2022年中国热场材料行业概览：渗透率与应用规模快速提升，热场材料有望光伏产业发展

摘要 热场材料——光伏 什么是热场材料？ 热场是在精硅制备的过程中为坩埚提供发热源，熔化硅料并控制温度的热系统耗材，对单晶硅和多晶硅的纯度、均匀性等品质具有关键性的影响 热场是在精硅制备的过程中为坩埚提供发热源，熔化硅 热场系统用于晶硅制造产业链的前端，制备所得的单晶硅棒和多晶硅锭用于硅片的制备，进而为芯片制造、光伏电池制造提供核心零部件。导热系数、强度、纯度等是热场材料的重要指标 料并控制温度的热系统耗材，对单晶硅和多晶硅的纯度、 均匀性等品质具有关键性的影响 热场系统的制备材料发展趋势 光伏热场是光伏领域中制备太阳能级晶体硅生长炉的热 热场系统的制备材料逐步由等静压石墨向碳/碳复材进行转变。传统热场系统部件材料主要采用国外进口的高纯、高强等静压石墨材料，作为石墨颗粒压制成型的脆性材料，其易破损性、对硅熔体的污染性、材料成型的困难性阻碍了中国半导 体、光伏产业的发展。而碳/碳复材正随着技术的发展逐步成为降低晶体制备成本、提高晶体质量的更优选择，其更高的性价比、更好的安全性和可设计性有助于硅片的大尺寸化发展，进而推动中国半导体、光伏产业的发展 场系统耗材，热场的作用是为坩埚提供发热源，将多晶 硅料加热熔化，并控制温度。按照光伏热场的应用，可 分为单晶拉制炉热场和多晶铸锭炉热场。单晶炉是一种 热场材料行业竞争格局 在惰性气体环境中，将符合高纯度要求的块状多晶硅等 中国的光伏碳/碳热场竞争格局较为集中，竞争者包括金博股份、美兰德等公司等碳基复合材料生产商，天宜上佳、中天火箭等跨界竞争者，以及隆基绿能、TCL中环等为减少成本或保障内部供应的稳定性而延伸产业链加入热场产品竞争的部分下游企业。就碳/碳热场的产量上看，金博股份占有绝对的优势，2022年产能约为2500吨。随着光伏行业的快速发展，光伏热场的需求量增长迅速，主要企业将通过扩产等方式提升生产能力，以减少市场供需缺口 多晶材料熔化，生长出棒状单晶硅的设备；多晶铸锭炉 热场系统是将多晶硅料制备成取向较好的柱状结构晶粒 和电学性能较为均匀的晶锭的设备 光伏热场——定义与分类（1/2） 热场是在精硅制备的过程中为坩埚提供发热源，熔化硅料并控制温度的热系统耗材，对单晶硅和多晶硅的纯度、均匀性等品质具有关键性的影响 单晶拉制炉热场系统 多晶铸锭炉热场系统 光伏热场是光伏领域中制备太阳能级晶体硅生长炉的热场系统耗材，热场的作用是为坩埚提供发热源，将多晶硅料加热熔化，并控制温度。按照光伏热场的应用，可分为单晶拉制炉热场和多晶铸锭炉热场。单晶炉是一种在惰性气体环境中，将符合高纯度要求的块状多晶硅等多晶材料熔化，生长出棒状单晶硅的设备；多晶铸锭炉热场系统是将多晶硅料制备成取向较好的柱状结构晶粒和电学性能较为均匀的晶锭的设备 为熔化硅料，光伏热场系统的温度将达到1600℃以上，这对于光伏热场材料的耐热性能提出了较高要求，并意味着有限的光伏热场材料寿命。以行业主流36寸热场为例，坩埚使用寿命约为6-8个月，导流筒使用寿命约为24个月，保温筒的使用寿命约为12个月 光伏热场系统——定义与分类（2/2） 热场系统用于晶硅制造产业链的前端，制备所得的单晶硅棒和多晶硅锭用于硅片的制备，进而为芯片制造、光伏电池制造提供核心零部件 单晶硅棒、多晶铸锭的制造是半导体产业链、光伏产业链中的上游环节。利用热场系统，通过对多晶硅原料进行加热熔化，可以在单晶拉制炉中利用长晶技术制成单晶硅棒，在多晶硅铸锭炉中利用定向冷却结晶等方法制成多晶铸锭，从而将粗硅提炼为精硅。单晶硅棒和多晶铸锭经过线切割机进行切割加工制成硅片，为制造芯片和太阳能晶硅电池等提供了基础原材料 晶硅制造产业示意图 单晶拉制炉 单晶硅棒 单晶硅片 单晶电池 导热系数、强度、纯度等是热场材料的重要指标。作为晶体生产的关键部件，热场的品质与设计直接影响晶体品质。以利用直拉法生长硅单晶为例，该过程要求较高的纵向温度梯度，这是单晶生长的驱动力。 太阳能电池组件 多晶硅料 多晶铸锭炉 多晶硅锭 多晶硅片 多晶电池 影响单晶生长速率的关键部件导流筒的导热系数越低，越能够满足晶硅制造热场系统营造温度梯度、节能降耗等的要求。此外，硅片大尺寸趋势有助于提升硅片产能，降低单位投资，降低拉晶能耗，这对于热场的核心要求之一在于需要更大尺寸的热场进行大直径单晶硅棒的拉制或进行大尺寸多晶铸锭的制备，随之而来的是对热场更高的热场强度和纯度的要求。