1引言
隨著世界能源危機，綠色能源、能源多元化、可再生能源的利用成了我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇，其中太陽能光伏發(fā)電成了當(dāng)今備受電力科技工作者矚目地研發(fā)的熱門課題之一。太陽能光伏發(fā)電在能源多元化、綠色能源、可再生能源發(fā)展的進行中異軍突起、發(fā)展迅猛。電子行業(yè)半導(dǎo)體材料、太陽能光伏發(fā)電用硅晶隨之發(fā)展迅速。硅晶體生長用石墨坩堝、石墨熱場、炭素保溫材料等炭素材料成了硅晶制造中的重要關(guān)健材料之一，現(xiàn)以引起炭制品開發(fā)、生產(chǎn)企業(yè)的高度重示。國內(nèi)部分企業(yè)、科研單位在已生產(chǎn)小規(guī)格、高純度、模壓石墨和各向同性石墨的同時，現(xiàn)正向大規(guī)格高端技術(shù)各向同性石墨生產(chǎn)努力，用以滿足國內(nèi)大規(guī)格及特大規(guī)格石墨坩堝、石墨熱場、炭素保溫材料的要求。大規(guī)格、高純度各向同性石墨成了當(dāng)前國內(nèi)關(guān)注的一個重要研發(fā)課題。
2太陽能光伏發(fā)電
太陽能光伏發(fā)電是綠色能源，也是一種再生能源的利用項目之一，前些年國外發(fā)展較快。由于太陽能電池發(fā)電設(shè)備的制造成本較高，太陽能光伏上網(wǎng)電價約在 4元/kW·h 以上， 阻礙了國內(nèi)光伏發(fā)電的發(fā)展。隨著太陽能光伏發(fā)電技術(shù)成熟及所用材料成本下降， 已從 4元/kW·h逐降3元/kW·h、 2元/kW·h、1.5 元/kW·h 左右，距人們關(guān)注的 1元/kW·h 已不遙遠。據(jù)悉，2009 年3月份開標(biāo)的敦煌 10MW光伏電站招標(biāo)項目，13家最后入圍的投標(biāo)者，平均價已低于 1.5元/kW·h，甚至報出 0.69元/kW·h 的驚爆價。據(jù)蘇州阿特斯公司總裁翟曉華介紹“過去多晶硅占光伏電池成本的 70%左右”。硅晶生產(chǎn)中的石墨熱場、石墨坩堝等石墨材料又占硅晶制造用核心部件很高成本。5、6年前太陽能電池中單晶硅用石墨進口每公斤3~6美元，2008年每公斤漲到 20~26美元。這也是光伏發(fā)電成本難降的原因之一。目前我國每年進口硅晶拉制爐用石墨材料數(shù)億美元，近年進囗用外匯可參見表1。 計到2010 年后進口半導(dǎo)體、太陽能硅晶生長爐用石墨每年可達10億美元以上。
但是隨著硅晶產(chǎn)能、產(chǎn)量的增加和批量化，原材料價格走低等原因，2009年4月份多晶硅價格已跌破 100美元/kg， 在光伏電池成本中所占比重已由過去的 70%降到40%以下。業(yè)內(nèi)人士分析，多晶硅價格有望進一步大幅下降，因為多晶硅價格國內(nèi)廠家生產(chǎn)成本約50 美元/kg，最低28美元/kg并且產(chǎn)能出現(xiàn)過剩。
2009年4月28日，在“2009 年中國（洛陽）太陽能光伏生產(chǎn)會”上13家企業(yè)發(fā)布 《洛陽宣言》，稱2012年實現(xiàn)光伏發(fā)電上網(wǎng)價格 1元/kW·h 的目標(biāo)。在政府和投資者的支持下，2008 年中國光伏組件的產(chǎn)能約為 2000MW，而國內(nèi)安裝組件才50M左右，國內(nèi)市場所占產(chǎn)能不到5%。目前中國光伏發(fā)電制造產(chǎn)業(yè)借助國際市場形成初具規(guī)模的加工制造能力。制造裝備和多晶硅這兩個長期依賴進口的環(huán)節(jié)，國內(nèi)已開始蓬勃發(fā)展。原先拉制6英寸以下硅片多數(shù)用模壓高純石墨坩堝，現(xiàn)8英寸采用各向同性石墨用量極大，進口也供不應(yīng)求。
