石墨材料在光伏產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

石墨材料在光伏產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

石墨是碳質(zhì)元素的結(jié)晶礦物。其晶格為六角形層狀結(jié)構(gòu)。石墨質(zhì)軟、黑灰色、油膩，具有優(yōu)良的耐高溫、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能。因此，石墨具有良好的應(yīng)用前景。特別是近年來，光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，更廣泛地促進了石墨材料的應(yīng)用，本文分析了高純石墨的生產(chǎn)方法及其在光伏產(chǎn)業(yè)中的實際應(yīng)用，并從理論上探討了高純石墨材料的未來發(fā)展方向。光伏產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)特點。

石墨材料可分為天然石墨和人造石墨兩大類，由于天然石墨粉末較大，應(yīng)用受到限制，因此高純石墨的發(fā)展變得越來越重要。近年來，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，高純石墨在光伏生產(chǎn)中的應(yīng)用迅速升溫，光伏產(chǎn)業(yè)從基本原料硅酸鹽到光伏系統(tǒng)最終應(yīng)用的過程如圖1所示。

隨著太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對以單晶硅電池和多晶硅電池為原料的需求日益增加。近年來，單晶硅加工廠和多晶硅加工廠的大規(guī)模生產(chǎn)如春雨過后的竹筍般涌現(xiàn)。因此，生產(chǎn)單晶硅和多晶硅所需的原輔材料也在急劇增加，高純石墨是重要的原輔材料之一，純石墨的發(fā)展也促進了高質(zhì)量單晶硅和多晶硅的生產(chǎn)。E硅。因此，高純石墨在光伏產(chǎn)業(yè)中占有重要地位。

（1）耐高溫，石墨熔點3850+50（）沸點是4250（）c.即使石墨被超高溫電弧燃燒，重量損失也很小，熱膨脹系數(shù)也很小。石墨的強度隨溫度的升高而增加，200（）時強度增加一倍。C.

（2）良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。石墨的導(dǎo)電率是非金屬材料的100倍。石墨的導(dǎo)熱系數(shù)高于鋼、鐵、鉛等金屬材料。其導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而降低，甚至在高溫下成為絕緣體。

抗熱震性。石墨在室溫下使用時，能經(jīng)受住劇烈的溫度變化而不被破壞。當(dāng)溫度突然變化時，石墨的體積變化不大，不會發(fā)生裂變。

從以上優(yōu)良的石墨特性可以看出，石墨作為一種工業(yè)原料具有許多獨特的優(yōu)勢，因此石墨材料在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，特別是在當(dāng)今光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的今天，石墨材料得到了更廣泛的應(yīng)用。

石墨深加工工業(yè)的前提是提純。石墨提純是一個復(fù)雜的物理和化學(xué)過程。主要凈化方法有浮選法、堿酸法、氫氟酸法、氯化焙燒法和高溫法，各凈化方法的設(shè)備要求、含碳量、優(yōu)缺點見表4。

浮選是一種常見而重要的選礦方法。石墨具有良好的天然浮性?；旧纤械氖伎梢酝ㄟ^浮選提純。為了保護石墨片，石墨浮選大多采用多級工藝，石墨浮選一般采用煤油作捕收劑，煤油用量為100-200g/t，發(fā)泡劑一般采用萜醇或丁醚油，煤油用量為50-250g/t。

由于石墨具有良好的天然可浮性，通過浮選可使石墨品位提高到80%-90%，甚至達到95%，該方法的最大優(yōu)點是能耗和試劑消耗最少，成本在所有凈化方案中最低，而硅酸鹽礦物和鉀、鈣、鈉、鎂等礦物的成本最低。極細(xì)狀態(tài)的石墨片中的鎂和鋁化合物不能通過研磨分離，不利于保護大石墨片，因此浮選只是石墨提純的主要手段。如果我們想得到含碳量超過99%的高碳石墨，就必須用其它方法來提純。

堿酸法包括堿熔法和酸浸法兩種反應(yīng)過程，堿熔法是利用熔融態(tài)的堿在高溫下與石墨中的酸雜質(zhì)，特別是含硅的酸雜質(zhì)反應(yīng)，生成可溶性鹽，然后通過洗滌除去雜質(zhì)，從而提高石墨的純度。酸浸工藝的基本原理是利用酸和金屬氧化物中的雜質(zhì)進行反應(yīng)，堿熔過程中不與堿發(fā)生反應(yīng)，金屬氧化物轉(zhuǎn)化為可溶鹽，然后通過洗滌與石墨分離。堿熔和酸浸相結(jié)合對石墨提純有較好的效果。

