光伏發電中硅晶生長用石墨

李明宇 鮑 彬 李 平 張啟彪

（1.黑龍江科技學院，哈爾濱 150025；2.黑龍江省科學技術情報研究所，哈爾濱 150001；3.哈爾濱電碳研究所，哈爾濱 150030）

1 引言

隨著世界能源危機，綠色能源、能源多元化、可再生能源的利用成了我國可持續發展的戰略選擇，其中太陽能光伏發電成了當今備受電力科技工作者矚目地研發的熱門課題之一。太陽能光伏發電在能源多元化、綠色能源、可再生能源發展的進行中異軍突起、發展迅猛。電子行業半導體材料、太陽能光伏發電用硅晶隨之發展迅速。硅晶體生長用石墨坩堝、石墨熱場、炭素保溫材料等炭素材料成了硅晶制造中的重要關健材料之一，現以引起炭制品開發、生產企業的高度重示。國內部分企業、科研單位在已生產小規格、高純度、模壓石墨和各向同性石墨的同時，現正向大規格高端技術各向同性石墨生產努力，用以滿足國內大規格及特大規格石墨坩堝、石墨熱場、炭素保溫材料的要求。大規格、高純度各向同性石墨成了當前國內關注的一個重要研發課題。

2 太陽能光伏發電

太陽能光伏發電是綠色能源，也是一種再生能源的利用項目之一，前些年國外發展較快。由于太陽能電池發電設備的制造成本較高，太陽能光伏上網電價約在4元/kW·h以上，阻礙了國內光伏發電的發展。隨著太陽能光伏發電技術成熟及所用材料成本下降，已從 4元/kW·h逐降 3元/kW·h、2元/kW·h、1.5元/kW·h左右，距人們關注的1元/kW·h已不遙遠。據悉，2009年3月份開標的敦煌10MW光伏電站招標項目，13家最后入圍的投標者，平均價已低于1.5元/kW·h，甚至報出 0.69元/kW·h的驚爆價[1]。

據蘇州阿特斯公司總裁翟曉華介紹“過去多晶硅占光伏電池成本的70%左右[1]”。硅晶生產中的石墨熱場、石墨坩堝等石墨材料又占硅晶制造用核心部件很高成本。5、6年前太陽能電池中單晶硅用石墨進口每公斤3～6美元，2008年每公斤漲到20～26美元。這也是光伏發電成本難降的原因之一。目前我國每年進口硅晶拉制爐用石墨材料數億美元，近年進囗用外匯可參見表1。估計到2010年后進口半導體、太陽能硅晶生長爐用石墨每年可達10億美元以上。

表1 近年進口半導體、太陽能電池用石墨外匯量

但是隨著硅晶產能、產量的增加和批量化，原材料價格走低等原因，2009年4月份多晶硅價格已跌破100美元/kg，在光伏電池成本中所占比重已由過去的70%降到40%以下。業內人士分析，多晶硅價格有望進一步大幅下降，因為多晶硅價格國內廠家生產成本約50美元/kg，最低28美元/kg并且產能出現過剩。

2009年4月28日，在“2009年中國（洛陽）太陽能光伏生產會”上13家企業發布《洛陽宣言》，稱 2012年實現光伏發電上網價格 1元/kW·h的目標。在政府和投資者的支持下，2008年中國光伏組件的產能約為2000MW，而國內安裝組件才50MW左右，國內市場所占產能不到 5%。目前中國光伏發電制造產業借助國際市場形成初具規模的加工制造能力。制造裝備和多晶硅這兩個長期依賴進口的環節，國內已開始蓬勃發展。原先拉制6英寸以下硅片多數用模壓高純石墨坩堝，現8英寸采用各向同性石墨用量極大，進口也供不應求。

目前太陽能光伏發電發展較快，德國準備投資4000億歐元，在北非撒哈拉沙漠中建造世界最大太陽能發電場，即得塞爾泰克工程[2]。預計2020年建成后將通過新型高壓電網從撒哈拉沙漠向歐洲輸送20kMW電力，相當于目前20個傳統火力發電站的產能。目前在中國外商也加速布局中國光伏市場。徳國SGL公司在我國申請了兩項相關專利，2007年4月在臺灣申請TW278427《申請用于直拉單晶硅場的高純膨脹石墨嵌件》，2008年 6月在大陸申請了CN101198827《為改善傳熱而用太陽能收集器真空管的石墨膨脹體》[3]，他們很注意知識產權保護問題。

