光伏行業(yè)的新熱場(chǎng)材料
本文主要概述了單晶硅爐熱場(chǎng)材料的發(fā)展概況，以及石墨熱場(chǎng)材料與C/C熱場(chǎng)材料的性能比較。并指出，隨著產(chǎn)量的提高和生產(chǎn)設(shè)備的大型化，C/C復(fù)合熱場(chǎng)材料將是今后光伏熱場(chǎng)材料的重點(diǎn)發(fā)展方向。
2.3 保溫筒
保溫筒在加熱器的外圍，以防熱場(chǎng)能向外散發(fā)�，F(xiàn)代保溫筒為硬質(zhì)(剛性)炭氈制造，更為先進(jìn)的保溫筒采用蜂窩結(jié)構(gòu)，提高了隔熱和保溫效果。同時(shí)，裝填或維修方便，且使用壽命長(zhǎng)。如果采用通用的軟性炭氈作為隔熱保溫材料，雖然造價(jià)較低，但裝填或維修十分不便，且污染環(huán)境。保溫筒可整體成型，也可分段成型后再組合，如圖3所示。分段組合式保溫筒不僅制造成本低，而且使用后哪段損壞換哪段，可降低成本。
由圖1可知，在坩堝外圍是加熱元件，一部分電能使原料硅熔融，大部分電能用于熔融硅的保溫，是耗能裝置。隨著裝置大型化，加熱元件的尺寸隨之增大(ø96～ø100cm)，需用抗拉伸強(qiáng)度和抗壓縮強(qiáng)度高的C/C制造。有C/C加熱型架和圓形加熱器，C/C加熱器也有方形的組件，其圓筒狀C/C發(fā)熱體可加熱到2500℃。我國(guó)湖南南方搏云新材料有限公司與中南大學(xué)合作研究大直徑(152cm) C/C整體加熱器和保溫筒。
2.5 其它部件
C/C復(fù)合材料還可以用來(lái)制造熱反射屏(筒)、上/下保溫蓋、防漏盤、螺栓、螺帽等配件，使熱場(chǎng)材料幾近石墨和C/C復(fù)合材料化。圖4是C/C復(fù)合材料制品和三明治結(jié)構(gòu)的保溫筒。
3.生產(chǎn)單晶硅的石墨熱場(chǎng)材料
3.1 石墨熱場(chǎng)材料的性能
石墨熔點(diǎn)極高，在真空下到3000℃時(shí)才開(kāi)始軟化，到3600℃時(shí)石墨開(kāi)始蒸發(fā)升華；石墨的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性相當(dāng)高，其導(dǎo)電性比不銹鋼高4倍，比碳素鋼高2倍，比一般的非金屬高100倍。導(dǎo)熱性超過(guò)鋼、鐵、鋁等金屬材料，且隨溫度升高導(dǎo)熱系數(shù)降低，這和一般金屬材料不同；在極高的溫度下，石墨趨于絕熱狀態(tài)，因此，在高溫條件下，石墨被用來(lái)作隔熱材料。石墨還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能耐酸、耐堿、耐有機(jī)溶劑的腐蝕。在直拉單晶爐中，熱場(chǎng)部件除保溫氈外，其余幾乎全部用高純、高強(qiáng)、高密度石墨制造。但石墨材料脆性大，在交變熱應(yīng)力和電磁力作用下容易產(chǎn)生裂紋。在加熱器上的微裂紋改變了零件的電性能和熱傳導(dǎo)性能，致使硅融體的溫度難于精確控制；石英坩堝與石墨坩堝、多晶硅熔體的熱不匹配。石英坩堝在高溫下產(chǎn)生塑性變形，在高溫下緊貼石墨坩堝；石英坩堝內(nèi)的殘余液體表面先冷卻，芯部后冷卻，多晶硅冷卻時(shí)尺寸膨脹，這些都使石墨坩堝受到較大的拉應(yīng)力作用。在反復(fù)的開(kāi)爐、停爐、加熱冷卻過(guò)程中，石墨坩堝將很快產(chǎn)生裂紋并導(dǎo)致破損，這樣就大大縮短了石墨坩堝的使用壽命。拉制的單晶棒直徑越大，問(wèn)題越嚴(yán)重。隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，石墨制成的熱場(chǎng)零部件存在一定的局限性。
3.2 熱場(chǎng)內(nèi)石墨材料的相關(guān)反應(yīng)
單晶爐內(nèi)引起反應(yīng)的化學(xué)元素及化合物有Si（單晶硅原料）、SiO2（ 石英坩堝）、C（石墨部件）。因此，爐內(nèi)存在的氣體有：
1) Si蒸氣
2) Si與石英坩堝反應(yīng)而生成的SiO氣體
Si（L）+ SiO2（S）→2SiO（g） （1）
3) 石墨坩堝與石英坩堝反應(yīng)而生成的SiO、CO氣體
SiO2（S）+ C（S）→2SiO（g）+ CO（g） （2）
SiO（g）+ 2C（S）→SiC（S）+ CO（g） （3）
�。�1）對(duì)坩堝的影響
坩堝的內(nèi)側(cè)面，由于上述（2）、（3）式氧化反應(yīng)，分瓣面附近R（圓角）部分發(fā)生消耗，其厚度變薄。
同時(shí)，由于（3）式的影響，內(nèi)側(cè)面發(fā)生體積膨脹，引起坩堝變形，分瓣面上部開(kāi)裂。坩堝的外側(cè)面，由于Si蒸氣或SiO氣體而發(fā)生Si蒸氣的凝結(jié)（下面簡(jiǎn)稱蒸結(jié)），并出現(xiàn)SiC涂層。但是，SiC生成的厚度比內(nèi)側(cè)面薄。
�。�2）對(duì)加熱器的影響
發(fā)熱部分的上半部正對(duì)著坩堝，溫度較高，由于與SiO氣體的反應(yīng)引起消耗，厚度及寬度變小。發(fā)熱體的下部分溫度較低，有Si蒸結(jié)及生成碳化硅現(xiàn)象。
�。�3）對(duì)保溫筒的影響
保溫筒內(nèi)側(cè)面與SiO氣體反應(yīng)，生成SiC，使體積膨脹，可能發(fā)生變形、開(kāi)裂現(xiàn)象。溫度低的時(shí)候，內(nèi)側(cè)面有Si蒸結(jié)現(xiàn)象。
作者：許鵬 戴開(kāi)瑛 張治軍 來(lái)源：《太陽(yáng)能發(fā)電》雜志 責(zé)任編輯：wutongyufg
太陽(yáng)能發(fā)電網(wǎng)|m.baolechen.com 版權(quán)所有