堿酸法是我國石墨提純工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的方法。其優(yōu)點是一次性投資少，產(chǎn)品檔次高，適應(yīng)性強，設(shè)備簡單，通用性強，缺點是高溫煅燒，能耗高，工藝流程長，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，石墨損失大，廢水污染嚴(yán)重。因此，利用石墨凈化廢水生產(chǎn)聚合氯化鋁鐵等綜合利用技術(shù)具有十分重要的意義。

氫氟酸是一種強酸，幾乎能與石墨中的任何雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。石墨具有良好的耐酸性，特別是耐氫氟酸性，決定了石墨可以用氫氟酸提純，氫氟酸工藝的主要工藝是石墨與氫氟酸的混合物。氫氟酸與雜質(zhì)反應(yīng)一段時間，產(chǎn)生可溶物質(zhì)或揮發(fā)物。通過洗滌去除雜質(zhì)，通過脫水和干燥提純石墨。

氫氟酸法提純石墨具有工藝簡單、產(chǎn)品品位高、成本低、對石墨產(chǎn)品性能影響小等優(yōu)點，但氫氟酸毒性大。在使用過程中必須采取安全措施。產(chǎn)生的廢水必須經(jīng)過處理后才能排放。否則會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

氯化焙燒工藝是將石墨與某種還原劑混合，在特定的設(shè)備和氣氛中高溫焙燒的工藝。材料中的貴重金屬轉(zhuǎn)化為氣相或凝析相的金屬氯化物，與其它組分分離提純石墨。

氯化焙燒的優(yōu)點是節(jié)能、凈化效率高、回收率高，但也存在氯毒性大、腐蝕性強、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，工藝中產(chǎn)生的石墨純度有限，工藝穩(wěn)定性差，影響了應(yīng)用。氯化法在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，需要進一步改進和完善。

石墨的熔點為3850 50，是自然界最高的熔點之一，遠(yuǎn)高于雜質(zhì)硅酸鹽的沸點，利用熔點之差將石墨放入石墨化石墨坩堝中。在一定的氣氛下，將石墨加熱到2700（）可使雜質(zhì)氣化從石墨中逸出。C采用特殊的儀器設(shè)備，可達到凈化效果，該工藝可將石墨提純到99.99%以上。

高溫提純石墨的方法產(chǎn)品質(zhì)量高，含碳量高達99.995%。這是高溫法的最大特點，但同時又消耗大量的能量，需要大量的設(shè)備。它需要特殊的設(shè)計和投資。對純石墨原料也有一定的要求。

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，作為生產(chǎn)中重要原輔材料的高純石墨的消耗量急劇上升。我國高純石墨產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)尚處于起步階段。大部分材料是進口和加工的。

光伏產(chǎn)業(yè)的許多原輔材料都需要性能穩(wěn)定、干擾因素少的高純石墨作為加工原料；從硅礦石冶煉到多晶硅生產(chǎn)，再到多晶硅錠和直拉單晶硅，整個光伏產(chǎn)業(yè)都采用高純石墨。晶體和其他工藝。

從圖1可以看出，太陽能光伏電池的生產(chǎn)始于金屬硅的冶煉。金屬硅冶煉的關(guān)鍵設(shè)備是金屬硅冶煉爐。在金屬硅冶煉爐中，電極是心臟，是導(dǎo)電系統(tǒng)的重要組成部分。電流是由電極輸入爐內(nèi)產(chǎn)生的，這是化學(xué)硅冶煉的一個重要環(huán)節(jié)。

高純石墨電極灰份低，導(dǎo)電性、耐熱性、耐腐蝕性好。因此，高純石墨在金屬硅冶煉中具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，市場上85%以上的太陽能級多晶硅產(chǎn)品是通過西門子工藝改進生產(chǎn)的。在西門子工藝改進生產(chǎn)過程中，高純石墨以其優(yōu)良的性能在許多工藝中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，在多晶硅氣相沉積還原爐中使用了大量的石墨消耗品，在處理副產(chǎn)品四氯化硅、純石墨材料的熱加氫過程中也使用了高純度的石墨消耗品。

