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近年來，隨著太陽能光伏發(fā)電穩(wěn)步發(fā)展，作為直拉單晶硅熱場材料的碳/碳復合材料需求大增。2022年太陽能發(fā)電可實現(xiàn)平價上網(wǎng)，更進一步刺激碳/碳復合材料的需求。碳/碳復合材料目前處于供不應求狀態(tài)，毛利率不低于60%，將成為繼風電之后又一碳纖維應用風口。
文/蘇格拉偉（微信號：zahawe）
2013年5月，我離開了濟南工作的公司，赴杭州讀博士后。在濟南，這是一家做太陽能光伏熱場材料的高新技術企業(yè)，主要做碳/碳復合材料、碳纖維保溫氈（固化碳氈）、石墨材料部件的生產(chǎn)，主要應用領域是太陽能光伏產(chǎn)業(yè)鏈中的直拉單晶硅爐和多晶硅鑄錠爐內(nèi)部件。
這完全是計劃之外的安排，在此之前重來沒考慮過離開這個行業(yè)，也沒想過離開濟南這座城市和這家公司。
因為，在這半年之前，2012年12月，我剛博士畢業(yè)，從碩士到博士的課題，一直都是直拉單晶硅爐用熱場材料的研究。涉及碳纖維保溫氈、固化碳氈、碳/碳復合材料、碳材料高純化處理、防護涂層等等。我的課題和公司業(yè)務高度吻合，所以從2009年開始，我的課題研究都是在企業(yè)做的。也得以和吳羽化學、西格里、東海炭素等先進碳材料企業(yè)，學到很多。
但是2012年下半年之后，太陽能光伏市場經(jīng)歷歐美的“雙反”打擊，反壟斷反傾銷，打的中國光伏熱場材料情勢急轉(zhuǎn)直下。
當時，中國光伏產(chǎn)業(yè)鏈處于兩頭在外的狀態(tài)，先進技術被歐美企業(yè)控制，市場也在歐美國家。作為依靠補貼生存的太陽能光伏行業(yè)，面對這樣的打擊，似乎沒有任何招架之力。而且，中國光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷過2007和2010年飛速發(fā)展，已經(jīng)是產(chǎn)能過剩狀態(tài)，更是加劇了行業(yè)洗牌。
2013年的太陽能光伏行業(yè)處于單晶硅和多晶硅同時發(fā)展的格局，當時多晶硅光伏轉(zhuǎn)換效率雖然沒有單晶硅高，但是成本有很大的優(yōu)勢。單晶硅工藝采用的是直拉單晶硅工藝，成本高，但是光伏轉(zhuǎn)換效率有優(yōu)勢。
直拉單晶硅爐內(nèi)已經(jīng)采用了大量碳素熱場材料，包括石墨加熱器、石墨坩堝、石墨保溫桶、碳/碳復合材料螺栓螺母、碳/碳復合材料的保溫桶、固化碳氈保溫材料、硅蒸汽腐蝕等等。
圖片

這些碳素材料是其他材料無法替代的。以直拉單晶硅爐內(nèi)的坩堝為例，高純硅料要在1500℃左右熔融，需要用石英坩堝承載，但是石英坩堝高溫強度太低，不足以承載200-300公斤的硅料，所以外邊必須套一個石墨坩堝，作為承載部件。這里就完全發(fā)揮出碳材料的優(yōu)勢了，因為碳材料是唯一一種在高溫下力學性能不降反升的材料。
2013年的直拉單晶硅爐坩堝直徑只有24-28寸，裝載硅料少，石墨材料可以完全承受這個載荷。石墨材料主要就是等靜壓石墨。
到了2021年，情況發(fā)生了翻天覆地的變化。
2021年的直拉單晶硅爐坩堝直徑達到了36寸，裝載硅料更多了，一次可以裝在700-800公斤硅料。要求碳素坩堝尺寸變大了、強度也要提高。這時候等靜壓石墨成本就急劇升高了，逐步被碳/碳復合材料代替。