目前太陽能光伏發(fā)電發(fā)展較快，德國準(zhǔn)備投資4000億歐元， 在北非撒哈拉沙漠中建造世界最大太陽能發(fā)電場，即得塞爾泰克工程。 預(yù)計2020年建成后將通過新型高壓電網(wǎng)從撒哈拉沙漠向歐洲輸送20kMW電力， 相當(dāng)于目前20個傳統(tǒng)火力發(fā)電站的產(chǎn)能。目前在中國外商也加速布局中國光伏市場。徳國SGL公司在我國申請了兩項相關(guān)專利，2007 年4月在臺灣申請 TW278427《申請用于直拉單晶硅場的高純膨脹石墨嵌件》，2008 年6月在大陸申請了CN101198827《為改善傳熱而用太陽能收集器真空管的石墨膨脹體》，他們很注意知識產(chǎn)權(quán)保護問題。
近年我國半導(dǎo)體、光伏發(fā)電用多晶硅、單晶硅產(chǎn)能也迅速增加，我國近年硅晶產(chǎn)量參見表 2~3。由表可見光伏發(fā)電的發(fā)展很快、市場很大、經(jīng)濟潛力也很大，光伏發(fā)電現(xiàn)已是較成熟技術(shù)，如何降低成本是關(guān)鍵，我國前些年光伏發(fā)電設(shè)備主要是出口發(fā)達地區(qū)和國家，要想國內(nèi)得到較快發(fā)展，除用好當(dāng)前政府政策支持與補貼外，還要在光伏發(fā)電設(shè)備制造、原材料、電站建設(shè)并網(wǎng)等多方面降低成本、降低消耗，讓光伏電站的建設(shè)成本降下來，讓上網(wǎng)電價降低到 1 元/kW·h 以下，讓光伏發(fā)電更適應(yīng)國情的發(fā)展需要。
我國投資 30億元的太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電項目將在寧夏啟動，這是全國一次性開工數(shù)量最多，規(guī)模最大的太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電項目之一，總規(guī)模15萬kW·h，2015年寧夏全區(qū)將建成太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電項目 60萬kW·h，同時還要形成從硅材料—電池板—光伏電站的完整光伏產(chǎn)業(yè)鏈條。內(nèi)蒙古鄂爾多斯市也在研討建設(shè)沙漠太陽能光伏發(fā)電場。日前全球最大太陽能辦公大樓亮相山東德州，將光伏發(fā)電技術(shù)與建筑技術(shù)結(jié)合，建成“日月壇”微排大廈，集展示、科研、辦公等功能于一體，大廈總建筑面積達7.5萬m2 。
3 硅晶生長用石墨材料
在半導(dǎo)體、太陽能光伏發(fā)電領(lǐng)域硅晶生長設(shè)備用石墨部件有多處，如石墨坩堝、石墨熱場、石墨蓋板、硅片外延用石墨座、石墨保溫罩和炭素保溫材料等，所用石墨部件也隨硅晶尺寸技術(shù)的發(fā)展，要求石墨坩堝、石墨熱場等材料高純度、大型化，并向高端化精尖技術(shù)發(fā)展。
硅晶體的尺寸由 2英寸、4英寸、6英寸、8英寸、12 英寸至到18英寸，所用石墨坩堝的尺寸也迅速增大。 2002 年北京有色金屬研究總院拉制出我國第一根直徑 18 英寸直拉單晶硅棒。直徑 18 英寸硅單晶拋光片是12英寸的下一代產(chǎn)品，也是未來22nm 線寬的 64G 集成電路的襯底材料，對石墨坩堝技術(shù)性能要求也更高。過去Φ500mm 以下高純石墨多采用模壓及等靜壓所制高純石墨，可滿足 6英寸以下硅晶拉制坩堝需要?，F(xiàn)今晶片發(fā)展到 12英寸以上最大到 18 英寸，這些大規(guī)格硅晶體用石墨坩堝、石墨熱場也都大型化和特大型了，所用石墨純度也大為提高。
