隨著光伏行業(yè)的快速發(fā)展，促進(jìn)了生產(chǎn)中重要的原輔材料高純石墨的用量大幅攀升。光伏行業(yè)很多原輔材料需要用到性能穩(wěn)定、干擾因素少的高純石墨作為加工原料。高純石墨在整個(gè)光伏行業(yè)，從硅礦冶煉到多晶硅生產(chǎn)、再到多晶硅鑄錠及直拉單晶等多個(gè)工序中都有應(yīng)用。

       1.1 石墨在金屬硅冶煉中的應(yīng)用

       從下圖中可以看出太陽(yáng)能光伏電池生產(chǎn)是從金屬硅冶煉開始，金屬硅冶煉中用到的一臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備是金屬硅冶煉爐;在金屬硅冶煉爐中，電極就是心臟，是導(dǎo)電系統(tǒng)的重要組成部分，電流是通過(guò)電極輸入爐內(nèi)產(chǎn)生電弧，這是化學(xué)硅冶煉中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

       從生產(chǎn)特點(diǎn)上對(duì)電極材料的要求是：

       ①導(dǎo)電性好、電阻率小，以減少電能損失;

       ②熔點(diǎn)要高，熱膨脹系數(shù)要小，不易變形;

       ③高溫時(shí)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，雜質(zhì)含量低。

       用高純石墨做的電極灰分含量低，導(dǎo)電性、耐熱性和耐腐蝕性能都比較好，是化學(xué)用硅冶煉的最佳選擇。因此高純石墨在金屬硅冶煉中有著廣闊的應(yīng)用前景。

       1.2 石墨在多晶硅生產(chǎn)中的應(yīng)用

       目前市場(chǎng)上太陽(yáng)能級(jí)多晶硅產(chǎn)品85%以上是依靠改良西門子工藝生產(chǎn)制得，在改良西門子工藝生產(chǎn)過(guò)程中，高純石墨以其優(yōu)異的特性在多道工序中被廣泛使用;例如多晶硅氣相沉積的還原爐內(nèi)要用到大量的石墨制品耗材，在處理副產(chǎn)物四氯化硅的熱氫化工藝中也要用到高純石墨材料。

       1.2.1 氣相沉積還原爐內(nèi)的高純石墨材料

       氣相沉積法生產(chǎn)多晶硅是在一個(gè)密閉的還原爐內(nèi)進(jìn)行，將特定配比的三氯氫硅與氫氣的混合氣通入到還原爐內(nèi)，混合氣在高溫硅芯載體上發(fā)生沉積獲得多晶硅產(chǎn)品;連接沉積載體硅芯和傳輸電流的電極之間需要一種特殊材料，能夠在高溫下不分解、不參與硅的反應(yīng)，高純石墨剛好能夠滿足這個(gè)要求; 利用高純石墨制備的石墨件是如今固定硅芯、傳輸電流不可替代的材料，高純石墨的發(fā)展有利于改進(jìn)多晶硅產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量。

       在現(xiàn)有技術(shù)條件下，高純石墨制品在多晶硅生產(chǎn)中的應(yīng)用具有不可替代性，因此如果要盡量降低石墨件對(duì)多晶硅的污染，必須從石墨件的自身質(zhì)量著手。首先，選用雜質(zhì)含量較低的高純或超高純石墨。

       然后，采用更先進(jìn)的處理技術(shù)，比如改進(jìn)加工工藝，使石墨的灰分更少、強(qiáng)度更高;另外，可以借助如今先進(jìn)的表面處理技術(shù)，可以對(duì)石墨件進(jìn)行涂覆處理，如涂硅、碳化硅等。

       還有報(bào)道稱，在多晶硅還原爐內(nèi)增加高純石墨材料復(fù)合板， 這些石墨材料復(fù)合板分布在還原爐內(nèi)壁與各對(duì)電極之間，可以很好的保持還原爐內(nèi)的熱場(chǎng)分布，提高熱能利用率，從節(jié)能角度分析可以降低多晶硅的生產(chǎn)成本。

