)新型熱場材料取代高耗能、高耗材的石墨材料，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排提供了新的思路.雖然目前國內(nèi)大部分直拉單晶硅制備企業(yè)依然在使用傳統(tǒng)的石墨材料制作熱場，但隨著碳/碳復(fù)合材料在國內(nèi)外同行業(yè)中的大范圍應(yīng)用和技術(shù)人員對其性能更深入的了解，碳/碳復(fù)合材料勢必會受到越來越多的關(guān)注.

⑤黃旭光(1980-)，中級工程師，主要從事太陽能級單晶硅、太陽能電池片的工藝研發(fā).

2016-02-16)