光伏发电中硅晶生长用石墨

李明宇 鲍 彬 李 平 张启彪

（1.黑龙江科技学院，哈尔滨 150025；2.黑龙江省科学技术情报研究所，哈尔滨 150001；3.哈尔滨电碳研究所，哈尔滨 150030）

1 引言

随着世界能源危机，绿色能源、能源多元化、可再生能源的利用成了我国可持续发展的战略选择，其中太阳能光伏发电成了当今备受电力科技工作者瞩目地研发的热门课题之一。太阳能光伏发电在能源多元化、绿色能源、可再生能源发展的进行中异军突起、发展迅猛。电子行业半导体材料、太阳能光伏发电用硅晶随之发展迅速。硅晶体生长用石墨坩埚、石墨热场、炭素保温材料等炭素材料成了硅晶制造中的重要关健材料之一，现以引起炭制品开发、生产企业的高度重示。国内部分企业、科研单位在已生产小规格、高纯度、模压石墨和各向同性石墨的同时，现正向大规格高端技术各向同性石墨生产努力，用以满足国内大规格及特大规格石墨坩埚、石墨热场、炭素保温材料的要求。大规格、高纯度各向同性石墨成了当前国內关注的一个重要研发课题。

2 太阳能光伏发电

太阳能光伏发电是绿色能源，也是一种再生能源的利用项目之一，前些年国外发展较快。由于太阳能电池发电设备的制造成本较高，太阳能光伏上网电价约在4元/kW·h以上，阻碍了国内光伏发电的发展。随着太阳能光伏发电技术成熟及所用材料成本下降，已从 4元/kW·h逐降 3元/kW·h、2元/kW·h、1.5元/kW·h左右，距人们关注的1元/kW·h已不遥远。据悉，2009年3月份开标的敦煌10MW光伏电站招标项目，13家最后入围的投标者，平均价已低于1.5元/kW·h，甚至报出 0.69元/kW·h的惊爆价[1]。

据苏州阿特斯公司总裁翟晓华介绍“过去多晶硅占光伏电池成本的70%左右[1]”。硅晶生产中的石墨热场、石墨坩埚等石墨材料又占硅晶制造用核心部件很高成本。5、6年前太阳能电池中单晶硅用石墨进口每公斤3～6美元，2008年每公斤涨到20～26美元。这也是光伏发电成本难降的原因之一。目前我国每年进口硅晶拉制炉用石墨材料数亿美元，近年进囗用外汇可参见表1。估计到2010年后进口半导体、太阳能硅晶生长炉用石墨每年可达10亿美元以上。

表1 近年进口半导体、太阳能电池用石墨外汇量

但是随着硅晶产能、产量的增加和批量化，原材料价格走低等原因，2009年4月份多晶硅价格已跌破100美元/kg，在光伏电池成本中所占比重已由过去的70%降到40%以下。业内人士分析，多晶硅价格有望进一步大幅下降，因为多晶硅价格国内厂家生产成本约50美元/kg，最低28美元/kg并且产能出现过剩。

2009年4月28日，在“2009年中国（洛阳）太阳能光伏生产会”上13家企业发布《洛阳宣言》，称 2012年实现光伏发电上网价格 1元/kW·h的目标。在政府和投资者的支持下，2008年中国光伏组件的产能约为2000MW，而国内安装组件才50MW左右，国内市场所占产能不到 5%。目前中国光伏发电制造产业借助国际市场形成初具规模的加工制造能力。制造装备和多晶硅这两个长期依赖进口的环节，国内已开始蓬勃发展。原先拉制6英寸以下硅片多数用模压高纯石墨坩埚，现8英寸采用各向同性石墨用量极大，进口也供不应求。

目前太阳能光伏发电发展较快，德国准备投资4000亿欧元，在北非撒哈拉沙漠中建造世界最大太阳能发电场，即得塞尔泰克工程[2]。预计2020年建成后将通过新型高压电网从撒哈拉沙漠向欧洲输送20kMW电力，相当于目前20个传统火力发电站的产能。目前在中国外商也加速布局中国光伏市场。徳国SGL公司在我国申请了两项相关专利，2007年4月在台湾申请TW278427《申请用于直拉单晶硅场的高纯膨胀石墨嵌件》，2008年 6月在大陆申请了CN101198827《为改善传热而用太阳能收集器真空管的石墨膨胀体》[3]，他们很注意知识产权保护问题。