       1.2.2 熱氫化爐中高純石墨材料

       熱氫化技術(shù)，是以四氯化硅和氫氣為原料，經(jīng)120-1250℃的石墨發(fā)熱體加熱，進(jìn)行還原反應(yīng)生成三氯氫硅。四氯化硅氫化爐是熱氫化工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，在氫化爐內(nèi)發(fā)生的熱氫化反應(yīng)中，會(huì)產(chǎn)生一定量的硅粉，當(dāng)硅粉沉積在石墨發(fā)熱體上的時(shí)候，沉積的硅粉會(huì)使石墨發(fā)熱體之間的距離變小，并且各個(gè)石墨發(fā)熱體之間存在電勢(shì)差，導(dǎo)致石墨發(fā)熱體之間發(fā)生放電，而對(duì)設(shè)備帶來(lái)的損害，降低設(shè)備的使用壽命。

       當(dāng)前有研究指出，在熱氫化爐內(nèi)為減少熱量損失，提高熱效率，采取墨材料制備的換熱設(shè)備的方法，將排出氫化爐的高溫反應(yīng)氣體與進(jìn)入氫化爐內(nèi)的氣體進(jìn)行熱交換；還有采用內(nèi)置熱輻射屏和剛性高致密性高純石墨的方式來(lái)減少熱量損失。因此高純石墨材料在熱氫化爐中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

       1.3 石墨在多晶硅鑄錠爐中的應(yīng)用

       多晶硅鑄錠爐中，多個(gè)組件需要石墨材料。特別是加熱器中使用的加熱材料和隔熱材料，是目前重要的配套材料，因此高純石墨材料的發(fā)展推動(dòng)了多晶硅鑄錠生產(chǎn)工藝的進(jìn)一步發(fā)展。

       1.3.1 加熱器中使用的加熱材料

       在多晶硅鑄錠爐設(shè)計(jì)上，為使硅料熔融，必須采用合適的加熱方式。從加熱的效果而言，感應(yīng)加熱和輻射加熱均可以達(dá)到所需的溫度。一般多采用輻射加熱方式，它可以對(duì)結(jié)晶過(guò)程的熱量傳遞進(jìn)行精確控制，易于在增禍內(nèi)部形成垂直的溫度梯度。

       因此加熱器的加熱能力必須超過(guò)1650℃，同時(shí)加熱器的材料不能與硅料反應(yīng)，不對(duì)硅料造成污染，能在真空及惰性氣氛中長(zhǎng)期使用。符合使用條件可供選擇的加熱器有金屬鎢、鉬和非金屬石墨等。由于鎢、鉬價(jià)格昂貴，加工困難，而石墨來(lái)源廣泛，可加工成各種形狀。

       另外，石墨具有熱慣性小、可以快速加熱，耐高溫、耐熱沖擊性好，輻射面積大、加熱效率高、且基本性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此高純石墨材料可以作為很好的加熱器材料得到廣泛應(yīng)用。

       1.3.2 加熱器中使用的隔熱材料

       對(duì)于鑄錠工藝而言，為了提高生產(chǎn)效率，要求設(shè)備的升溫速度盡可能快;由于采用真空工藝，要求爐內(nèi)材料的放氣量應(yīng)盡可能少，縮短真空排氣的時(shí)間;同時(shí)硅料中溫度梯度的形成還需要隔熱層的精確提升實(shí)現(xiàn)，隔熱層的質(zhì)量要盡可能輕，以減少升降時(shí)的慣性而影響控制精度。

       綜上所述對(duì)于隔熱材料的選擇要求是：耐高溫、密度低、導(dǎo)熱小、蓄熱量少、隔熱效果好、放氣量少、重量輕、膨脹系數(shù)小，在眾多的耐火保溫材料中，以高純石墨最為理想。

       石墨材料在多晶硅鑄錠生產(chǎn)過(guò)程中有著不可替代作用，其優(yōu)良的特性為鑄錠爐內(nèi)保持較高的溫度場(chǎng)及優(yōu)良的隔熱效果提供了保障，因此石墨材料的未來(lái)發(fā)展可以進(jìn)一步推動(dòng)多晶硅鑄錠爐的優(yōu)化改造，還為多晶硅鑄錠生產(chǎn)成本的下降做出貢獻(xiàn)。

