碳/碳复合材料在光伏行业应用现状及未来发展趋势分析
我国对碳/碳复合材料的研究开发工作开始于20世纪70年代末，经过几十年的发展，取得了丰硕的成果，先进性直追发达国家。
本文主要介绍碳/碳复合材料在光伏领域应用的发展史、相比于石墨产品的优势、行业发展现状、主要的技术难点以及未来的发展趋势。
太阳能电池板
关于碳/碳复合材料
碳/碳复合材料是以碳纤维为增强相的碳基复合材料，是目前极少数可以在2000 ℃以上保持较高力学性能的材料，它具有低比重、高比强、高比模、低热膨胀系数、耐热冲击以及耐烧蚀等优异性能，是新材料领域重点研究和开发的一类战略性高技术材料。
碳/碳复合材料在光伏领域应用的发展史
碳/碳复合材料在光伏领域应用和发展主要分三个阶段：
（1）第一阶段：技术探索与产品验证
2005年至2010年，碳/碳复合材料在晶硅制造热场系统领域的应用进入探索期，以金博股份和西安超码为代表的国内少数碳/碳复合材料厂商尝试用碳/碳复合材料产品对等静压石墨产品进行替代，产品开始得到验证。
光伏领域碳/碳复合材料产品
图片来源：金博股份
（2）第二阶段：技术提升与产业化
2011年至2015年，欧美双反政策对中国光伏产业造成极大的冲击，光伏行业降低成本的紧迫需求使得国内企业率先思变，开始大胆尝试新材料、新工艺。在这个阶段，碳/碳复合材料为光伏行业客户单晶拉制炉增大投料量、提高拉速、降低能耗等工艺提供了新型热场设计与材料保障，推动了光伏行业的降本增效、技术进步与复苏发展。
（3）第三阶段：批量替代及市场主导
2016年至今，随着下游晶硅制造行业向大尺寸、高拉速和高品质方向的发展，碳/碳复合材料的高安全性、高纯度和可设计等方面的技术优势越来越明显，碳/碳复合材料已经成为市场需求主导。目前，碳/碳复合材料的发展正处于第三阶段。
相比于石墨产品的优势
碳/碳复合材料具有质量轻、损伤容限高、强度高等突出优点，用作热场产品与石墨产品比较，具有以下突出优点：
1、碳/碳复合材料用作单(多)晶炉热场产品，大幅度延长产品的使用寿命。碳/碳热场产品经测试可使用90炉次以上，而石墨热场则只有10-30炉次，使用碳/碳热场减少了更换部件的次数，从而提高设备的利用率，减少了维修成本。
2、用做拉单晶硅的坩埚时，由于石英坩埚对石墨坩埚产生较大的膨胀应力作用，石墨坩埚需要做成三瓣，或在坩埚上开热膨胀槽；而使用碳/碳复合材料的加热炉内产品由于不用开热膨胀槽，可以做成一个整体，并且在石英坩埚内可以获得更均匀的热场，提高了成品率，而且可以避免漏硅事故造成的损失。据统计，一次漏硅事故造成的设备材料方面的损失超过10万元。
3、碳/碳复合材料用作单晶硅炉热场产品时，现有设备具有固定的工作容积，而由于碳/碳复合材料具有优异的性能，与石墨产品相比，可以做的更薄，从而可以利用现有设备生产尺寸更长、直径更大的产品，可节约大量新设备投资的费用。
4、在拉制大直径的产品时，石墨热场产品成型困难，如果要制造超大直径的石墨热场零件，其制造成本、加工成本都很高，而由于碳/碳复合材料具有优异的性能，目前在拉制大直径的产品时，较多地采用了碳/碳复合材料热场产品。
5、石墨热场产品在反复高温条件下易产生微裂纹，微裂纹的存在改变了其热传导性能，在加热时石墨加热器的功率与硅溶体的温度场发生变化，将影响拉晶的效率和拉出的品质，而使用碳/碳复合材料热场产品则可以克服这个缺点。
6、碳/碳复合材料用作单(多)晶炉热场产品时，导热系数比石墨热场产品低很多，用做隔热保温材料隔热保温效果好，可以节约大量的电能，节省大量的电费开支，有效的降低单晶硅生产成本，随着全球能源供应的紧张，单晶硅生产作为高耗能行业，能源消耗的降低具有较大的经济和社会意义。
碳/碳复合材料行业发展现状
（1）下游行业规模快速增长，对碳/碳复合材料的需求旺盛
根据“碳达峰”的目标，《中国光伏产业发展路线图》（2020年版）预计“十四五”期间我国光伏年均新增光伏装机量将在70-90GW之间。随着光伏行业的迅速发展，碳/碳复合材料正快速形成在晶硅制造热场系统中对石墨材料部件的进口替代与升级换代。
（2）政策推动行业持续、快速发展
碳/碳复合材料行业是国家重点扶持、优先发展的行业之一。政府主管部门先后出台了一系列政策对行业的发展予以支持，要求积极开发新型超大规格、特殊结构材料的一体化制备工艺，推进高性能复合材料生产制备低成本化、产品品种多样化和装备设计自主化。
主要技术难点
碳/碳复合材料产品生产工艺都相对复杂，技术难度高，行业的门槛较高，特别是在热场系统，大直径、形状复杂部件的结构功能一体化设计与高性能、低成本的碳/碳复合材料产品制造整体技术具有较高的技术门槛。未来，随着光伏、半导体行业的快速发展，带动单晶硅生长炉热场系统的技术快速升级，将对热场部件的大直径、高纯度、长寿命等关键性能提出更高的要求，需要高性能、低成本，综合性能更加优异的碳/碳复合材料热场产品。
行业未来发展趋势
（1）碳/碳复合材料产品向高纯度、大尺寸方向发展
在光伏行业及半导体行业，由于技术的发展及产品的快速迭代，硅片向高纯度、大尺寸发展是其基本的趋势，因此，高温热场系统应用中，碳/碳复合材料产品向高纯度、大尺寸的方向发展也是必然的趋势。
（2）光伏行业周期性减弱，政策驱动逐步转向经济性驱动
面对着“2030年碳达峰”和“2060年碳中和”的能源发展目标，加速发展光伏等零碳能源，替代煤电等化石能源是碳中和的必由之路，光伏将在“十四五”期间迎来一个加速发展阶段，“十四五”能源规划中的光伏装机目标必然较“十三五”大幅提升，未来五年新增总装机量在350GW到450GW之间。
随着平价上网的全面开展，光伏行业摆脱了政策补贴依赖，周期性减弱，由政策驱动逐步转向经济性驱动。随着光伏行业的需求逐步释放，碳/碳复合材料产品面临广阔的市场空间。
内容参考：金博股份2020年年度报告、九华碳素官网
为了更好的推动碳/碳复合材料行业发展，DT新材料联合中南大学炭/炭复合材料研究所、西北工业大学碳/碳复合材料研究所、陕西省碳/碳复合材料工程技术研究中心，于11月18-20日在上海举办Carbontech碳/碳复合材料行业技术研讨会。