據(jù)文獻顯示，日本可生產(chǎn)最大Φ2500mm 的冷等靜壓各相同性石墨，國內(nèi)一般最大為Φ600mm 以下各向同性石墨。為適應(yīng)硅晶用Φ1400mm/Φ1160mm×2300mm 石墨， 國內(nèi)某單位采用振動成型法試制過該規(guī)格石墨坩堝。根據(jù)試驗產(chǎn)品質(zhì)量可以達到用戶要求。當(dāng)前大規(guī)格Φ600mm 以上石墨坩堝主要依賴國外進口，囯內(nèi)企業(yè)尚無有規(guī)模廠商業(yè)供貨。國內(nèi)主要供應(yīng)商是德國西格里（SGL）上海有限公司和日本上海東洋炭素公司等外企供貨。12 英寸、18 英寸硅晶片用大規(guī)格、特大規(guī)模 Φ800mm、Φ1200mm、Φ1400mm 的石墨坩堝，石墨熱場用各向同性石墨國內(nèi)亟須研發(fā)和生產(chǎn)。
3.1 國內(nèi)硅晶用石墨
半導(dǎo)體，太陽能光伏發(fā)電硅晶用石墨以高純度各向同性石墨為主。 高純石墨的制造成型分模壓， 擠壓，振動成型和冷等靜壓成型， 經(jīng)過焙燒、浸漬、石墨化、純化處理等多道工序制成。由于成型等工序不同，石墨制品的最終技術(shù)性能也差異甚大。目前半導(dǎo)體硅晶 生產(chǎn)企業(yè)認同制作硅晶生長用石墨坩堝和石墨熱場的材料多為冷等靜壓成型的各向同性石墨。由于該石墨異方性在 1.05~1.10 之間，相比模壓成型石墨，導(dǎo)熱率優(yōu)良、抗熱振性好、熱膨脹系數(shù)低、抗折、抗壓強度高，與石英坩堝配合適宜等因素，目前大多使用各向同性石墨，但是也在研發(fā)試用炭/炭復(fù)合材料生產(chǎn)坩堝、熱場用硅晶生長的試驗。
在冷等靜壓各向同性石墨生產(chǎn)方面，目前國內(nèi)受冷等靜壓設(shè)備制造和其他因素影響，國內(nèi)大規(guī)格冷等靜壓設(shè)備難尋，目前國內(nèi)約有十幾家具備生產(chǎn)冷等靜壓各向同性石墨生產(chǎn)能力的企業(yè)（設(shè)備、工藝較完善單位），也有少部分可生產(chǎn)各向同性石墨生產(chǎn)單位，是在設(shè)備工藝不完善（沒設(shè)備，沒場地等）情況下找其他行業(yè)有該設(shè)備的單位代工生產(chǎn)， 產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。
目前國內(nèi)具備生產(chǎn)各向同性石墨，生產(chǎn)設(shè)備，工藝等條件的炭材料廠家有成都蓉光炭素公司高純石墨廠、吉林炭素廠、哈爾濱電碳廠、自貢東新電碳公司等單位，但這些單位由于受冷等靜壓機缸體尺寸等因素限制了產(chǎn)品規(guī)格的大型化發(fā)展，制品規(guī)格很難增大。近悉四川某地在建中的一廠家，定制了一臺國產(chǎn)缸體直徑 Φ1200mm 的特大型冷等靜壓機，有望生產(chǎn)大規(guī)格各向同性石墨。目前商業(yè)化生產(chǎn)各向同性石墨的廠家成都蓉光炭素公司產(chǎn)品規(guī)
格較多、質(zhì)量穩(wěn)定。產(chǎn)品規(guī)格有 Φ350mm×450mm×Φ585mm×600mm、 400mm×400mm×400mm
900mm×540mm×260mm 等， 在其最大尺寸范圍內(nèi)還可按用戶要求尺寸設(shè)計加工各向同性石墨。相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表 4。哈爾濱電碳廠近年也安裝了大型冷等靜壓機在研制大規(guī)格各向同性石墨制品。
目前四川德陽迪泰機械有限公司和天津太平洋機電技術(shù)及設(shè)備有限公司等單位在冷等靜壓機設(shè)計制造方面也在努力開發(fā)大規(guī)格冷等靜壓設(shè)備。據(jù)悉2006年四川川西機械廠為外商試制過內(nèi)徑 2050mm長為 4700mm的冷等靜壓機，但具體結(jié)果筆者不詳。
3.2 國外各向同性石墨
