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專題報告

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碳/碳熱場復合材料在光伏領域的現狀及發展





市場機遇-熱場大尺寸化

碳/碳熱場材料是光伏單晶爐生產中所必需的耗材,主要產品形式為單晶拉制爐的坩堝、導流筒、保溫筒、加熱器等,在不同的部件,以等靜壓石墨為主流的石墨熱場材料,在2016年之前,能滿足拉制的要求。但隨后,碳/碳熱場最近扮演著愈加重要的角色,主要體現在:
1、 從圖1中看以看出熱場大尺寸化的趨勢,而碳/碳復合材料為熱場大尺寸化提供了可能。大尺寸熱場部件產品對單晶硅棒的直徑大型化發展起到支撐作用;

碳/碳熱場復合材料在光伏領域的現狀及發展

2、碳/碳復合材料熱場部件較大程度提高拉晶熱場系統安全性,提升拉晶速率,顯著降低單晶拉制爐的運行功率,對節能降耗起到較大促進作用。
相較于傳統石墨熱場,碳/碳熱場性能占優,其穩定性、耐沖擊性、抗震性以及綜合機械性能等均要好于石墨材料。并逐步滲透到原有市場。
1、碳/碳復合材料抗折強度可達150MPa以上,遠大于石墨的38-60MPa。隨著拉制爐投料量從2016年的300kg提升至2020年的1900kg,坩堝的尺寸也從2011年前后的16-20英寸提高到現在的32-36英寸,坩堝的承載強度要求更高,碳基復材更能勝任。
2、碳/碳復合材料導熱系數低至30W/(m·K)以下,大幅低于石墨的80-140W/(m·K)。這一特性使碳/碳復合材料導流筒更能加速硅棒生長,保溫筒能降低熱量損失,進而降低單晶爐運行功率,節省電費。


需求拉動

滲透率迅速提升

作為耗材,隨著光伏新增裝機增長,下游企業對熱場產品的需求也將持續增長。從2013年以來的數據看,隨容配比提升,全球光伏裝機從41GW提升至2023年的240GW,而硅片產量則從39GW提升至381.7GW。

根據金博股份招股說明書、募集說明書滲透率測算數據,結合碳/碳熱場發展趨勢,預計坩堝2025年滲透率達到100%;導流筒、保溫筒分別達到70%、66%;碳/碳加熱器低成本制備技術有待突破,金博股份當前已將光伏底部加熱器交付下游,預計2025年滲透率達8%。預計2025年光伏用碳/碳熱場總需求為17231噸,其中替換需求占比由2022年的59%提升至72%,需求結構轉向以存量替換為主導,可持續性較強。

表1 碳/碳復合材料滲透率變化圖

碳/碳熱場復合材料在光伏領域的現狀及發展
而隨著N型電池的發展,N型硅片的需求將增長。據統計,2022年,P型單晶硅片與N型單晶硅片合計市場占比約97.5%,其中P型單晶硅片市占率為87.5%,N型單晶硅片市占率上升至10%,預計2023年全年N型單晶硅片的市占率將提升至30%,2025年或將超過50%。關鍵耗材依賴進口的問題將制約行業發展,因此后續國產碳/碳熱場將進一步替代進口的等靜壓石墨產品,碳/碳熱場滲透率將繼續提升。


行業挑戰

成本壁壘與技術的突破
原材料和生產成本高昂
在原材料成本中,碳纖維預制體是最大的部分,占比達80%以上,自制預制體可降低成本,但技術壁壘較高。
從碳/碳熱場的成本構成來看,制造費用占比高達54%,主要包括反應輔材、電力、折舊等。在制造費用中,折舊是最大的部分,占比約60%,龍頭公司與其他公司的主要差異來自折舊,降低折舊的方式是提高單位時間設備產出、自主研發與生產設備,而這些主要依托各公司的技術研發實力。
另外,電力在制造費用中占比約為16%(不同工藝有所差別),主要降低方式是在低電價地區建廠。

關鍵技術點的突破不易

預制體的制備技術壁壘較高,且主要用在航空航天領域,國外對這一技術進行封鎖,目前國內具有預制體制備技術的除科研院所、航空航天單位外,主要有金博股份、江蘇天鳥與龍頭。

此外,晶硅爐熱場用碳材料在硅蒸汽中易受到腐蝕。硅蒸汽主要通過材料的孔洞以及缺陷擴散進入材料內部進行腐蝕,腐蝕造成材料表面產生大量的裂紋,并且會造成C/C復合材料以及硬質碳氈材料內部嚴重的破壞。需研究如何有效控制碳基體和碳纖維的剝離,以及碳纖維的縮頸,劈裂等問題。


趨勢與挑戰

碳/碳復材的多元化應用
碳/碳復合材料因具有比重輕、熱膨脹系數低、耐高溫、耐腐蝕、摩擦系數穩定、導熱導電性能好等優良性能,除了用來制造高溫熱場部件,也是摩擦部件的最佳候選材料,還可被廣泛應用于半導體、航空航天以及剎車制動等領域。
碳/碳熱場復合材料在光伏領域的現狀及發展
圖源:中金點


此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯,文章不用于商業目的,僅供行業人士交流,引用請注明出處。文字信息源:索比光伏網、天風證券研究院、民生證券研究院、國金證券研究院等。


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