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【复材资讯】碳/碳热场复合材料在光伏领域的现状及发展

来源: 聚展网2023-11-24 16:03:21 174分类: 复合材料资讯

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市场机遇-热场大尺寸化

碳/碳热场材料是光伏单晶炉生产中所必需的耗材，主要产品形式为单晶拉制炉的坩埚、导流筒、保温筒、加热器等，在不同的部件，以等静压石墨为主流的石墨热场材料，在2016年之前，能满足拉制的要求。但随后，碳/碳热场最近扮演着愈加重要的角色，主要体现在：1、从图1中看以看出热场大尺寸化的趋势，而碳/碳复合材料为热场大尺寸化提供了可能。大尺寸热场部件产品对单晶硅棒的直径大型化发展起到支撑作用；

2、碳/碳复合材料热场部件较大程度提高拉晶热场系统安全性，提升拉晶速率，显著降低单晶拉制炉的运行功率，对节能降耗起到较大促进作用。相较于传统石墨热场，碳/碳热场性能占优，其稳定性、耐冲击性、抗震性以及综合机械性能等均要好于石墨材料。并逐步渗透到原有市场。1、碳/碳复合材料抗折强度可达150MPa以上，远大于石墨的38-60MPa。随着拉制炉投料量从2016年的300kg提升至2020年的1900kg，坩埚的尺寸也从2011年前后的16-20英寸提高到现在的32-36英寸，坩埚的承载强度要求更高，碳基复材更能胜任。2、碳/碳复合材料导热系数低至30W/(m·K)以下，大幅低于石墨的80-140W/(m·K)。这一特性使碳/碳复合材料导流筒更能加速硅棒生长，保温筒能降低热量损失，进而降低单晶炉运行功率，节省电费。

需求拉动渗透率迅速提升

作为耗材，随着光伏新增装机增长，下游企业对热场产品的需求也将持续增长。从2013年以来的数据看，随容配比提升，全球光伏装机从41GW提升至2023年的240GW，而硅片产量则从39GW提升至381.7GW。根据金博股份招股说明书、募集说明书渗透率测算数据，结合碳/碳热场发展趋势，预计坩埚2025年渗透率达到100%；导流筒、保温筒分别达到70%、66%；碳/碳加热器低成本制备技术有待突破，金博股份当前已将光伏底部加热器交付下游，预计2025年渗透率达8%。预计2025年光伏用碳/碳热场总需求为17231吨，其中替换需求占比由2022年的59%提升至72%，需求结构转向以存量替换为主导，可持续性较强。

表1 碳/碳复合材料渗透率变化图

而随着N型电池的发展，N型硅片的需求将增长。据统计，2022年，P型单晶硅片与N型单晶硅片合计市场占比约97.5%，其中P型单晶硅片市占率为87.5%，N型单晶硅片市占率上升至10%，预计2023年全年N型单晶硅片的市占率将提升至30%，2025年或将超过50%。关键耗材依赖进口的问题将制约行业发展，因此后续国产碳/碳热场将进一步替代进口的等静压石墨产品，碳/碳热场渗透率将继续提升。

行业挑战成本壁垒与技术的突破

原材料和生产成本高昂在原材料成本中，碳纤维预制体是最大的部分，占比达80%以上，自制预制体可降低成本，但技术壁垒较高。从碳/碳热场的成本构成来看，制造费用占比高达54%，主要包括反应辅材、电力、折旧等。在制造费用中，折旧是最大的部分，占比约60%，龙头公司与其他公司的主要差异来自折旧，降低折旧的方式是提高单位时间设备产出、自主研发与生产设备，而这些主要依托各公司的技术研发实力。另外，电力在制造费用中占比约为16%（不同工艺有所差别），主要降低方式是在低电价地区建厂。关键技术点的突破不易预制体的制备技术壁垒较高，且主要用在航空航天领域，国外对这一技术进行封锁，目前国内具有预制体制备技术的除科研院所、航空航天单位外，主要有金博股份、江苏天鸟与龙头。此外，晶硅炉热场用碳材料在硅蒸汽中易受到腐蚀。硅蒸汽主要通过材料的孔洞以及缺陷扩散进入材料内部进行腐蚀,腐蚀造成材料表面产生大量的裂纹,并且会造成C/C复合材料以及硬质碳毡材料内部严重的破坏。需研究如何有效控制碳基体和碳纤维的剥离，以及碳纤维的缩颈,劈裂等问题。

趋势与挑战碳/碳复材的多元化应用

碳/碳复合材料因具有比重轻、热膨胀系数低、耐高温、耐腐蚀、摩擦系数稳定、导热导电性能好等优良性能，除了用来制造高温热场部件，也是摩擦部件的最佳候选材料，还可被广泛应用于半导体、航空航天以及刹车制动等领域。