光伏（太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)）作為中國七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)之一——新能源板塊的重要構(gòu)成，在全球能源領(lǐng)域都有重要地位。6月20日0時(shí)至28日24時(shí)，國家電網(wǎng)組織在青海全省連續(xù)9天全部以水、風(fēng)、光等清潔能源供電，實(shí)現(xiàn)用電零排放，再次改寫全清潔能源供電的世界紀(jì)錄。                

        6月19日，彭博新能源財(cái)經(jīng)(BNEF)發(fā)布新一年度全球電力系統(tǒng)長期分析報(bào)告《2018新能源市場長期展望》。報(bào)告中指出，2018至2050年期間，全球范圍內(nèi)新增發(fā)電裝機(jī)投資將達(dá)到11.5萬億美元，其中8.4萬億美元用于風(fēng)電和光伏，另外1.5萬億美元用于水電和核電等其它零排放技術(shù)。這些投資將使全球光伏裝機(jī)量增長17倍，風(fēng)電裝機(jī)量增長6倍。從現(xiàn)在到2050年，新光伏電站的平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)將降低71%，而陸上風(fēng)電的LCOE將降低58%。這兩項(xiàng)技術(shù)的LCOE在2009年至2018年期間分別下降了77%和41%。

        光伏行業(yè)的發(fā)展自然離不開相關(guān)的裝備，以下是主要的裝備：多線切割設(shè)備、高純度、低耗能太陽能級(jí)多晶硅生產(chǎn)設(shè)備、單晶硅拉制設(shè)備、多晶硅鑄錠裝備、高效電池片及組件制造設(shè)備、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積設(shè)備、外延層剝離設(shè)備、薄膜銅銦鎵硒吸收層共蒸發(fā)鍍膜設(shè)備、低成本高效原子層沉積緩沖層設(shè)備、連續(xù)卷對(duì)卷多點(diǎn)分布式共蒸法鍍膜設(shè)備、自動(dòng)化集成芯片互聯(lián)設(shè)備，聚光、柔性、鈣鈦礦、有機(jī)等新型太陽電池制造裝備

        作為新材料領(lǐng)域的一顆明珠，碳材料更是出盡風(fēng)頭，有人曾預(yù)言，21世界將是碳時(shí)代，下面一起看看碳材料在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用。

金剛石線鋸在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用

硅切片用金剛石線（來自岱勒新材官網(wǎng)）

        太陽能電池在制作過程中一定要經(jīng)歷切片工藝，切割出的硅片經(jīng)后續(xù)一系列工藝（制絨等）做成晶體硅太陽能電池。由于硅片是電池的主體部分，它的表面質(zhì)量和整體性能對(duì)后續(xù)的電池制作工藝和產(chǎn)品質(zhì)量有著非常明顯的影響，同時(shí)，硅片也是電池制作成本構(gòu)成中的主要部分之一。更薄的硅片意味著更低的電池制作成本，而這些都與硅片切割工藝息息相關(guān)。

        當(dāng)今光伏產(chǎn)業(yè)采用的最主要的兩種硅片切割技術(shù)為：砂漿線鋸切割技術(shù)和金剛石線鋸切割技術(shù)，兩者的主要對(duì)比如下：

砂漿切割與金剛石線切割對(duì)比

資料來源：岱勒新材官網(wǎng)

        雖然砂漿線鋸切割技術(shù)在光伏產(chǎn)業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，但仍然有很多未解決的難題，如硅屑的回收困難，切割成本依然比較高，切后硅片需要洗去砂漿，同時(shí)，砂漿中有聚乙二醇等有機(jī)物質(zhì)，如果處理不好會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染等。

        應(yīng)用金剛石線進(jìn)行硅切片大大優(yōu)于傳統(tǒng)切割方式，主要優(yōu)點(diǎn)如下：

        1、切割速度是砂漿切割的2-3倍;
        2、高投資回報(bào);
        3、在不增加投資的情況下提升產(chǎn)能;
        4、 生產(chǎn)過程中電和水的耗費(fèi)更低;
        5、無砂漿混合，無需建設(shè)砂漿回收系統(tǒng);
        6、改進(jìn)的總厚度偏差;
        7、改善翹曲度;
        8、切割表面質(zhì)量好;
        9、良好的切割精度
        10、無PEG和 SiC 的危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生;
        11、清潔高效生產(chǎn)。

        金剛石線鋸切割技術(shù)采用的依然是多線切割機(jī)，與砂漿線鋸切割技術(shù)不同點(diǎn)在于所用的切割線的不同，示意圖如下。此技術(shù)所用的切割線為表面有一層鎳基合金或樹脂的不朽鋼線，并在鎳基合金或樹脂層中用電鍍、燒結(jié)、焊接或粘合等技術(shù)固著金剛石顆粒，也就是說此種技術(shù)是將磨料與切割線結(jié)合在一起，在切割時(shí)屬于二體切割。