采用氣相沉積法在密閉還原爐中生產(chǎn)多晶硅。將三氯氫硅與氫的混合物引入還原爐。該混合物沉積在高溫硅芯載體上，得到多晶硅產(chǎn)品。沉積載體的硅芯與傳輸電流的電極之間需要一種特殊的材料，這種材料可以在高溫下分解而不參與硅的反應(yīng)，并且具有高純度，石墨正好滿足這一要求。由高純石墨制成的石墨零件是當(dāng)今固定硅芯和傳導(dǎo)電流的不可替代的材料。高純石墨的發(fā)展有利于提高多晶硅產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量。

在現(xiàn)有技術(shù)條件下，高純石墨產(chǎn)品在多晶硅生產(chǎn)中的應(yīng)用是不可替代的。因此，要盡量減少石墨零件對多晶硅的污染，必須從石墨零件的質(zhì)量入手，首先選擇雜質(zhì)含量低的高純或超高純石墨。

然后，更先進的加工技術(shù)，如改進加工工藝，可以使石墨灰份少、強度高；此外，借助當(dāng)今先進的表面處理技術(shù)，可以對石墨零件進行涂層，如硅涂層、碳化硅等。

報道了在多晶硅還原爐中加入分布在還原爐內(nèi)壁和電極之間的高純石墨復(fù)合板，可以保持還原爐內(nèi)的熱場分布，提高熱能利用率，降低生產(chǎn)成本。從節(jié)能角度看多晶硅的成本。

熱加氫技術(shù)是四氯化硅與氫在120-1250℃加熱石墨爐還原反應(yīng)生成三氯化硅，四氯化硅加氫爐是熱加氫工藝的關(guān)鍵設(shè)備。在加氫爐內(nèi)進行熱加氫反應(yīng)時，會產(chǎn)生一定量的硅粉。當(dāng)硅粉沉積在石墨加熱器上時，沉積的硅粉會使石墨加熱器之間的距離變小，石墨加熱器之間存在電位差，導(dǎo)致石墨加熱器之間的放電，從而損壞設(shè)備，降低設(shè)備的使用壽命。

目前的研究表明，為了減少熱損失，提高熱效率，采用油墨材料換熱器，將加氫爐排出的高溫反應(yīng)氣與進入加氫爐的氣體、內(nèi)部熱輻射屏和剛性高密煉機進行換熱。ESS高純石墨用于降低熱損失，因此，高純石墨材料在熱加氫爐中的應(yīng)用越來越廣泛。

在多晶硅錠爐中，許多元件都需要石墨材料，特別是加熱爐所用的加熱材料和保溫材料是目前重要的配套材料，因此高純石墨材料的發(fā)展促進了多晶硅錠生產(chǎn)工藝的進一步發(fā)展。

在多晶硅鑄錠爐的設(shè)計中，為了使硅材料熔化，必須采用適當(dāng)?shù)募訜岱绞剑瑥募訜嵝Ч麃砜?，感?yīng)加熱和輻射加熱都能達到要求的溫度，一般采用輻射加熱，可以精確地控制晶內(nèi)的傳熱。在碰撞過程中，很容易形成一個垂直的危險溫度梯度。

因此，加熱器的加熱能力必須超過1650攝氏度。同時，加熱器的材料不能與硅材料發(fā)生反應(yīng)，硅材料不會污染硅材料，可以在真空和惰性氣氛中長期使用?？蛇x加熱器為鎢、鉬和非金屬石墨。因為鎢和金屬石墨鉬的價格昂貴，加工難度大，石墨來源廣泛，可以加工成各種形狀。

另外，石墨具有熱慣性小、加熱快、耐高溫、抗熱震性好、輻射面積大、加熱效率高、基本穩(wěn)定等特點。因此，高純石墨材料可廣泛用作一種良好的加熱材料。

對于鑄錠工藝，為了提高生產(chǎn)效率，要求設(shè)備的加熱速度盡可能快；由于采用真空工藝，要求爐內(nèi)物料量盡可能少，以縮短真空排氣時間；同時形成溫度。硅材料的溫度梯度也要求絕緣層的精確升級，絕緣層的質(zhì)量應(yīng)盡可能輕，以減少上升和下降的慣性，影響控制精度。

