摘要：单晶硅、多晶硅等硅材料是实现光电转换的主要材料之一。生产高纯度的多晶硅和单晶硅不仅需用大量的石墨材料，而且耗能量也非常大。随着产量的提高和生产设备的大型化，碳／碳复合材料坩埚和加热元件以及石墨纤维保温筒将是发展方向。高纯度和大尺寸热场材料具有显著的社会和经济效益。

　　关键词：太阳能；光伏产业；热场材料；碳／碳复合材料；石墨材料

　　太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源。近年来，太阳光伏产业得到长足发展，已成为新能源领域中的一个重要组成部分。特别是在我国，太阳能光伏产业得到超常规发展，在世界可再生新能源领域中占有一席之地。例如在2009年，我国多晶硅占全球总产能的25％左右，硅片占65％，太阳能电池占51％，组件占61％。据统计，在2009年度，世界10强太阳能企业中我国占据4席。同时，我国从事太阳能光伏产业的企业有580多家。在太阳能光伏产业中，硅系材料是最好的光电转换材料之一，是当今市场的主体，硅基(多晶硅、单晶硅)太阳能电池占80％以上。目前，光电转换效率在12％～14％，实验室可达到18％左右。

　　在硅系材料中，以多晶硅和单晶硅为主要产品，合格单晶硅用于半导体工业，等外品和废品用于光伏产业。在制造过程中，要耗费大量电能，是耗能大户。能量主要耗费在硅的熔融、熔融硅的保温等方面。表l列出硅的热性能和物理性质。在生成装置中，采用了大量的碳材料，如各向异性石墨、各向同性石墨、碳／碳(C／C)复合材料以及碳毡和石墨毡等，尤其是用丘克拉斯(Czochrask，Cz)法拉制单晶硅的炉体结构中，几乎采用的是高纯度碳石墨材料和C／C复合材料，以制取高纯度和大尺寸单晶硅棒。本文主要综述以拉制单晶硅炉为主的生产硅基材料的热场材料。

　　1生产硅基材料的热场材料
　　1．1拉制单晶硅炉
　　生产单晶硅主要有Cz法和浮游带区(Fz)法。图1是Cz单晶硅炉的结构示意图，在氩气保护下，将多晶硅加热到1500℃左右，使其熔融：由炉上部旋转垂放晶籽(种)拉线，使其与熔融硅面接触，并使熔融硅面保温在1400℃左右，向上提拉晶籽而单晶硅也随之逐步生成，一直生长到设计的尺寸，如15．24、20．32、25．4和30．48cm。由图1可知，工作室内除了熔融硅和拉制的单晶硅外，热场材料主要是高纯石墨和C／C复合材料，如坩埚、发热体、保温筒等，以保证单晶硅制品的纯度。

生产多晶硅制品的装置有组合式方形坩埚、加热元件和螺栓、螺帽等都采用石墨和C／C复合材料。

　　1.2C／C复合材料坩埚
　　由图1可知，拉制单晶硅采用组合式坩埚，外为C／C坩埚，内为石英坩埚。这是因为熔融硅的温度与石英熔点相近，都在1420℃左右，石英坩埚在这温度下处于软化状态，没有承重能力，外部C／C坩埚是承重的主体。但是，熔融硅不能直接与C／C坩埚接触，以防SiC的生成，因而采用了组合式坩埚。制造高纯度C／C复合材料坩埚的流程很长，如图2所示。

　　C／C坩埚取代石墨坩埚是技术发展的必然趋势。这是因为拉制单晶硅棒的直径愈来愈大，随之装置大型化。例如，拉制30．48cm单晶硅棒，热场范围约为81．28CIII，坩埚外径约为函86cm，外围加热器为痧100cm，其它的配套最大部件为西150cm。如此大直径坩埚，用石墨材质制造难度很大，需用C／C工艺制造。此外，C／C复合材料的抗拉伸、抗压缩和抗层间剪切强度比石墨高得多，可承受较大的应力，在高温下不变形，保持原有形状，使用寿命长。

　　1．3加热器
　　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(痧96～驴100cm)，需用抗拉伸强度和抗压缩强度高的c／cN造。有C／CN热型架和圆形加热器，c／c力H热器也有方形的组件，其圆筒状c／c发热体可加热到2500℃。我国湖南南方博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。

　　1．4保温筒
　　由图1可知，在加热器的外围是保温筒，以防热场能向外散发。现代保温筒为硬质(刚性)石墨毡制造，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石墨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。

　　此外，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。

2石墨的高纯化和致密化
　　2．1高纯化
　　我国是硅材料的生产大国，但不是强国。这也就是说，我国可规模化生产粗硅(99．9％)，但生产精硅(99．99999％)的技术滞后，产量低。硅材料产业现状是卖出粗硅，买回精硅，生产出光伏产品后再销往国外。因为生产精硅，需用高纯度的石墨坩埚，其金属杂质含量要<2×10～，这就需用干燥的氯化氢来进行纯化处理。图5是制造无水氯化氢的整套工艺流程图。纯化是基于在高温下金属杂质与氯化氢生成低沸点氯化物而挥发逸走，使石墨化得到纯化。此外，也可采用氯气纯化，其反应可能如下：

　　表2列出超纯、高纯和普通各向同性石墨中金属杂质的含量。显然，普通石墨中金属杂质含量在>1×10'4，高纯石墨仅<l×10石以下，超高纯则更低。由表2列出的数据可以看出，B含量较高，可用氟化处理纯化。例如采用二氯二氟甲烷(CCL2F：)纯化。这些高纯石墨制品除用于光伏产业的热场材料外，还可用于半导体工业、核能装置等方面。纯化工艺复杂，但高纯制品价格比普通制品高数十倍到近百倍。

2．2致密化
　　石墨的理论密度为2．266g／cm3，C／C复合材料密度为1．5～1．6g／cm3，两者的密度之差为孔隙率。在控制单晶硅的熔融工作室内，有SiO气体产生，SiO进入到孔内与碳反应消耗碳；同时，硅与碳反应产生SiC也消耗碳，其反应可能如下：

　　因此，C／C坩埚表面要进行热解碳沉积而填堵孔。图6是热解碳填堵孔及表面沉积热解碳的C／C复合材料坩埚的示意图。化学气相沉积热解碳的速度要慢，控制在0．2pm／h，沉积厚度为2¨m热解碳约需100h。表3列出CVD的相关技术参数。

　　C／C坩埚除用CVD法沉积热解碳外，也可用沉积SiC层。SiC层不仅可填堵表面的孔，而且可缓和它们之间的热膨胀率之差而引起应力导致热龟裂。由表l列出的数据可知，硅在液相的密度要比固相大，熔融或冷却过程中自身要发生热胀冷缩，而碳的膨胀系数要比硅小得多，使在升温或降低过程中缓解热应力。因为siC的线膨胀随温度变化规律与石墨材料相一致，如图7所示。

　　3结语
　　太阳能是可再生的清洁能源，是国家发展新能源的重要组成部分，因而光伏产业已成为一个独立分支而发展迅速。其中，硅系太阳能电池占市场的主导地位，单晶硅和多晶硅是其光电转换的物质基础。由粗硅提炼为精硅，需用大量的纯度高和尺寸大的各种石墨材料、碳／碳复合材料等多种热场材料。因此，碳／碳复合材料的坩埚、加热元件和保温筒将得到大发展。