近年我國半導體、光伏發電用多晶硅、單晶硅產能也迅速增加，我國近年硅晶產量參見表 2～3。由表可見光伏發電的發展很快、市場很大、經濟潛力也很大，光伏發電現已是較成熟技術，如何降低成本是關鍵，我國前些年光伏發電設備主要是出口發達地區和國家，要想國內得到較快發展，除用好當前政府政策支持與補貼外，還要在光伏發電設備制造、原材料、電站建設并網等多方面降低成本、降低消耗，讓光伏電站的建設成本降下來，讓上網電價降低到 1元/kW·h以下，讓光伏發電更適應國情的發展需要。

表2 國內近年多晶硅產能

表3 國內近年單晶硅產能

我國投資30億元的太陽能光伏并網發電項目將在寧夏啟動，這是全國一次性開工數量最多，規模最大的太陽能光伏并網發電項目之一，總規模15萬kW·h，2015年寧夏全區將建成太陽能光伏并網發電項目60萬kW·h，同時還要形成從硅材料—電池板—光伏電站的完整光伏產業鏈條[4]。內蒙古鄂爾多斯市也在研討建設沙漠太陽能光伏發電場。日前全球最大太陽能辦公大樓亮相山東德州，將光伏發電技術與建筑技術結合，建成“日月壇”微排大廈，集展示、科研、辦公等功能于一體，大廈總建筑面積達7.5萬m2[5]。

3 硅晶生長用石墨材料

在半導體、太陽能光伏發電領域硅晶生長設備用石墨部件有多處，如石墨坩堝、石墨熱場、石墨蓋板、硅片外延用石墨座、石墨保溫罩和炭素保溫材料等，所用石墨部件也隨硅晶尺寸技術的發展，要求石墨坩堝、石墨熱場等材料高純度、大型化，并向高端化精尖技術發展。

硅晶體的尺寸由2英寸、4英寸、6英寸、8英寸、12英寸至到18英寸，所用石墨坩堝的尺寸也迅速增大。2002年北京有色金屬研究總院拉制出我國第一根直徑18英寸直拉單晶硅棒。直徑18英寸硅單晶拋光片是 12英寸的下一代產品，也是未來22nm線寬的 64G集成電路的襯底材料[6]，對石墨坩堝技術性能要求也更高。過去Φ500mm以下高純石墨多采用模壓及等靜壓所制高純石墨，可滿足 6英寸以下硅晶拉制坩堝需要。現今晶片發展到 12英寸以上最大到 18英寸，這些大規格硅晶體用石墨坩堝、石墨熱場也都大型化和特大型了，所用石墨純度也大為提高。

據文獻顯示，日本可生產最大Φ2500mm的冷等靜壓各相同性石墨[6]，國內一般最大為Φ600mm以下各向同性石墨。為適應硅晶用 Φ1400mm/Φ1160mm×2300mm石墨，國內某單位采用振動成型法試制過該規格石墨坩堝。根據試驗產品質量可以達到用戶要求。當前大規格Φ600mm以上石墨坩堝主要依賴國外進口，囯內企業尚無有規模廠商業供貨。國內主要供應商是德國西格里（SGL）上海有限公司和日本上海東洋炭素公司等外企供貨。12英寸、18英寸硅晶片用大規格、特大規模Φ800mm、Φ1200mm、Φ1400mm的石墨坩堝，石墨熱場用各向同性石墨國內亟須研發和生產。

3.1 國內硅晶用石墨

半導體，太陽能光伏發電硅晶用石墨以高純度各向同性石墨為主。高純石墨的制造成型分模壓，擠壓，振動成型和冷等靜壓成型，經過焙燒、浸漬、石墨化、純化處理等多道工序制成。由于成型等工序不同，石墨制品的最終技術性能也差異甚大。目前半導體硅晶生產企業認同制作硅晶生長用石墨坩堝和石墨熱場的材料多為冷等靜壓成型的各向同性石墨。由于該石墨異方性在 1.05～1.10之間，相比模壓成型石墨，導熱率優良、抗熱振性好、熱膨脹系數低、抗折、抗壓強度高，與石英坩堝配合適宜等因素，目前大多使用各向同性石墨，但是也在研發試用炭/炭復合材料生產坩堝、熱場用硅晶生長的試驗。

在冷等靜壓各向同性石墨生產方面，目前國內受冷等靜壓設備制造和其他因素影響，國內大規格冷等靜壓設備難尋，目前國內約有十幾家具備生產冷等靜壓各向同性石墨生產能力的企業（設備、工藝較完善單位），也有少部分可生產各向同性石墨生產單位，是在設備，工藝不完善（沒設備，沒場地等）情況下找其他行業有該設備的單位代工生產，產品質量不穩定。