金剛石線鋸切割技術(shù)切割界面示意圖

        金剛石線生產(chǎn)技術(shù)工藝復(fù)雜，涉及領(lǐng)域較多，制程控制嚴(yán)苛，要求技術(shù)工人對(duì)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的技術(shù)掌握程度高。作為硬脆材料切割用耗材，其金剛石分布密度、均勻性和固結(jié)強(qiáng)度、金剛石切割能力、鋼線的抗疲勞性能等直接決定了硬脆材料切片的質(zhì)量和成本。下游客戶使用金剛石線時(shí)，對(duì)切割線速度、耗線量、切割張力、主切速度、切割時(shí)間、出片率等指標(biāo)均有嚴(yán)格的要求。隨著金剛線切割技術(shù)的進(jìn)步，其對(duì)金剛線產(chǎn)品的性能指標(biāo)及品質(zhì)的穩(wěn)定性要求也在不斷提高，從而對(duì)公司生產(chǎn)工藝控制、工人技術(shù)水平、原材料質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量控制水平也提出更高的要求。

        固結(jié)磨料金剛石線鋸包括電鍍和樹脂兩種。電鍍金剛石線鋸生產(chǎn)周期長，成本高，對(duì)環(huán)境污染大。樹脂結(jié)合劑金剛石線鋸就是用樹脂作為結(jié)合劑把金剛石磨料固定在芯線基體上通過加熱固化或者紫外光以及電子束固化而形成的固結(jié)磨料金剛石線鋸，主要由樹脂結(jié)合劑、金剛石、填料、鋸絲基體組成。樹脂結(jié)合劑金剛石線鋸分為熱固化金剛石線鋸和光固化金剛石線鋸。與電鍍金剛石線鋸相比，樹脂結(jié)合劑金剛石線鋸制備工藝簡單，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)成本低；切割過程造成的損傷層在4~7um，電鍍金剛線是8~10um, 有利于切割的薄片化，提高出品率，環(huán)境污染小。

        目前國內(nèi)岱勒新材（長沙岱勒新材料科技股份有限公司）和三超新材（南京三超新材料股份有限公司）在電鍍金剛石線鋸行業(yè)都是佼佼者。其中岱勒新材著力于電鍍金剛石線細(xì)線化、省線化、高效化發(fā)展，開發(fā)出了新一代電鍍?cè)O(shè)備與技術(shù)工藝，在硅切割方面,從年初多晶的80um規(guī)?；瘧?yīng)用提升到年末的70um，單晶從75um提升到65um,，并成功開發(fā)出單晶60um以及多晶65um系列產(chǎn)品；以鞏固了公司產(chǎn)品在市場中的競爭地位和領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

        此外岱勒新材2018年第一季度公司實(shí)現(xiàn)營業(yè)收入14338.14萬元，較上年同期5,347.73萬元同比增長168.12%，公司產(chǎn)品主要以金剛石線鋸為主；三超新材2018年第一季度公司實(shí)現(xiàn)營業(yè)總收入13857.53萬元，同比增長250.94%，公司主要產(chǎn)品包含金剛線（85%以上）、金剛石砂輪。

        石墨及碳碳復(fù)合材料在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用

        我國光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模的高速增長及光伏業(yè)內(nèi)的成本壓力給碳碳復(fù)合材料應(yīng)用帶來發(fā)展良機(jī)。2017年中國光伏裝機(jī)容量超過50GW，同比增長43%以上，而截至2017年底，我國多晶硅產(chǎn)量為24萬噸，同比增長23%，進(jìn)口量為15萬噸，同比增長6.4%。

高純石墨

高純石墨坩堝

        高純石墨是指含碳量大于99.99%的石墨，具有耐高溫、耐腐蝕、抗熱震、熱膨脹系數(shù)小、自潤滑、電阻系數(shù)小及易于機(jī)械加工等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、環(huán)保、化工、電子、醫(yī)藥、軍工和航空航天等領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)中的地位越來越重要，特別是在光伏產(chǎn)業(yè)。

高純石墨生產(chǎn)工藝流程圖

        直拉硅單晶爐、多晶硅鑄錠爐是生產(chǎn)光伏行業(yè)硅材料的主要設(shè)備，其核心部件均為高純石墨材料，尤其是大尺寸等靜壓高純石墨材料。目前國內(nèi)光伏領(lǐng)域應(yīng)用所需高純石墨大部分需要進(jìn)口，在石墨數(shù)量、規(guī)格上受到國外嚴(yán)格控制，制約著光伏行業(yè)的發(fā)展。隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)石墨材料也很難滿足直拉硅單晶爐和多晶鑄錠爐生產(chǎn)設(shè)備的大型化需要。而C/C復(fù)合材料具有良好的熱物理性能，和石墨熱場材料相比，具有非常大的優(yōu)勢(shì)，C/C復(fù)合材料保溫件、結(jié)構(gòu)件和發(fā)熱體是直拉硅單晶爐和多晶鑄錠爐等光伏設(shè)備熱場材料的發(fā)展方向。