綜上所述，保溫材料的選擇要求是：耐高溫、低密度、低導(dǎo)熱性、蓄熱量小、保溫效果好、排氣量少、重量輕、膨脹系數(shù)小。在眾多耐火保溫材料中，高純石墨是最理想的。

石墨材料在多晶硅錠生產(chǎn)過程中起著不可替代的作用。其優(yōu)異的性能為保持鋼錠爐內(nèi)高溫場和良好的保溫效果提供了保證。因此，石墨材料的未來發(fā)展可以進一步促進多晶硅錠爐的優(yōu)化改造，也有助于降低多晶硅錠的生產(chǎn)成本。

直拉式加熱爐的熱系統(tǒng)是指將硅材料熔化，使單晶在一定溫度下生長的整個系統(tǒng)。直拉單晶硅的熱場中，石墨成分約有30種，如旋渦、加熱器、電極、熱屏蔽板、夾種器、旋轉(zhuǎn)危險源、各種圓板和熱反射板。

在這些高純度石墨產(chǎn)品中，加熱器是加熱系統(tǒng)中最重要的部件，它是直接加熱器，最高溫度在1600℃以上。與加熱器相連的石墨電極不僅需要對加熱器進行平穩(wěn)的支撐，還需要通過它對加熱器進行加熱。因此，石墨電極需要厚實、堅固和耐用。石墨電極與金屬電極、加熱器的接觸面應(yīng)光滑、穩(wěn)定、可靠，通電時接觸良好、不著火，石墨電極需專業(yè)化。用來容納硅的高純度石墨橙必須有一定的強度來承受硅的重量。

隨著石墨材料在直拉單晶硅中的應(yīng)用越來越廣泛，石墨材料的發(fā)展可以促進直拉單晶硅工藝的改進，有利于進一步降低直拉單晶硅的生產(chǎn)成本，提高直拉單晶硅的生產(chǎn)效率。

隨著太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，太陽能光伏材料生產(chǎn)過程中對原輔材料的需求也急劇增加。因此，應(yīng)根據(jù)光伏產(chǎn)業(yè)的特點，研究石墨材料在光伏產(chǎn)業(yè)中的發(fā)展方向，并從以下幾個方面對其未來的發(fā)展方向進行研究：

（l）太陽能光伏產(chǎn)業(yè)所需的石墨材料是超精細(xì)和高純度的，因此可以將超細(xì)和高純度作為石墨深加工的兩個核心問題來研究。不同的研磨方法對石墨提純過程有一定的影響。汽提凈化有利于保護大塊石墨，但研磨介質(zhì)的耐腐蝕磨損直接影響酸凈化效果，整個工藝設(shè)計應(yīng)采用破碎凈化工藝，避免人為干擾，生產(chǎn)高純度、超細(xì)石墨粉。

（2）光伏行業(yè)的石墨材料耐高溫，但使用壽命不夠長，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中消耗較多。因此，有必要進一步開發(fā)新的石墨材料，以保持現(xiàn)有高純石墨的耐高溫、抗氧化性，提高機械強度，延長使用壽命，從而降低太陽能光伏生產(chǎn)中的石墨消耗，大大降低太陽能光伏生產(chǎn)成本。

（3）碳碳材料、高純石墨和等靜壓石墨的研究越來越多。一些性能的提高可以更好地將高純石墨材料應(yīng)用于光伏產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)。這些基于高純石墨材料的改進材料是未來發(fā)展的主流方向。

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對高純石墨的使用環(huán)境要求越來越高?，F(xiàn)有的石墨生產(chǎn)方法或多或少存在缺陷。我們需要考慮原材料的性能、工藝特點和環(huán)境處理等因素來確定石墨的生產(chǎn)工藝。

高純石墨產(chǎn)品作為光伏產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)設(shè)備材料，在我國需要不斷的技術(shù)進步，加強與光伏電池硅材料制造業(yè)的合作，進一步投資開發(fā)高品位石墨產(chǎn)品。

此外，由于國內(nèi)高純石墨生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小、技術(shù)相對落后，我國企業(yè)應(yīng)通過引進先進技術(shù)、消化吸收和再創(chuàng)新，整合資源，提高高純石墨生產(chǎn)在未來世界技術(shù)中的地位。第二市場。

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