中国粉体网讯 随着当今世界的不断发展，不可再生能源日益枯竭，人类社会对“风光水核”为代表的可再生能源的高效利用日渐紧迫。相较于其它可再生能源，人类对太阳能的利用技术最为成熟，安全可靠。其中，以高纯硅为基板的光伏电池产业发展极为迅猛。截至2023年底，我国的累计太阳能光伏装机容量已经超过250千兆瓦，光伏发电累计达2663亿千瓦时，同比增长约30%，新增发电装机规模7842万千瓦，同比增长154%。截至6月底，光伏发电累计装机规模约4.7亿千瓦，已超过水电成为我国装机规模第二大电源。
在光伏产业飞速发展的同时，与之配套的新材料产业也在迅速发展，其中石英坩埚、石英舟、石英瓶等石英部件便在其列，在光伏制造过程中扮演着重要角色，如石英坩埚在硅棒、硅锭生产中用于盛装熔融硅；石英舟、管、瓶、清洗槽等在电池片生产过程中的扩散、清洗等工艺环节中起到承载功能等，保障了硅材料的纯净度和质量。
光伏制造用石英部件的主要应用
01.某些环节，石英部件未必“最香”
在太阳能光伏电池的制造过程中，硅片放置在小舟上，小舟放置于舟托上进行扩散、LPCVD等热制程，而碳化硅悬臂桨（杆）是将承载硅片的舟托移入和移出加热炉的关键装载部件。如下图所示，碳化硅悬臂桨（杆）能够保证硅片与炉管的同心度，进而使扩散、钝化更均匀，同时在高温下无污染、不变形，具有良好的抗热震稳定性、载重量大，已被广泛应用于光伏电池领域。
电池关键装载部件示意图
传统的石英舟和舟托，在软着陆扩散工艺流程中，需要将硅片连同石英舟托一起放入扩散炉内的石英管中。在每次扩散工艺中，将装满硅片的石英舟托放到碳化硅桨上，碳化硅桨进入石英管后，桨自动下沉放下石英舟托和硅片，然后慢慢运行回原点，每次工艺结束后，都需要将石英舟托从碳化硅桨上取下。如此频繁的操作，长时间会造成石英舟托磨损，一旦石英舟托出现裂纹断裂，整个石英舟托就会从碳化硅桨上掉落下来，进而砸坏下方的石英件、硅片和碳化硅桨。碳化硅桨的价格昂贵且不可返修，一旦出现事故就会造成巨大的财产损失。
在LPCVD环节，不仅会出现上述的热应力问题，由于LPCVD工艺要对硅片通硅烷气体，长期的工艺还会让舟托和小舟表现形成硅涂层，由于涂层硅和石英热膨胀系数不一致，导致舟托和小舟开裂，寿命严重降低。普通的石英舟、舟托在LPCVD工序寿命通常只有2～3个月。因此，改善舟托材料提高舟托强度及使用寿命从而避免此类事故的发生显得尤为重要。
总之，在电池片生产过程中随着工艺时间及次数的增加，石英舟等部件容易发生隐裂甚至断裂，国内当前主流量产线石英舟和石英管寿命约3-6月，需定期停机清洗、维护、更换石英载具。而且，石英部件所用原料高纯度石英砂目前处于供需紧张，价格长期高位运行的状态，这显然不利于生产效率与经济效益的提高。
02.碳化硅陶瓷“露脸”
现在，人们想到了一种性能更好的材料来代替部分石英部件——碳化硅陶瓷。
碳化硅陶瓷具有良好的机械强度、热稳定性、耐高温性、抗氧化性、抗热震性及耐化学腐蚀性，被广泛应用于冶金、机械、新能源和建材化工等热门领域。其性能也足以胜任光伏制造中TOPcon电池的扩散、LPCVD（低压化学气相沉积）、PECVD（等离子化学气相沉积）等热制程环节。
LPCVD碳化硅舟托与硼扩用碳化硅舟托
相比于传统的石英材料，碳化硅陶瓷材料制作的舟托、小舟、管件制品强度更高，热稳定性更好，高温使用不变形，且寿命是石英材质的5倍以上，可显著降低使用成本及维修停线造成的常能损失，成本优势明显，且原料来源广泛。
其中，反应烧结碳化硅（Reaction Bonded Silicon Carbide，RBSC）烧结温度低、生产成本低、材料致密化程度较高，特别是反应烧结过程中几乎不发生体积收缩现象，特别适合大尺寸复杂形状结构件的制备，因此最适合于生产舟托、小舟、悬臂桨、炉管等大尺寸复杂产品。
据了解，如隆基绿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龙头企业已开始使用碳化硅舟托。
碳化硅舟托市场规模及预测，来源：头豹
碳化硅小舟未来也很有发展前景。无论LPCVD过程还是硼扩过程，石英舟的寿命都相对较低，且石英材料的热膨胀系数和碳化硅材料不一致，因此在高温下和碳化硅舟托的配合过程中也容易出现偏差，进而导致晃舟甚至碎舟的情况。碳化硅小舟采用一体成型，整体加工的工艺路线，其形位公差要求高，和碳化硅舟托配合更好，且碳化硅强度高，因人为碰撞导致的小舟碎裂情况要比石英舟少很多。
碳化硅舟
炉管是炉膛的主要传热部件，起到密封、传热均匀的效果。碳化硅炉管相较于石英炉管具有导热性好，受热均匀，热稳定性好的特点，寿命是石英管的5倍以上。但是，碳化硅炉管制造难度非常高，成品率也非常低，目前仍处于研发状态，还未批量生产。
小结
综合比较而言，无论是产品性能，还是使用成本，碳化硅陶瓷材料在太阳能电池领域的某些环节都比石英材料更具有优势，碳化硅陶瓷材料应用于光伏行业，对光伏企业减少辅材投资成本，提高产品质量和竞争力有着巨大的帮助。未来，随着大尺寸碳化硅炉管，高纯碳化硅舟、舟托的大量应用及成本的不断降低，碳化硅陶瓷材料在光伏电池领域的应用将会成为光伏发电领域提高光能转化效率，降低行业成本的关键因素，对光伏新能源发展有重要影响。
参考来源：
[1]李梦飞等.碳化硅陶瓷在光伏领域的应用与研究
[2]马文杰.光伏直流微电网碳化硅高压变换器拓扑及效率优化研究
[3]头豹词条、光伏研习社、中国粉体网
（中国粉体网编辑整理/山川）
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