光伏行业的新热场材料
本文主要概述了单晶硅炉热场材料的发展概况，以及石墨热场材料与C/C热场材料的性能比较。并指出，随着产量的提高和生产设备的大型化，C/C复合热场材料将是今后光伏热场材料的重点发展方向。
2.3 保温筒
保温筒在加热器的外围，以防热场能向外散发。现代保温筒为硬质(刚性)炭毡制造，更为先进的保温筒采用蜂窝结构，提高了隔热和保温效果。同时，装填或维修方便，且使用寿命长。如果采用通用的软性炭毡作为隔热保温材料，虽然造价较低，但装填或维修十分不便，且污染环境。保温筒可整体成型，也可分段成型后再组合，如图3所示。分段组合式保温筒不仅制造成本低，而且使用后哪段损坏换哪段，可降低成本。
由图1可知，在坩埚外围是加热元件，一部分电能使原料硅熔融，大部分电能用于熔融硅的保温，是耗能装置。随着装置大型化，加热元件的尺寸随之增大(ø96～ø100cm)，需用抗拉伸强度和抗压缩强度高的C/C制造。有C/C加热型架和圆形加热器，C/C加热器也有方形的组件，其圆筒状C/C发热体可加热到2500℃。我国湖南南方搏云新材料有限公司与中南大学合作研究大直径(152cm) C/C整体加热器和保温筒。
2.5 其它部件
C/C复合材料还可以用来制造热反射屏(筒)、上/下保温盖、防漏盘、螺栓、螺帽等配件，使热场材料几近石墨和C/C复合材料化。图4是C/C复合材料制品和三明治结构的保温筒。
3.生产单晶硅的石墨热场材料
3.1 石墨热场材料的性能
石墨熔点极高，在真空下到3000℃时才开始软化，到3600℃时石墨开始蒸发升华；石墨的导热性和导电性相当高，其导电性比不锈钢高4倍，比碳素钢高2倍，比一般的非金属高100倍。导热性超过钢、铁、铝等金属材料，且随温度升高导热系数降低，这和一般金属材料不同；在极高的温度下，石墨趋于绝热状态，因此，在高温条件下，石墨被用来作隔热材料。石墨还具有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱、耐有机溶剂的腐蚀。在直拉单晶炉中，热场部件除保温毡外，其余几乎全部用高纯、高强、高密度石墨制造。但石墨材料脆性大，在交变热应力和电磁力作用下容易产生裂纹。在加热器上的微裂纹改变了零件的电性能和热传导性能，致使硅融体的温度难于精确控制；石英坩埚与石墨坩埚、多晶硅熔体的热不匹配。石英坩埚在高温下产生塑性变形，在高温下紧贴石墨坩埚；石英坩埚内的残余液体表面先冷却，芯部后冷却，多晶硅冷却时尺寸膨胀，这些都使石墨坩埚受到较大的拉应力作用。在反复的开炉、停炉、加热冷却过程中，石墨坩埚将很快产生裂纹并导致破损，这样就大大缩短了石墨坩埚的使用寿命。拉制的单晶棒直径越大，问题越严重。随着信息产业的发展，石墨制成的热场零部件存在一定的局限性。
3.2 热场内石墨材料的相关反应
单晶炉内引起反应的化学元素及化合物有Si（单晶硅原料）、SiO2（ 石英坩埚）、C（石墨部件）。因此，炉内存在的气体有：
1) Si蒸气
2) Si与石英坩埚反应而生成的SiO气体
Si（L）+ SiO2（S）→2SiO（g） （1）
3) 石墨坩埚与石英坩埚反应而生成的SiO、CO气体
SiO2（S）+ C（S）→2SiO（g）+ CO（g） （2）
SiO（g）+ 2C（S）→SiC（S）+ CO（g） （3）
（1）对坩埚的影响
坩埚的内侧面，由于上述（2）、（3）式氧化反应，分瓣面附近R（圆角）部分发生消耗，其厚度变薄。
同时，由于（3）式的影响，内侧面发生体积膨胀，引起坩埚变形，分瓣面上部开裂。坩埚的外侧面，由于Si蒸气或SiO气体而发生Si蒸气的凝结（下面简称蒸结），并出现SiC涂层。但是，SiC生成的厚度比内侧面薄。
（2）对加热器的影响
发热部分的上半部正对着坩埚，温度较高，由于与SiO气体的反应引起消耗，厚度及宽度变小。发热体的下部分温度较低，有Si蒸结及生成碳化硅现象。
（3）对保温筒的影响
保温筒内侧面与SiO气体反应，生成SiC，使体积膨胀，可能发生变形、开裂现象。温度低的时候，内侧面有Si蒸结现象。
作者：许鹏 戴开瑛 张治军 来源：《太阳能发电》杂志 责任编辑：wutongyufg
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