碳/碳復合材料在直拉單晶硅生產中的應用

黃旭光　楊運忠　彭豪豪　董彥萌

(晶龍實業集團有限公司　 河北 邢臺　055550)

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碳/碳復合材料在直拉單晶硅生產中的應用

黃旭光楊運忠彭豪豪董彥萌⑤

(晶龍實業集團有限公司 河北 邢臺055550)

單晶硅是太陽能電池的基礎材料，在直拉法單晶硅生產工藝中需要使用大量的等靜壓石墨材料制作熱場，隨著單晶硅生產規模的擴大和所用熱場日漸大型化，應用新型的碳/碳復合材料制作單晶爐熱場成為必然趨勢.碳/碳復合材料適合于制作大尺寸耐高溫熱場，并且使用壽命長、穩定性高、節能效果好.

碳/碳復合材料單晶爐熱場

1　研發背景

當前，國內光伏產業迅猛發展，已成為為數不多的中國在國際上保持優勢地位的制造業之一.晶硅電池產業鏈分為硅原料制備、單晶硅棒多晶硅錠制備、硅片多線切割、電池片生產、組件生產、終端發電系統應用6個主要環節.在單晶硅棒生產環節中，為提高生產效率、降低成本，各企業均不斷進行技術革新，而其中最為重要的兩項內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熱場，但石墨材料使用壽命有限，并且受限于機械強度很難做薄或加工成異型結構.新型的碳/碳復合材料具有使用壽命長、穩定性高、節能效果好、易于超薄加工及可加工成異型結構等優勢，并且隨著其生產規模的擴大，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，通過控制加熱器的功率，升高或降低熔硅的溫度，使其達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，同時通過提拉機構向上旋轉提拉，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，現階段熱場的主要部件多由石墨材料構成，圖1為典型的直拉單晶硅石墨熱場結構.石墨熱場主要分為3層結構：內層是石墨坩堝、堝托、堝桿，主要作用是支撐石英坩堝及其內部的高溫熔硅并帶動其旋轉升降；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，并時刻控制熱場內溫度，保證拉晶環境；外層是上下保溫蓋和中段保溫桶及其配套保溫碳氈，作用是將爐腔內的高溫區與單晶爐不銹鋼爐體隔絕，最大限度降低熱量散失并保護爐體及人員安全.熱場的設計必須科學合理，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優劣.

圖1　石墨熱場實物圖 圖2　單晶爐內熱場溫度梯度分布

2.2碳/碳復合材料

碳/碳復合材料是以碳纖維及其織物為增強材料,以碳為基體的復合材料，具有比強度高、比模量高、熱膨脹系數低、導電性好、斷裂朝性大、比重低、抗熱震、耐腐蝕、耐高溫等一系列優良性能，目前作為新型耐高溫材料已廣泛應用于航空航天、賽車、生物材料等領域.

在直拉單晶硅生產的應用中，碳/碳復合材料對比石墨材料的優勢主要有：

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

表1　碳/碳復合材料與石墨材料物理特性對比

(2)在直拉單晶硅生產中，隨著單晶尺寸的加大，熱場尺寸也逐年擴大，由早期的18英寸(1英寸=0.025m)、20英寸、22英寸熱場，逐步擴展為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嚴重；而碳/碳復合材料可以根據產品需要編織出任意尺寸和形狀的預制件，再通過一定的增密工藝(浸漬或氣相沉積)制造出所需產品，因此產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/碳復合材料尺寸加大對成本的負荷不重，因此隨著單晶爐熱場加大，碳/碳復合材料將具有更大優勢.

(3)在同等使用條件下，碳/碳復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　項目實施

3.1熱場設計

碳/碳復合材料保溫件和結構件能夠做的很薄，這更好地滿足了企業在不更換原有單晶爐設備的基礎上，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22英寸熱場，在整體石墨熱場完全不用調整的前提下，利用碳/碳復合材料能夠加工的更薄且支撐強度仍然足夠的特性，僅更換23英寸碳/碳材質坩堝，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.經驗證，23英寸熱場能增加投料量9%，有效提高拉晶單產，降低生產成本.

方案2：原有漢虹95爐采用石墨材質22英寸熱場，將整體熱場全部更換為碳/碳復合材料，可升級為24英寸熱場.經驗證，24英寸熱場能增加投料量19%，有效提高拉晶單產，降低生產成本.在能耗方面，實際使用證明，使用碳/碳復合材料可節電10%～20%.

3.2防護涂層改進

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

經分析，涂層材料應具有以下幾個特點：能夠提供有效防護屏障，以防止氧在材料界面和組織結構內部擴散，即具有較低的氧滲透率；防護涂層與基體材料之間應具有良好的化學相容性與物理相容性和穩定性；涂層材料不能對碳/碳材料的氧化反應有催化作用；涂層材料應具有較低的揮發性，以防止涂層材料在高速氣流中或高溫環境下工作時，涂層因過度損耗而失效；涂層不能降低復合材料的優良機械性能；涂層與基體材料之間具有較為接近的熱膨脹系數，不易剝落；涂層應較為致密，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和良好的結合性能，因此我們采用多層涂層技術.SiC與碳/碳材料具有相近的熱膨脹系數、良好的物理化學相容性、耐高溫性能，用作內涂層；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　結論

技術分析與實際使用情況均表明，碳/碳復合材料完全可以直接應用于直拉單晶硅行業，其使用效果良好.碳/碳復合材料的使用為直拉單晶硅行業積極研發新型熱場材料取代高耗能、高耗材的石墨材料，實現節能減排提供了新的思路.雖然目前國內大部分直拉單晶硅制備企業依然在使用傳統的石墨材料制作熱場，但隨著碳/碳復合材料在國內外同行業中的大范圍應用和技術人員對其性能更深入的了解，碳/碳復合材料勢必會受到越來越多的關注.

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.

2016-02-16)