碳碳復(fù)合材料

碳碳復(fù)合材料坩堝

眾所周知，碳纖維復(fù)合材料根據(jù)基材不同，可分為樹脂基復(fù)合材料，金屬復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料和碳基復(fù)合材料，其中碳基復(fù)合材料即為碳碳（C/C）復(fù)合材料。它是以碳纖維及其織物或碳?xì)衷鰪?qiáng)的碳基復(fù)合材料，其制備工藝主要有兩種方法：化學(xué)氣相法（CVD 或 CVI）和液相浸漬-碳化法。前者是以有機(jī)低分子氣體為前驅(qū)體，后者是以熱塑性樹脂（石油瀝青、煤瀝青、中間相瀝青）或熱固性樹脂（呋喃、糠醛、酚醛樹脂）為基體前驅(qū)體，這些原料在高溫下發(fā)生一系列復(fù)雜化學(xué)變化而轉(zhuǎn)化為基體碳。

碳碳復(fù)合材料工藝流程圖

        C/C復(fù)合材料具有低密度、高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，使其成為當(dāng)今1650℃以上應(yīng)用的少數(shù)備選材料，最高理論溫度高達(dá)2600℃，因此被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的高溫材料之一。C/C復(fù)合材料相比傳統(tǒng)石墨材料具有更優(yōu)異的保溫性能、更高的強(qiáng)度、更好的韌性，且不易破碎，可有效降低生產(chǎn)能耗、提升設(shè)備使用壽命，從而降低整個(gè)生產(chǎn)的成本。

        C/C復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性很強(qiáng)，可以根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要編織出任意尺寸和形狀的增強(qiáng)體，其在光伏行業(yè)的應(yīng)用主要包括：多晶硅氫化爐用內(nèi)、外保溫筒、U型加熱器、保溫板，多晶硅鑄錠爐用蓋板、坩堝護(hù)板、坩堝底托、保溫板，直拉硅單晶爐用坩堝、導(dǎo)流筒、發(fā)熱體、蓋板、底托、內(nèi)外保溫筒等。

C/C復(fù)合材料相關(guān)制品

光伏行業(yè)用C/C復(fù)合材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

        目前，光伏行業(yè)用的 C/C復(fù)合材料保溫筒、發(fā)熱體、導(dǎo)流筒、坩堝等在中環(huán)光伏、西安隆基、保利協(xié)鑫、昱輝陽光等企業(yè)都有所應(yīng)用。國內(nèi)民用領(lǐng)域 C/C 復(fù)合材料的生產(chǎn)企業(yè)主要有湖南金博碳素股份有限公司、西安超碼科技有限公司、航天睿特碳材料有限公司、煙臺(tái)凱泊復(fù)合材料科技有限公司、湖南南方搏云新材料有限責(zé)任公司、湖南金石新材料有限公司等，主要應(yīng)用集中在光伏（單/多晶硅制備熱場）和高溫?zé)崽幚韮纱箢I(lǐng)域。其中金博碳素已經(jīng)成為國內(nèi)C/C復(fù)合材料民用領(lǐng)域的龍頭企業(yè)。

        據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)單晶爐的數(shù)量已增加至12000臺(tái)以上，多晶硅鑄錠爐 6000臺(tái)以上，多晶硅制造過程的反應(yīng)爐、氫化爐等1000臺(tái)左右，而設(shè)備的熱場使用壽命都有限，C/C復(fù)合材料的高性價(jià)比和優(yōu)異性能使其仍然具有廣闊的市場應(yīng)用前景。綜合而言，無論是產(chǎn)品性能和使用成本，C/C復(fù)合材料熱場比石墨熱場更具有優(yōu)勢(shì)，在一段時(shí)間內(nèi)，大尺寸、低成本、高性能、長壽命的C/C復(fù)合材料熱場是發(fā)展的方向，而C/C 復(fù)合材料制品在光伏行業(yè)的應(yīng)用，有利于企業(yè)減少投資成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力。

        此外光伏電池生產(chǎn)過程中，絲網(wǎng)印刷的效果將直接影響電池的轉(zhuǎn)換效率，印刷核心是印刷后銀漿的縱橫比。因此對(duì)屏幕，銀漿和刮刀的要求越來越高。閘線的要求越來越精細(xì)，從最初的60um進(jìn)入目前的30um，甚至更細(xì)；而碳纖維刮刀的輕量化作用，可以做到更精細(xì)。碳纖維輥可以用于光伏膜的生產(chǎn)、分切中。傳統(tǒng)的金屬輥筒，自身重量大，機(jī)器啟動(dòng)速度慢，慣性大，不僅耗能多、原料損耗大，對(duì)生產(chǎn)效率也產(chǎn)生一定的影響。而碳纖維輥具備輕量化、不易磨損、壓力均勻、易調(diào)節(jié)、高精度等優(yōu)點(diǎn)。

碳纖維刮刀（左）和碳纖維輥（右）