由于各向同性石墨有著與其他石墨不同的優(yōu)良特性，世界各國也都在發(fā)展該石墨。據(jù)悉日本、德國、美國、法國、俄羅斯等都在開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用各向同性石墨，發(fā)展較快的要數(shù)日本和德國。據(jù)相關(guān)文獻顯示，日本近年有幾十家企業(yè)在開發(fā)、制造各向同性石墨。日本在這一領(lǐng)域發(fā)展雖然不算早，但是發(fā)展較快。美、德、法、日四國生產(chǎn)量的各向同性石墨產(chǎn)量占 60%以上，產(chǎn)品規(guī)格多，產(chǎn)品尺寸大，是世界上各向同性石墨最大的4個國家。
由于日本有較強的等靜壓機設(shè)計、制造能力，1982 年擁有缸體 Φ1000mm×700mm 等靜壓機，1986年可生產(chǎn) Φ1500mm 的各向同性石墨。1999 年一臺特大型等靜壓機投入應(yīng)用，可生產(chǎn)Φ2500mm直徑的各向同性石墨。產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)異，產(chǎn)品技術(shù)性能參見表5。圖1為各向同性石墨應(yīng)用比值參考示意圖。
同性石墨不僅應(yīng)用于半導(dǎo)體材料、 航天、 冶金、電火花加工、原子能等工業(yè)，還擴大到電機制造、生物工程等方面。各向同性石墨應(yīng)用領(lǐng)域的比值見圖 1。
 3.3 炭/炭復(fù)合材料
炭/炭復(fù)合材料是新型炭材料之一， 不但具有石墨的耐高溫、抗氧化等特點，而且還具有機械強度高，使用壽命長等特點。近年研發(fā)半導(dǎo)體硅晶生長爐等有關(guān)單位也在試用炭/炭復(fù)合材料坩堝等部件。我國中南大學(xué)粉末冶金研究院在2003年前后就研究炭/炭復(fù)合材料在硅晶生長爐用于制造坩堝、熱場、保溫罩等應(yīng)用開發(fā)，如今湖南方博云新材料有限公司已開始制造硅晶生長爐用炭/炭復(fù)合材料坩堝和炭纖維、炭氈保溫材料等制品，并在硅晶生產(chǎn)企業(yè)試用。
3.4 特大型各向同性石墨
各向同性石墨規(guī)格目前沒有明確劃分界限。根據(jù)大家習(xí)慣暫稱 Φ500mm 以下為小型，Φ500mm 至Φ1200mm 以下為大型， 稱 Φ1300mm 以上規(guī)格為特大型。當(dāng)今世界上日本可稱為大型、特大型各向同性石墨生產(chǎn)國，日本在炭石墨制造中對等靜壓成型方式非常重視，無論是等靜壓設(shè)備的設(shè)計、制造，到大型、特大型石墨的加工機床配套能力都排世界前列。從 20 世紀 70 年代開始制造缸體直徑為Φ200mm的等靜壓成型機到近年直徑為1500mm、Φ2500mm 以上的，發(fā)展速度很快。德國 SGL 公司提供的各向同性石墨為Φ1200mm 規(guī)格的大型石墨。
國內(nèi)在各向同性石墨Φ500mm以下已產(chǎn)能過剩，但能生產(chǎn)Φ600mm 以上甚少，成都蓉光炭素最大規(guī)格Φ585mm×600mm、直徑為600mm以下。為解決大型、特大型高純石墨的需要。華南師范大學(xué)陳壹華等采用振動成型技術(shù)，研制了 Φ1400mm/Φ1160mm×2300mm特大型硅晶生長用石墨坩堝制備試驗，技術(shù)性能參見表6。主要特性略遜各向同性石墨。但是加工機床、工作平臺、浸漬等設(shè)備也難配套，產(chǎn)品質(zhì)量很難穩(wěn)定。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國現(xiàn)能設(shè)計制造 Φ1200mm缸體等靜壓機，目前正在市場化運作，不久將有炭石墨生產(chǎn)企業(yè)采用 Φ1200mm 缸體等靜壓機，生產(chǎn)我國自己制造的大型各向同性石墨，為電子行業(yè)提供生產(chǎn)硅晶用大型石墨坩堝等大規(guī)格石墨部件，逐漸實現(xiàn)大規(guī)格、特大規(guī)格各向同性石墨國產(chǎn)化。
