碳化硅陶瓷在光伏领域的应用与研究
碳化硅陶瓷具有良好的机械强度、热稳定性、耐高温性、抗氧化性、抗热震性及耐化学腐蚀性，被广泛应用于冶金、机械、新能源和建材化工等热门领域。在光伏领域主要应用于TOPcon 电池的扩散、LPCVD 低压化学气相淀积、PECVD（等离子化学气相沉积）等热制程环节。相比于传统的石英材料，碳化硅陶瓷材料制作的舟托、小舟、管件制品强度更高，热稳定性更好，高温使用不变形，且寿命是石英材质的 5 倍以上，可显著降低使用成本及维修停线造成的常能损失，成本优势明显。
1 碳化硅陶瓷应用于光伏领域的优势
碳化硅陶瓷在光伏电池领域应用的主要产品有碳化硅舟托、碳化硅小舟、碳化硅炉管、碳化硅悬臂桨、碳化硅杆、碳化硅保护管等。其中，碳化硅舟托、碳化硅小舟是取代原有的石英舟托、小舟，由于优势明显，发展迅速，已成为光伏电池片生产工艺过程中关键载具材料方面的良好选择，其市场需求日益受到业界关注。
反应烧结碳化硅（Reaction Bonded Silicon Carbide，RBSC）陶瓷是光伏电池领域应用最广泛的碳化硅陶瓷，其优势是烧结温度低、生产成本低、材料致密化程度较高，特别是反应烧结过程中几乎不发生体积收缩现象，特别适合大尺寸复杂形状结构件的制备，因此最适合于生产舟托、小舟、悬臂桨、炉管等大尺寸复杂产品。RBSC 陶瓷的制备的基本原理是：在毛细管力的作用下，具有反应活性的液态硅渗入含碳的多孔陶瓷素坯中，与素坯中的碳源反应生成二次相β-SiC，同时二次相β-SiC与素坯原粉中的α-SiC颗粒原位结合，剩余的孔隙继续被游离硅填充，最终实现RBSC陶瓷材料的致密化。国内外RBSC陶瓷产品的各项性能如表1 所示。
在太阳能光伏电池的制造过程中，硅片放置在小舟上，小舟放置于舟托上进行扩散、LPCVD 等热制程，而碳化硅悬臂桨（杆）是将承载硅片的舟托移入和移出加热炉的关键装载部件。如图 1 所示，碳化硅悬臂桨（杆）能够保证硅片与炉管的同心度，进而使扩散、钝化更均匀，同时在高温下 污染、不变形，具有良好的抗热震稳定性、载重量大，已被广泛应用于光伏电池领域。
传统的石英舟和舟托，在软着陆扩散工艺流程中，需要将硅片连同石英舟托一起放入扩散炉内的石英管中。在每次扩散工艺中，将装满硅片的石英舟托放到碳化硅桨上，碳化硅桨进入石英管后，桨自动下沉放下石英舟托和硅片，然后慢慢运行回原点，每次工艺结束后，都需要将石英舟托从碳化硅桨上取下。如此频繁的操作，长时间会造成石英舟托磨损，一旦石英舟托出现裂纹断裂，整个石英舟托就会从碳化硅桨上掉落下来，进而砸坏下方的石英件、硅片和碳化硅桨。碳化硅桨的价格昂贵且不可返修，一旦出现事故就会造成巨大的财产损失。
在LPCVD环节，不仅会出现上述的热应力问题，由于LPCVD工艺要对硅片通硅烷气体，因此长期的工艺会让舟托和小舟表现形成硅涂层，由于涂层硅和石英热膨胀系数不一致，导致舟托和小舟开裂，寿命严重降低。普通的石英舟、舟托在LPCVD工序寿命通常只有2 ～ 3 个月。因此，改善舟托材料提高舟托强度及使用寿命从而避免此类事故的发生 显得尤为重要。
2 碳化硅陶瓷材料应用于光伏领域的发展趋势
目前全国已有多家光伏企业开始使用碳化硅舟托，如图 2 所示，如隆基绿能科技股份有限公司、晶科能源股份有限公司、一道新能源科技股份有限公司等光伏龙头企业。
用于硼扩的碳化硅舟托，由于硼扩的使用温度高，通常在1000 ～ 1050℃,在高温下舟托里的杂质容易挥发出来对 电池片造成污染，进而影响电池片的转换效率，因此对舟托 材料的纯度有更高的要求。目前对于硼扩用的舟托需要进行提纯。首先是对原料碳 化硅粉进行酸洗提纯。锂电级的碳化硅粉原料纯度要求在99.5%以上，通过硫酸 + 氢氟酸酸洗提纯后，原材料的纯度可以达到99.9%以上。同时，在舟托制备过程中引入的杂质要进行管控。因此硼扩舟托多采用注浆的成型方式，减少金属杂质的引用。注浆法成型通常是通过二次烧结，重烧结后，碳化硅舟托的纯度有一定的提升。