       1.4 石墨在直拉單晶硅中的應(yīng)用

       直拉單晶爐的熱系統(tǒng)是指為了熔化硅料，并保持在一定溫度下進(jìn)行單晶生長(zhǎng)的整個(gè)系統(tǒng)，在直拉單晶硅熱場(chǎng)中，石墨部件有增渦、加熱器、電極、隔熱遮蔽板、籽晶夾持器、旋轉(zhuǎn)增禍用的底座、各種圓板、熱反射板等約30余種。

       在這些高純石墨制品中，加熱器是熱系統(tǒng)中最重要的部件，是直接的發(fā)熱體，溫度最高達(dá)到1600℃以上;與加熱器相連的石墨電極不僅要平穩(wěn)支撐加熱器還需要通過(guò)它對(duì)加熱器進(jìn)行加熱，因此石墨電極要求厚重，結(jié)實(shí)耐用，它與金屬電極和加熱器的接觸面需要光滑、平穩(wěn)，保證接觸良好，通電時(shí)不打火，這就需要對(duì)石墨電極進(jìn)行特殊化處理;用來(lái)盛裝硅料的高純石墨柑禍必須具有一定的強(qiáng)度，用來(lái)承受硅料的重量。

       隨著石墨材料在直拉單晶中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，石墨材料的發(fā)展可以促使直拉單晶工藝得到改善，有利于進(jìn)一步降低直拉單晶的生產(chǎn)成本和提高直拉單晶的生產(chǎn)效率。

       隨著太陽(yáng)能光伏行業(yè)的不斷發(fā)展，太陽(yáng)能光伏材料生產(chǎn)過(guò)程中的原輔材料需要也在日益劇增，因此針對(duì)光伏行業(yè)石墨材料的發(fā)展方向應(yīng)該根據(jù)光伏行業(yè)特有的特點(diǎn)進(jìn)行研究，其未來(lái)發(fā)展方向應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

       （1）太陽(yáng)能光伏行業(yè)所需要的石墨材料是超細(xì)、高純等特征，因此可以將超細(xì)、高純作為石墨深加工的兩個(gè)核心問(wèn)題來(lái)研究，不同的粉碎途徑對(duì)石墨的提純工藝有一定影響，剝片提純有利于保護(hù)石墨的大鱗片，但耐腐蝕的磨礦介質(zhì)損耗直接影響酸法提純的效果。應(yīng)將粉碎、提純工藝作為整個(gè)流程設(shè)計(jì)，避免人為因素干擾，生產(chǎn)高純超細(xì)石墨粉。

       （2）目前光伏行業(yè)生產(chǎn)中石墨材料能夠耐高溫，但是使用壽命不夠長(zhǎng)， 使得生產(chǎn)中耗材較多;因此需要進(jìn)一步開發(fā)新型石墨材料，使其能夠在保持現(xiàn)有高純石墨的耐高溫、抗氧化等特點(diǎn)，還能夠增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命。這樣可以減少太陽(yáng)能光伏生產(chǎn)中石墨耗材量，大大降低太陽(yáng)能光伏生產(chǎn)成本。

       （3）開展高純石墨復(fù)合材料的應(yīng)用研究，碳碳材料、高純石墨及等靜壓石墨等材料越來(lái)越多的被進(jìn)行研究，對(duì)一些性能的改善可以更好將高純石墨材料應(yīng)用于光伏行業(yè)生產(chǎn)中，這些以高純石墨材料為基礎(chǔ)的改進(jìn)材料是未來(lái)的發(fā)展的主流方向。

       隨著光伏行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)高純石墨的使用環(huán)境要求也越來(lái)越高。目前存在的石墨生產(chǎn)方法或多或少存在一些缺點(diǎn)，我們需要綜合考慮原料的性質(zhì)、工藝特點(diǎn)及環(huán)境治理等因素來(lái)確定石墨的生產(chǎn)工藝。

       高純石墨制品作為光伏產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備材料，需要我國(guó)國(guó)內(nèi)不斷在技術(shù)上獲得進(jìn)步，并加強(qiáng)與光伏電池用硅材料制造行業(yè)的合作，進(jìn)一步投資發(fā)展為其配套的高檔石墨制品。