目前國內具備生產各向同性石墨，生產設備，工藝等條件的炭材料廠家有成都蓉光炭素公司高純石墨廠、吉林炭素廠、哈爾濱電碳廠、自貢東新電碳公司等單位，但這些單位由于受冷等靜壓機缸體尺寸等因素限制了產品規格的大型化發展，制品規格很難增大。近悉四川某地在建中的一廠家，定制了一臺國產缸體直徑Φ1200mm的特大型冷等靜壓機，有望生產大規格各向同性石墨。目前商業化生產各向同性石墨的廠家成都蓉光炭素公司產品規格較多、質量穩定。產品規格有 Φ350mm×450mm×Φ585mm×600mm、400mm×400mm×400mm、900mm×540mm×260mm等，在其最大尺寸范圍內還可按用戶要求尺寸設計加工各向同性石墨。相關技術參數見表 4。哈爾濱電碳廠近年也安裝了大型冷等靜壓機在研制大規格各向同性石墨制品。

表4 成都蓉光炭素各向同性石墨技術參數

目前四川德陽迪泰機械有限公司和天津太平洋機電技術及設備有限公司等單位在冷等靜壓機設計制造方面也在努力開發大規格冷等靜壓設備。據悉2006年四川川西機械廠為外商試制過內徑 2050mm長為4700mm的冷等靜壓機，但具體結果筆者不詳。

3.2 國外各向同性石墨

由于各向同性石墨有著與其他石墨不同的優良特性，世界各國也都在發展該石墨。據悉日本、德國、美國、法國、俄羅斯等都在開發、生產、應用各向同性石墨，發展較快的要數日本和德國。據相關文獻顯示，日本近年有幾十家企業在開發、制造各向同性石墨。日本在這一領域發展雖然不算早，但是發展較快。美、德、法、日四國生產量的各向同性石墨產量占60%以上，產品規格多，產品尺寸大，是世界上各向同性石墨最大的4個國家。

由于日本有較強的等靜壓機設計、制造能力，1982年擁有缸體Φ1000mm×700mm等靜壓機，1986年可生產 Φ1500mm的各向同性石墨。1999年一臺特大型等靜壓機投入應用，可生產Φ2500mm直徑的各向同性石墨[7]。產品質量優異，產品技術性能參見表5。圖1為各向同性石墨應用比值參考示意圖。

圖1 各向同性石墨應用比值參考示意圖

同性石墨不僅應用于半導體材料、航天、冶金、電火花加工、原子能等工業，還擴大到電機制造、生物工程等方面。各向同性石墨應用領域的比值見圖1。

表5 日本部分廠家各向同性石墨技術參數

表6 振動成型石墨坩堝技術參數

3.3 炭/炭復合材料

炭/炭復合材料是新型炭材料之一，不但具有石墨的耐高溫、抗氧化等特點，而且還具有機械強度高，使用壽命長等特點。近年研發半導體硅晶生長爐等有關單位也在試用炭/炭復合材料坩堝等部件。我國中南大學粉末冶金研究院在 2003年前后就研究炭/炭復合材料在硅晶生長爐用于制造坩堝、熱場、保溫罩等應用開發，如今湖南方博云新材料有限公司已開始制造硅晶生長爐用炭/炭復合材料坩堝和炭纖維、炭氈保溫材料等制品，并在硅晶生產企業試用。

3.4 特大型各向同性石墨

各向同性石墨規格目前沒有明確劃分界限。根據大家習慣暫稱Φ500mm以下為小型，Φ500mm至Φ1200mm以下為大型，稱Φ1300mm以上規格為特大型。當今世界上日本可稱為大型、特大型各向同性石墨生產國，日本在炭石墨制造中對等靜壓成型方式非常重視，無論是等靜壓設備的設計、制造，到大型、特大型石墨的加工機床配套能力都排世界前列。從 20世紀 70年代開始制造缸體直徑為Φ200mm的等靜壓成型機到近年直徑為Φ1500mm、Φ2500mm以上的，發展速度很快。德國 SGL公司提供的各向同性石墨為Φ1200mm規格的大型石墨。

國內在各向同性石墨 Φ500mm 以下已產能過剩，但能生產Φ600mm以上甚少，成都蓉光炭素最大規格Φ585mm×600mm、直徑為600mm以下。為解決大型、特大型高純石墨的需要。華南師范大學陳壹華等[8]采用振動成型技術，研制了 Φ1400mm/Φ1160mm×2300mm 特大型硅晶生長用石墨坩堝制備試驗，技術性能參見表 6。主要特性略遜各向同性石墨。但是加工機床、工作平臺、浸漬等設備也難配套，產品質量很難穩定。