近年我国半导体、光伏发电用多晶硅、单晶硅产能也迅速增加，我国近年硅晶产量参见表 2～3。由表可见光伏发电的发展很快、市场很大、经济潜力也很大，光伏发电现已是较成熟技术，如何降低成本是关键，我国前些年光伏发电设备主要是出口发达地区和国家，要想国内得到较快发展，除用好当前政府政策支持与补贴外，还要在光伏发电设备制造、原材料、电站建设并网等多方面降低成本、降低消耗，让光伏电站的建设成本降下来，让上网电价降低到 1元/kW·h以下，让光伏发电更适应国情的发展需要。

表2 国内近年多晶硅产能

表3 国内近年单晶硅产能

我国投资30亿元的太阳能光伏并网发电项目将在宁夏启动，这是全国一次性开工数量最多，规模最大的太阳能光伏并网发电项目之一，总规模15万kW·h，2015年宁夏全区将建成太阳能光伏并网发电项目60万kW·h，同时还要形成从硅材料—电池板—光伏电站的完整光伏产业链条[4]。內蒙古鄂尔多斯市也在研讨建设沙漠太阳能光伏发电场。日前全球最大太阳能办公大楼亮相山东德州，将光伏发电技术与建筑技术结合，建成“日月坛”微排大厦，集展示、科研、办公等功能于一体，大厦总建筑面积达7.5万m2[5]。

3 硅晶生长用石墨材料

在半导体、太阳能光伏发电领域硅晶生长设备用石墨部件有多处，如石墨坩埚、石墨热场、石墨盖板、硅片外延用石墨座、石墨保温罩和炭素保温材料等，所用石墨部件也随硅晶尺寸技术的发展，要求石墨坩埚、石墨热场等材料高纯度、大型化，并向高端化精尖技术发展。

硅晶体的尺寸由2英寸、4英寸、6英寸、8英寸、12英寸至到18英寸，所用石墨坩埚的尺寸也迅速增大。2002年北京有色金属研究总院拉制出我国第一根直径18英寸直拉单晶硅棒。直径18英寸硅单晶抛光片是 12英寸的下一代产品，也是未来22nm线宽的 64G集成电路的衬底材料[6]，对石墨坩埚技术性能要求也更高。过去Φ500mm以下高纯石墨多采用模压及等静压所制高纯石墨，可满足 6英寸以下硅晶拉制坩埚需要。现今晶片发展到 12英寸以上最大到 18英寸，这些大规格硅晶体用石墨坩埚、石墨热场也都大型化和特大型了，所用石墨纯度也大为提高。

据文献显示，日本可生产最大Φ2500mm的冷等静压各相同性石墨[6]，国内一般最大为Φ600mm以下各向同性石墨。为适应硅晶用 Φ1400mm/Φ1160mm×2300mm石墨，国内某单位采用振动成型法试制过该规格石墨坩埚。根据试验产品质量可以达到用户要求。当前大规格Φ600mm以上石墨坩埚主要依赖国外进口，囯内企业尚无有规模厂商业供货。国内主要供应商是德国西格里（SGL）上海有限公司和日本上海东洋炭素公司等外企供货。12英寸、18英寸硅晶片用大规格、特大规模Φ800mm、Φ1200mm、Φ1400mm的石墨坩埚，石墨热场用各向同性石墨国内亟须研发和生产。

3.1 国内硅晶用石墨

半导体，太阳能光伏发电硅晶用石墨以高纯度各向同性石墨为主。高纯石墨的制造成型分模压，挤压，振动成型和冷等静压成型，经过焙烧、浸渍、石墨化、纯化处理等多道工序制成。由于成型等工序不同，石墨制品的最终技术性能也差异甚大。目前半导体硅晶生产企业认同制作硅晶生长用石墨坩埚和石墨热场的材料多为冷等静压成型的各向同性石墨。由于该石墨异方性在 1.05～1.10之间，相比模压成型石墨，导热率优良、抗热振性好、热膨胀系数低、抗折、抗压强度高，与石英坩埚配合适宜等因素，目前大多使用各向同性石墨，但是也在研发试用炭/炭复合材料生产坩埚、热场用硅晶生长的试验。

在冷等静压各向同性石墨生产方面，目前国内受冷等静压设备制造和其他因素影响，国内大规格冷等静压设备难寻，目前国内约有十几家具备生产冷等静压各向同性石墨生产能力的企业（设备、工艺较完善单位），也有少部分可生产各向同性石墨生产单位，是在设备，工艺不完善（没设备，没场地等）情况下找其他行业有该设备的单位代工生产，产品质量不稳定。