4 分析和展望
目前大規(guī)格、特大規(guī)格各向同性石墨是我國炭石墨制品中的一項缺口及空白，在電子材料半導(dǎo)體、太陽能光伏發(fā)電多晶硅、單晶硅用量大幅猛增的情況下，突顯出所用大規(guī)格各向同性石墨國產(chǎn)化問題。由于近年來硅晶產(chǎn)量迅速增長，單單電子行業(yè)用各向同性石墨年用進口石墨費用就達10 億美元。我國海關(guān)在《對加工貿(mào)易單耗標(biāo)準(zhǔn)實務(wù)手冊》修定時，將電子行業(yè)用石墨列出并進行修改，說明國家很重視這一工作，有可能減少石墨進口、減少外匯支出加大國產(chǎn)化比例。當(dāng)前發(fā)展大規(guī)格各向同性石墨可說是個時機，因為太陽能光伏發(fā)電的迅猛發(fā)展推動了各向同性石墨用量的大增，其他行業(yè)的應(yīng)用市場也在擴大。除了有巨大的市場外，我國炭制品行業(yè)中出現(xiàn)了一些熱心這一產(chǎn)品開發(fā)的廠商。同時有小規(guī)格各向同性石墨制造經(jīng)驗、技術(shù)人員。可喜的是目前有冷等靜壓機制造廠開始設(shè)計制造大規(guī)格（1200mm）冷等靜壓機，如果順利近兩年可投入生產(chǎn)。在人們研發(fā)大規(guī)格同性石墨的同時也有單位在開發(fā)振動成型石墨、炭/炭復(fù)合材料、炭纖維等材料用于硅晶生產(chǎn)用。
但是，目前我國大型各向同性石墨研發(fā)制造的瓶頸和不利因素還存在：①大型、特大型冷等靜壓機的設(shè)計制造還沒跟上；②其他配套設(shè)施不完善，如對大型、特大型（Φ1200mm）石墨件浸漬、焙燒、石墨化、純化處理、機械加工專用機床等都需完善。我們還要認真學(xué)習(xí)國外的經(jīng)驗、取其之長、補已之短。但是外企憑借其雄厚的技術(shù)經(jīng)濟實力，對我囯進行技術(shù)封鎖和市場壟斷，已開始在我囯建設(shè)大型生產(chǎn)裝置，并增加了在中國的投資，力圖更有效地控制我國市場。在知識產(chǎn)權(quán)方面也加緊布置相關(guān)保護。這也是我們在新產(chǎn)品研發(fā)時不能忽視的一方面。另外還要注意國外的經(jīng)濟保護和經(jīng)濟控制。我國硅晶用石墨市場發(fā)展環(huán)境極為嚴峻，產(chǎn)業(yè)面臨巨大的生存壓力與挑戰(zhàn)。國內(nèi)企業(yè)如不能在相對較短的時間內(nèi)奮起直追，加強研發(fā)力度，擴大生產(chǎn)規(guī)模，增加大型制造設(shè)備，硅晶用石墨在國內(nèi)將繼續(xù)由外企高度壟斷的局面，將直接影響我囯硅晶材料的發(fā)展。
當(dāng)前我國光伏發(fā)電已至大規(guī)模啟動臨界點，加上冶金、電火花加工等行業(yè)對各向同性石墨需求增加，可說是到了大規(guī)格各向同性石墨的發(fā)展良機。但是，還要做到有序穩(wěn)健發(fā)展?？上驳氖亲罱覈ば挪繝款^開始著手建立多晶硅產(chǎn)業(yè)監(jiān)測，預(yù)警體系，牽頭組織成立國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，并與相關(guān)部委共同完成全國光伏企業(yè)調(diào)查工作，在此基礎(chǔ)上，將盡快出臺多晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見。
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