經過多年的發展，我國現能設計制造Φ1200mm缸體等靜壓機，目前正在市場化運作，不久將有炭石墨生產企業采用Φ1200mm缸體等靜壓機，生產我國自己制造的大型各向同性石墨，為電子行業提供生產硅晶用大型石墨坩堝等大規格石墨部件，逐漸實現大規格、特大規格各向同性石墨國產化。

4 分析和展望

目前大規格、特大規格各向同性石墨是我國炭石墨制品中的一項缺口及空白，在電子材料半導體、太陽能光伏發電多晶硅、單晶硅用量大幅猛增的情況下，突顯出所用大規格各向同性石墨國產化問題。

由于近年來硅晶產量迅速增長，單單電子行業用各向同性石墨年用進口石墨費用就達10億美元。我國海關在《對加工貿易單耗標準實務手冊》修定時，將電子行業用石墨列出并進行修改，說明國家很重視這一工作，有可能減少石墨進口、減少外匯支出加大國產化比例。

當前發展大規格各向同性石墨可說是個時機，因為太陽能光伏發電的迅猛發展推動了各向同性石墨用量的大增，其他行業的應用市場也在擴大。除了有巨大的市場外，我國炭制品行業中出現了一些熱心這一產品開發的廠商。同時有小規格各向同性石墨制造經驗、技術人員。可喜的是目前有冷等靜壓機制造廠開始設計制造大規格（1200mm）冷等靜壓機，如果順利近兩年可投入生產。在人們研發大規格同性石墨的同時也有單位在開發振動成型石墨、炭/炭復合材料、炭纖維等材料用于硅晶生產用。

但是，目前我國大型各向同性石墨研發制造的瓶頸和不利因素還存在：①大型、特大型冷等靜壓機的設計制造還沒跟上；②其他配套設施不完善，如對大型、特大型（Φ1200mm）石墨件浸漬、焙燒、石墨化、純化處理、機械加工專用機床等都需完善。我們還要認真學習國外的經驗、取其之長、補已之短。但是外企憑借其雄厚的技術經濟實力，對我囯進行技術封鎖和市場壟斷，已開始在我囯建設大型生產裝置，并增加了在中國的投資，力圖更有效地控制我國市場。在知識產權方面也加緊布置相關保護。這也是我們在新產品研發時不能忽視的一方面。另外還要注意國外的經濟保護和經濟控制。我國硅晶用石墨市場發展環境極為嚴峻，產業面臨巨大的生存壓力與挑戰。國內企業如不能在相對較短的時間內奮起直追，加強研發力度，擴大生產規模，增加大型制造設備，硅晶用石墨在國內將繼續由外企高度壟斷的局面，將直接影響我囯硅晶材料的發展。

當前我國光伏發電已至大規模啟動臨界點，加上冶金、電火花加工等行業對各向同性石墨需求增加，可說是到了大規格各向同性石墨的發展良機。但是，還要做到有序穩健發展。可喜的是最近我國工信部牽頭開始著手建立多晶硅產業監測，預警體系，牽頭組織成立國內光伏產業聯盟，并與相關部委共同完成全國光伏企業調查工作，在此基礎上，將盡快出臺多晶硅產業發展的指導意見。

[1]葉超,梁鵬.我國光伏發電已至大規模啟動臨界點[N].經濟參考報,2009.5.20(13).

[2]魏愛苗. 德國將建世界最大太陽能電場[N].經濟日報, 2009.7.17(7).

[3]馬歷喬. 通過專利文獻分析美國UCAR和徳囯SGL的研發動態[J].炭素,2009(3)∶46-48.

[4]羅博,武勇. 投資 30億元的太陽能光伏并網發電項目將在寧夏啟動[N].經濟參考報,2009.7.8(14).

[5]仁民.最大太陽能辦公樓亮相[N].新晚報,2009.11.1(B21).

[6]蔣健純, 周九寧等.炭/炭復合材料制造硅晶體生產坩堝初探[J].炭素,2004(2)3-7.

[7]馮勇祥. 日本采用冷等靜壓設備制造各向同性石墨的發展[J]. 炭素,2000(4)37-43.

[8]陳壹華. 特大型硅晶生長用坩堝的工業試驗研制[J].炭素技術,2005(1)11-15.