中國粉體網訊 隨著當今世界的不斷發展，不可再生能源日益枯竭，人類社會對“風光水核”為代表的可再生能源的高效利用日漸緊迫。相較于其它可再生能源，人類對太陽能的利用技術最為成熟，安全可靠。其中，以高純硅為基板的光伏電池產業發展極為迅猛。截至2023年底，我國的累計太陽能光伏裝機容量已經超過250千兆瓦，光伏發電累計達2663億千瓦時，同比增長約30%，新增發電裝機規模7842萬千瓦，同比增長154%。截至6月底，光伏發電累計裝機規模約4.7億千瓦，已超過水電成為我國裝機規模第二大電源。
在光伏產業飛速發展的同時，與之配套的新材料產業也在迅速發展，其中石英坩堝、石英舟、石英瓶等石英部件便在其列，在光伏制造過程中扮演著重要角色，如石英坩堝在硅棒、硅錠生產中用于盛裝熔融硅；石英舟、管、瓶、清洗槽等在電池片生產過程中的擴散、清洗等工藝環節中起到承載功能等，保障了硅材料的純凈度和質量。
光伏制造用石英部件的主要應用
01.某些環節，石英部件未必“最香”
在太陽能光伏電池的制造過程中，硅片放置在小舟上，小舟放置于舟托上進行擴散、LPCVD等熱制程，而碳化硅懸臂槳（桿）是將承載硅片的舟托移入和移出加熱爐的關鍵裝載部件。如下圖所示，碳化硅懸臂槳（桿）能夠保證硅片與爐管的同心度，進而使擴散、鈍化更均勻，同時在高溫下無污染、不變形，具有良好的抗熱震穩定性、載重量大，已被廣泛應用于光伏電池領域。
電池關鍵裝載部件示意圖
傳統的石英舟和舟托，在軟著陸擴散工藝流程中，需要將硅片連同石英舟托一起放入擴散爐內的石英管中。在每次擴散工藝中，將裝滿硅片的石英舟托放到碳化硅槳上，碳化硅槳進入石英管后，槳自動下沉放下石英舟托和硅片，然后慢慢運行回原點，每次工藝結束后，都需要將石英舟托從碳化硅槳上取下。如此頻繁的操作，長時間會造成石英舟托磨損，一旦石英舟托出現裂紋斷裂，整個石英舟托就會從碳化硅槳上掉落下來，進而砸壞下方的石英件、硅片和碳化硅槳。碳化硅槳的價格昂貴且不可返修，一旦出現事故就會造成巨大的財產損失。
在LPCVD環節，不僅會出現上述的熱應力問題，由于LPCVD工藝要對硅片通硅烷氣體，長期的工藝還會讓舟托和小舟表現形成硅涂層，由于涂層硅和石英熱膨脹系數不一致，導致舟托和小舟開裂，壽命嚴重降低。普通的石英舟、舟托在LPCVD工序壽命通常只有2～3個月。因此，改善舟托材料提高舟托強度及使用壽命從而避免此類事故的發生顯得尤為重要。
總之，在電池片生產過程中隨著工藝時間及次數的增加，石英舟等部件容易發生隱裂甚至斷裂，國內當前主流量產線石英舟和石英管壽命約3-6月，需定期停機清洗、維護、更換石英載具。而且，石英部件所用原料高純度石英砂目前處于供需緊張，價格長期高位運行的狀態，這顯然不利于生產效率與經濟效益的提高。
02.碳化硅陶瓷“露臉”
現在，人們想到了一種性能更好的材料來代替部分石英部件——碳化硅陶瓷。
碳化硅陶瓷具有良好的機械強度、熱穩定性、耐高溫性、抗氧化性、抗熱震性及耐化學腐蝕性，被廣泛應用于冶金、機械、新能源和建材化工等熱門領域。其性能也足以勝任光伏制造中TOPcon電池的擴散、LPCVD（低壓化學氣相沉積）、PECVD（等離子化學氣相沉積）等熱制程環節。
LPCVD碳化硅舟托與硼擴用碳化硅舟托
相比于傳統的石英材料，碳化硅陶瓷材料制作的舟托、小舟、管件制品強度更高，熱穩定性更好，高溫使用不變形，且壽命是石英材質的5倍以上，可顯著降低使用成本及維修停線造成的常能損失，成本優勢明顯，且原料來源廣泛。
其中，反應燒結碳化硅（Reaction Bonded Silicon Carbide，RBSC）燒結溫度低、生產成本低、材料致密化程度較高，特別是反應燒結過程中幾乎不發生體積收縮現象，特別適合大尺寸復雜形狀結構件的制備，因此最適合于生產舟托、小舟、懸臂槳、爐管等大尺寸復雜產品。
據了解，如隆基綠能科技股份有限公司、晶科能源股份有限公司、一道新能源科技股份有限公司等光伏龍頭企業已開始使用碳化硅舟托。
碳化硅舟托市場規模及預測，來源：頭豹
碳化硅小舟未來也很有發展前景。無論LPCVD過程還是硼擴過程，石英舟的壽命都相對較低，且石英材料的熱膨脹系數和碳化硅材料不一致，因此在高溫下和碳化硅舟托的配合過程中也容易出現偏差，進而導致晃舟甚至碎舟的情況。碳化硅小舟采用一體成型，整體加工的工藝路線，其形位公差要求高，和碳化硅舟托配合更好，且碳化硅強度高，因人為碰撞導致的小舟碎裂情況要比石英舟少很多。
碳化硅舟
爐管是爐膛的主要傳熱部件，起到密封、傳熱均勻的效果。碳化硅爐管相較于石英爐管具有導熱性好，受熱均勻，熱穩定性好的特點，壽命是石英管的5倍以上。但是，碳化硅爐管制造難度非常高，成品率也非常低，目前仍處于研發狀態，還未批量生產。
小結
綜合比較而言，無論是產品性能，還是使用成本，碳化硅陶瓷材料在太陽能電池領域的某些環節都比石英材料更具有優勢，碳化硅陶瓷材料應用于光伏行業，對光伏企業減少輔材投資成本，提高產品質量和競爭力有著巨大的幫助。未來，隨著大尺寸碳化硅爐管，高純碳化硅舟、舟托的大量應用及成本的不斷降低，碳化硅陶瓷材料在光伏電池領域的應用將會成為光伏發電領域提高光能轉化效率，降低行業成本的關鍵因素，對光伏新能源發展有重要影響。
參考來源：
[1]李夢飛等.碳化硅陶瓷在光伏領域的應用與研究
[2]馬文杰.光伏直流微電網碳化硅高壓變換器拓撲及效率優化研究
[3]頭豹詞條、光伏研習社、中國粉體網
（中國粉體網編輯整理/山川）
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