光伏行业的新热场材料

2015-05-12 12:58:13 太阳能发电网
本文主要概述了单晶硅炉热场材料的发展概况，以及石墨热场材料与C/C热场材料的性能比较。并指出，随着产量的提高和生产设备的大型化，C/C复合热场材料将是今后光伏热场材料的重点发展方向。


　  2.生产单晶硅的C/C热场材料
　　2.1单晶硅生长炉
　　生产单晶硅主要有Cz法和浮游带区(Fz)法。图1是Cz单晶硅炉的结构示意图，在氩气保护下，将多晶硅加热到1500℃左右，使其熔融：由炉上部旋转垂放晶籽(种)拉线，使其与熔融硅面接触，并使熔融硅面保温在1400℃左右，向上提拉晶籽而单晶硅也随之逐步生成，一直生长到设计的尺寸，如15．24、20．32、25.4和30.48cm。由图1可知，工作室内除了熔融硅和拉制的单晶硅外，热场材料主要是高纯石墨和C/C复合材料，如坩埚、发热体、保温筒等，以保证单晶硅制品的纯度。
　　2.2 C/C坩埚
　　拉制单晶硅采用组合式坩埚，外为C/C坩埚，内为石英坩埚。这是因为熔融硅的温度与石英熔点相近，都在1420℃左右，石英坩埚在这温度下处于软化状态，没有承重能力，外部C/C坩埚是承重的主体。但是，熔融硅不能直接与C/C坩埚接触，以防SiC的生成，因而采用了组合式坩埚。制造高纯度C/C复合材料
　　
　　坩埚的流程很长，从原材料的选择、准备、坯体的制造、增密、纯化、热处理等等, 生产工艺过程长。图2中列出了坩埚制备的一般生产路线。根据使用要求选择炭纤维, 预制成2-多维炭纤维多孔坯体；对坯体进行纯化后进行增密；纯化和高温热处理。材料制备过程中视情况可穿插安排多次纯化和石墨化处理。根据材料性能要求, 可以只采用化学气相沉积(CVI)增密工艺, 也可以采用CVI和浸渍复合增密工艺；例如：可以先浸渍树脂或沥青, 达到一定的密度后, 再对材料进行化学气相沉积或化学气相渗透；也可以先对坯体进行化学气相沉积至一定的密度, 再进行浸渍增密。中间的炭化和高温热处理主要是为打开多孔坯体表面的气道, 使坯体增密能继续有效进行；纯化处理则是除材料中的金属杂质, 最终的高温处理则主要是对材料进行组织结构的调整, 以保证材料的综合使用性能。
　　C/C坩埚取代石墨坩埚是技术发展的必然趋势。这是因为拉制单晶硅棒的直径愈来愈大，随之装置大型化。例如，拉制30.48cm单晶硅棒，热场范围约为81.28cm，坩埚外径约为ø86cm，外围加热器为ø100cm，其它的配套最大部件为ø150cm。如此大直径坩埚，用石墨材质制造难度很大，需用C/C工艺制造。此外，C/C复合材料的抗拉伸、抗压缩和抗层间剪切强度比石墨高得多，可承受较大的应力，在高温下不变形，保持原有形状，使用寿命长。


　　单晶硅的拉制温度为1450℃左右, 石英坩埚的熔点为1750℃, 但当温度达到1200℃时即开始软化, 主要靠外部的石墨或C/C复合材料坩埚支撑。
而且它会发生放氧反应
　　SiO2→SiO + O
　　Si + SiO2→2SiO
　　氧原子熔入硅液中成为硅晶棒的杂质。石墨或C/C复合材料在高温下与石英坩埚还原出来的氧反应
　　C + O →CO
　　石墨或C/C复合材料与一氧化硅反应生成碳化硅颗粒
　　SiO + C→SiC + CO
　　硅与石墨加热到1150℃就可以生成SiC。O和C反应, 生成CO或CO2, 消耗、侵蚀石墨坩埚的内壁, 尤其是止口。坩埚的结合部位的氧化与侵蚀, 限制了C/C复合材料坩埚的使用寿命。

作者：许鹏 戴开瑛 张治军 来源：《太阳能发电》杂志 责任编辑：wutongyufg

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