目前国内具备生产各向同性石墨，生产设备，工艺等条件的炭材料厂家有成都蓉光炭素公司高纯石墨厂、吉林炭素厂、哈尔滨电碳厂、自贡东新电碳公司等单位，但这些单位由于受冷等静压机缸体尺寸等因素限制了产品规格的大型化发展，制品规格很难增大。近悉四川某地在建中的一厂家，定制了一台国产缸体直径Φ1200mm的特大型冷等静压机，有望生产大规格各向同性石墨。目前商业化生产各向同性石墨的厂家成都蓉光炭素公司产品规格较多、质量稳定。产品规格有 Φ350mm×450mm×Φ585mm×600mm、400mm×400mm×400mm、900mm×540mm×260mm等，在其最大尺寸范围内还可按用户要求尺寸设计加工各向同性石墨。相关技术参数见表 4。哈尔滨电碳厂近年也安装了大型冷等静压机在研制大规格各向同性石墨制品。

表4 成都蓉光炭素各向同性石墨技术参数

目前四川德阳迪泰机械有限公司和天津太平洋机电技术及设备有限公司等单位在冷等静压机设计制造方面也在努力开发大规格冷等静压设备。据悉2006年四川川西机械厂为外商试制过内径 2050mm长为4700mm的冷等静压机，但具体结果笔者不详。

3.2 国外各向同性石墨

由于各向同性石墨有着与其他石墨不同的优良特性，世界各国也都在发展该石墨。据悉日本、德国、美国、法国、俄罗斯等都在开发、生产、应用各向同性石墨，发展较快的要数日本和德国。据相关文献显示，日本近年有几十家企业在开发、制造各向同性石墨。日本在这一领域发展虽然不算早，但是发展较快。美、德、法、日四国生产量的各向同性石墨产量占60%以上，产品规格多，产品尺寸大，是世界上各向同性石墨最大的4个国家。

由于日本有较强的等静压机设计、制造能力，1982年拥有缸体Φ1000mm×700mm等静压机，1986年可生产 Φ1500mm的各向同性石墨。1999年一台特大型等静压机投入应用，可生产Φ2500mm直径的各向同性石墨[7]。产品质量优异，产品技术性能参见表5。图1为各向同性石墨应用比值参考示意图。

图1 各向同性石墨应用比值参考示意图

同性石墨不仅应用于半导体材料、航天、冶金、电火花加工、原子能等工业，还扩大到电机制造、生物工程等方面。各向同性石墨应用领域的比值见图1。

表5 日本部分厂家各向同性石墨技术参数

表6 振动成型石墨坩埚技术参数

3.3 炭/炭复合材料

炭/炭复合材料是新型炭材料之一，不但具有石墨的耐高温、抗氧化等特点，而且还具有机械强度高，使用寿命长等特点。近年研发半导体硅晶生长炉等有关单位也在试用炭/炭复合材料坩埚等部件。我国中南大学粉末冶金研究院在 2003年前后就研究炭/炭复合材料在硅晶生长炉用于制造坩埚、热场、保温罩等应用开发，如今湖南方博云新材料有限公司已开始制造硅晶生长炉用炭/炭复合材料坩埚和炭纤维、炭毡保温材料等制品，并在硅晶生产企业试用。

3.4 特大型各向同性石墨

各向同性石墨规格目前没有明确划分界限。根据大家习惯暂称Φ500mm以下为小型，Φ500mm至Φ1200mm以下为大型，称Φ1300mm以上规格为特大型。当今世界上日本可称为大型、特大型各向同性石墨生产国，日本在炭石墨制造中对等静压成型方式非常重视，无论是等静压设备的设计、制造，到大型、特大型石墨的加工机床配套能力都排世界前列。从 20世纪 70年代开始制造缸体直径为Φ200mm的等静压成型机到近年直径为Φ1500mm、Φ2500mm以上的，发展速度很快。德国 SGL公司提供的各向同性石墨为Φ1200mm规格的大型石墨。

国内在各向同性石墨 Φ500mm 以下已产能过剩，但能生产Φ600mm以上甚少，成都蓉光炭素最大规格Φ585mm×600mm、直径为600mm以下。为解决大型、特大型高纯石墨的需要。华南师范大学陈壹华等[8]采用振动成型技术，研制了 Φ1400mm/Φ1160mm×2300mm 特大型硅晶生长用石墨坩埚制备试验，技术性能参见表 6。主要特性略逊各向同性石墨。但是加工机床、工作平台、浸渍等设备也难配套，产品质量很难稳定。