等靜壓石墨被碳/碳取代還有更重要的原因。因為等靜壓石墨是脆性材料，它的斷裂是沒有先兆的，所以，萬一發(fā)生坩堝損壞，熔融的硅料會把爐底燒穿。而碳/碳復合材料，是碳纖維增強碳基體復合材料，不會發(fā)生脆斷的事故，安全性大大提高。
大尺寸等靜壓石墨成本升高，慢慢接近碳/碳復合材料成本，安全性又低，被取代就理所當然了。所以，目前直拉單晶硅爐內(nèi)碳素結構材料，還剩加熱器還在采用導電率高的石墨材料，其他的逐步被碳碳復合材料替代。
除了石墨方面的原因，碳/碳復合材料能夠替代石墨材料另一個原因，就是碳/碳這幾年技術飛速發(fā)展。關于碳/碳復合材料的制造技術，我們以后再說，單說市場價格，以前一公斤碳/碳復合材料市場價格在2000-3000元，現(xiàn)在已經(jīng)降到1100-1200元每公斤了。極大地降低了太陽能光伏發(fā)電組件每瓦成本。
現(xiàn)在，全球太陽能光伏市場，中國占了70%以上。核心技術也掌握在中國企業(yè)手里。十年前兩頭在外的格局不復存在了，取而代之的是中國的領導地位。而且原來高能耗、低價值的企業(yè)，經(jīng)歷了2012-2013年的洗牌，逐漸集中在隆基系、晶科系、中環(huán)系、晶澳系、協(xié)鑫系、京運通系等幾大企業(yè)。
其中隆基系主要包括隆基綠能科技股份有限公司、銀川隆基硅材料有限公司、麗江隆基硅材料有限公司、寧夏隆基硅材料有限公司、保山隆基硅材料有限公司、隆基（古晉）有限公司、寧夏隆基半導體材料有限公司；晶科系主要包括晶科能源有限公司、新疆晶科能源有限公司；
中環(huán)系主要包括天津鑫天和電子科技有限公司、天津環(huán)歐國際硅材料有限公司等；
晶澳系主要包括晶澳太陽能有限公司、包頭晶澳太陽能科技有限公司、邢臺晶龍新能源有限責任公司、邢臺晶龍電子材料有限公司、寧晉晶興電子材料有限公司、河北晶龍陽光設備有限公司、北京晶澳太陽能光伏科技有限公司、寧晉松宮電子材料有限公司、河北寧通電子材料有限公司、河北寧晉松宮半導體有限公司等；
協(xié)鑫系主要包括寧夏協(xié)鑫晶體科技發(fā)展有限公司、江蘇協(xié)鑫硅材料科技發(fā)展有限公司、江蘇協(xié)鑫軟控設備科技發(fā)展有限公司、河南協(xié)鑫光伏科技有限公司等；
京運通系主要包括烏海市京運通新材料科技有限公司、北京京運通科技股份有限公司等。
2022年，中國太陽能光伏發(fā)電可以實現(xiàn)平價上網(wǎng)。這是巨大的進步，因為靠政府補貼的時代已經(jīng)結束了，太陽能這種清潔能源能夠自給自足的可持續(xù)發(fā)展了。
這也是為什么中國提出2060年實現(xiàn)碳中和目標很大的原因。因為，太陽能發(fā)電能夠脫離補貼，可持續(xù)發(fā)展之后，迎來的將會是指數(shù)級別的增長。
單晶硅在與多晶硅競爭多年后，逐漸淘汰多晶硅的市場。
作為生產(chǎn)單晶硅的直拉單晶硅工藝，已經(jīng)成為主流。而碳/碳復合材料，是直拉單晶硅爐內(nèi)的重要材料，而且是一種耗材，每1-2年就要更換的，將迎來更快速的發(fā)展。
碳/碳復合材料，是以碳纖維增強碳基體的材料，碳纖維用量逐年快速增長。目前的碳/碳復合材料處于供不應求狀態(tài)，毛利率不低于60%，正是處于風口趨勢的初始狀態(tài)。
研究了這么多年光伏熱場材料，非常欣喜看到這個市場走出陰霾，走向光明，頗有守得云開見月明的心情。
以后，再對碳碳復合材料、碳纖維保溫氈、石墨材料這些熱場材料展開來討論。
關于成本、關于制造工藝、關于發(fā)展趨勢、關于市場、關于核心技術問題，有太多話想說了。