此外，在舟托的烧结过程中，也要对烧结炉提前进行纯化，炉子里的石墨热场也需要进行纯化处理。通常硼扩用的碳化硅舟托纯度一般在3N左右。碳化硅小舟未来很有发展前景，碳化硅小舟如图 3 所示。无论LPCVD 过程还是硼扩过程，石英舟的寿命都相对较低，且石英材料的热膨胀系数和碳化硅材料不一致，因此在高温下和碳化硅舟的配合过程中也容易出现偏差，进而导致晃舟甚至碎舟的情况。碳化硅小舟采用一体成型，整体加工的工艺路线，其形 位公差要求高，和碳化硅舟托配合更好，且碳化硅强度高，因人为碰撞导致的小舟碎裂情况要比石英舟少很多。但由于碳化硅小舟纯度要求高、加工精度要求高，因此目前仍处于小批量验证阶段。因为碳化硅小舟直接与电池片接触，因此即使在LPCVD工序，也要有很高的纯度，以防止污染硅片。碳化硅舟的最大难点在于机加工。众所周知，碳化硅陶瓷是典型的硬脆型难加工材料，而小舟的形位公差要求非常严格。传统的加工工艺很难对碳化硅小舟进行加工。目前多采用金刚石刀具磨削的工艺对碳化硅小舟进行加工，再进行抛光、酸洗等处理。
碳化硅炉管相较于石英炉管具有导热性好，受热均匀，热稳定性好的特点，寿命是石英管的5 倍以上。炉管是炉膛的主要传热部件，起到密封、传热均匀的效果。碳化硅炉管 制造难度非常高，成品率也非常低。首先，由于炉管尺寸巨大，且壁厚通常在5 ～ 8mm之间，因此在素坯成型的过程中非常容易变形、坍塌甚至开裂。
在烧结时，由于炉管尺寸巨大，在烧结时也很难保证烧结过程中不变形，硅量均匀性差，容易出现局部未硅化、坍塌、开裂等情况，且碳化硅炉管的生产周期非常长，单只炉管生产周期超过50天，因此，碳化硅炉管目前仍处于研发状态，还未批量生产。
光伏领域用碳化硅陶瓷材料主要的成本来自高纯碳化硅粉原料、高纯多晶硅、反应烧结成本等方面。随着碳化硅粉提纯技术的不断发展，碳化硅粉通过磁选、酸洗等技术，其纯度不断上升，杂质含量逐步从1%向0.1%降低。随着碳化硅粉产能的不断上升，高纯碳化硅粉的成本也不断下降。
自2020年下半年以来，多晶硅企业陆续宣布扩产，目前国内多晶硅生产企业已超过17家，预估2023年年产量超145万t，多晶硅产能过剩导致价格持续低走，进而也降低了碳化硅陶瓷的成本。
在反应烧结方面，反应烧结炉的尺寸也在不断增大，单炉装料量也不断增加，最新的大尺寸反应烧结炉一次性可装40件以上，远远大于现有反应烧结4 ～6件的装炉量，因此，烧结成本也会大幅度地下降。
综合来看，碳化硅陶瓷材料在光伏领域主要向着纯度更高、承载能力更强、装片量更高、成本更低的趋势发展。
3 碳化硅陶瓷材料应用于光伏领域的意义
目前国内光伏领域应用的石英材料所需的高纯石英砂还主要依赖于进口，而国外向中国出口的高纯石英砂的数量、规格受到严格控制，高纯石英砂材料供应紧张情况一直没有缓解，并制约着光伏行业的发展。同时，由于石英材料寿命低，易损坏导致停机，严重制约了电池技术的发展。因此开展碳化硅陶瓷材料逐步替代石英材料的研究工作，对我国摆脱国外的技术封锁具有十分重要的意义。
综合比较而言，无论是产品性能，还是使用成本，碳化硅陶瓷材料在太阳能电池领域的应用都比石英材料更具有优势，碳化硅陶瓷材料应用于光伏行业，对光伏企业减少辅材 投资成本，提高产品质量和竞争力有着巨大的帮助。未来，随着大尺寸碳化硅炉管，高纯碳化硅舟、舟托的大量应用及成本的不断降低，碳化硅陶瓷材料在光伏电池领域的应用将会成为光伏发电领域提高光能转化效率，降低行业成本的关键因素，对光伏新能源发展有重要影响。
光伏研习社