经过多年的发展，我国现能设计制造Φ1200mm缸体等静压机，目前正在市场化运作，不久将有炭石墨生产企业采用Φ1200mm缸体等静压机，生产我国自己制造的大型各向同性石墨，为电子行业提供生产硅晶用大型石墨坩埚等大规格石墨部件，逐渐实现大规格、特大规格各向同性石墨国产化。

4 分析和展望

目前大规格、特大规格各向同性石墨是我国炭石墨制品中的一项缺口及空白，在电子材料半导体、太阳能光伏发电多晶硅、单晶硅用量大幅猛增的情况下，突显出所用大规格各向同性石墨国产化问题。

由于近年来硅晶产量迅速增长，单单电子行业用各向同性石墨年用进口石墨费用就达10亿美元。我国海关在《对加工贸易单耗标准实务手册》修定时，将电子行业用石墨列出并进行修改，说明国家很重视这一工作，有可能减少石墨进口、减少外汇支出加大国产化比例。

当前发展大规格各向同性石墨可说是个时机，因为太阳能光伏发电的迅猛发展推动了各向同性石墨用量的大增，其他行业的应用市场也在扩大。除了有巨大的市场外，我国炭制品行业中出现了一些热心这一产品开发的厂商。同时有小规格各向同性石墨制造经验、技术人员。可喜的是目前有冷等静压机制造厂开始设计制造大规格（1200mm）冷等静压机，如果顺利近两年可投入生产。在人们研发大规格同性石墨的同时也有单位在开发振动成型石墨、炭/炭复合材料、炭纤维等材料用于硅晶生产用。

但是，目前我国大型各向同性石墨研发制造的瓶颈和不利因素还存在：①大型、特大型冷等静压机的设计制造还没跟上；②其他配套设施不完善，如对大型、特大型（Φ1200mm）石墨件浸渍、焙烧、石墨化、纯化处理、机械加工专用机床等都需完善。我们还要认真学习国外的经验、取其之长、补已之短。但是外企凭借其雄厚的技术经济实力，对我囯进行技术封锁和市场垄断，已开始在我囯建设大型生产装置，并增加了在中国的投资，力图更有效地控制我国市场。在知识产权方面也加紧布置相关保护。这也是我们在新产品研发时不能忽视的一方面。另外还要注意国外的经济保护和经济控制。我国硅晶用石墨市场发展环境极为严峻，产业面临巨大的生存压力与挑战。国内企业如不能在相对较短的时间内奋起直追，加强研发力度，扩大生产规模，增加大型制造设备，硅晶用石墨在国内将继续由外企高度垄断的局面，将直接影响我囯硅晶材料的发展。

当前我国光伏发电已至大规模启动临界点，加上冶金、电火花加工等行业对各向同性石墨需求增加，可说是到了大规格各向同性石墨的发展良机。但是，还要做到有序稳健发展。可喜的是最近我国工信部牵头开始着手建立多晶硅产业监测，预警体系，牵头组织成立国内光伏产业联盟，并与相关部委共同完成全国光伏企业调查工作，在此基础上，将尽快出台多晶硅产业发展的指导意见。

[1]叶超,梁鹏.我国光伏发电已至大规模启动临界点[N].经济参考报,2009.5.20(13).

[2]魏爱苗. 德国将建世界最大太阳能电场[N].经济日报, 2009.7.17(7).

[3]马历乔. 通过专利文献分析美国UCAR和徳囯SGL的研发动态[J].炭素,2009(3)∶46-48.

[4]罗博,武勇. 投资 30亿元的太阳能光伏并网发电项目将在宁夏启动[N].经济参考报,2009.7.8(14).

[5]仁民.最大太阳能办公楼亮相[N].新晚报,2009.11.1(B21).

[6]蒋健纯, 周九宁等.炭/炭复合材料制造硅晶体生产坩埚初探[J].炭素,2004(2)3-7.

[7]冯勇祥. 日本采用冷等静压设备制造各向同性石墨的发展[J]. 炭素,2000(4)37-43.

[8]陈壹华. 特大型硅晶生长用坩埚的工业试验研制[J].炭素技术,2005(1)11-15.