热场的温度分布不合理、强度和纯度不足将会导致生产出具有各种缺陷的制成品，影响下游产品的质量 光伏热场按照制备材料划分 脆性大：易在交变热应力和电磁力作用下容易产生裂纹，影响零件的电性能和热传导性能，加热冷却过程会加剧石墨材料的脆裂破损，缩短部件使用寿命 等静压石墨热场 产品污染性：易挥发出杂质或降解形成颗粒，污染硅熔体，影响晶体品质不易改型：传统石墨热场材料成型困难 经济性差：大尺寸热场制备时，石墨材料损耗按直径的平方增加制备周期长：生产周期约6个月 热场系统的制备材料逐步由等静压石墨向碳/碳复材进行转变。传统热场系统部件材料主要采用国外进口的高纯、高强等静压石墨材料，作为石墨颗粒压制成型的脆性材料，其易破损性、对硅熔体的污染性、材料成型的困难性阻碍了中国半导体、光伏产业的发展。而碳/碳复材正随着技术的发展逐步成为降低晶体制备成本、提高晶体质量的更优选择，其更高的性价比、更好的安全性和可设计性有助于硅片的大尺寸化发展，进而推动中国半导体、光伏产业的发展 光伏热场 性价比高：耐磨性、耐腐蚀性佳，使用寿命较长，设备利用率较高，维护成本较低安全性高：耐热冲击性高，反复高温震下不易产生裂纹，提高成品率 节能增速：导热系数低，从而保温效果较好、晶体生长速度较快 碳/碳热场 易设计成型：强度高，热场厚度可以更薄，且可实现近净成形，更易制成大尺寸的热场系统经济性强：制备大尺寸热场仅会带来碳/碳复材成本的线性增加，经济性较强 制备周期短：生产周期仅1-2个月 光伏热场系统——行业政策分析 政府多部门推出多项政策推进新材料、光伏产业的高质量发展，光伏热场系统作为碳/碳复材的重要产品和光伏产业重要的晶硅耗材，在保证硅片的品质及光伏电池的良品率、性能方面起到重要作用 中国热场系统行业政策，2016-2021年 分析师观点 领域 政策 时间 颁布主体 主要内容及影响 在行业政策的引导下，中国光伏产业实现了快速发展，2021年中国光伏新增装机54.88GW，同比增加13.9%。制备光伏上游原料的耗材和决定硅片质量和性能的光伏热场也将随着光伏行业的发展而迅速发展。 落实碳达峰、碳中和目标，以及2030年非化石能源占一次能源消费比重达到25%左右、风电太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上等任务，坚持目标导向，完善发展机制，释放消纳空间，优化发展环境，发挥地方主导作用，调动投资主体积极性，推动风电、光伏发电高质量跃升发展 《关于2021年风电、光伏 发电开发建设有关事项的通2021年5月国家能源局 知》 推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，提高能源供给保障能力。加快发展非化石能源，坚持集中式和分布式并举，大力提升风电、光伏发电规模，加快发展东中部分布式能源，有序发展海上风电，加快西南水电基地建设，安全稳妥推动沿海核电建设，建设一批多能互补的清洁能源基地，非化石能源占能源消费总量比重提高到20%左右 《第十四个五年规划2035年远景目标纲要》 国家发展委员会 2021年3月 光伏产业 《关于引导加大金融支持力 加大金融支持力度，促进风电和光伏发电等行业健康有序发展。就部分可再生能源企业现金流紧张，生产经营困难等问题提出十项要求和支持措施，促进政府、银行、企业等有关方面更好的形成合力，为可再生能源行业健康有序发展提供良好政策环境 国家发改委等五部门 度促进风电和光伏发电等行2021年2月业健康有序发展的通知》 作为更能适应光伏热场大型化发展的制备原料，碳/碳复材产业的发展也一定程度上得到了相关政策的支持。随着生产工艺的不断改进，碳/碳复材的国产化和产业化应用将使得光伏热场行业进一步受益 以加快补贴退坡，支持先进技术为目标，对标杆上网电价和度电补贴标准做出了具体的规定。在光伏发展速度较快的背景之下，该通知旨在通过光伏加速补贴退坡等方式倒逼光伏企业从追求规模、速度向追求质量、效益的方向发展，进而企业能够通过技术革新降低成本提高竞争力，并放眼海外市场寻求更广阔出路 国家发改委、 《关于2018年光伏发电有关事项的通知》 2018年5月财政部、国家 能源局 《国家发展改革委等部门关于推广“十三五”时期产业转 围绕产业链布局创新链，加强科技成果转化。山西省长治市与国内外160多个院校和科研院所建立联系，攻坚深紫外LED、超级碳纤维、碳化硅三代半导体材料、氢储存等一批关键技术 十三届全国人大四次会议 2021年10月 型升级示范区典型经验做法的通知》 碳碳复材产业 工信部、发改到2020年，新材料产业规模化、集聚化发展态势基本形成，突破金属材料、复合材料、 《新材料产业发展指南》工信部联规[2016]454号 2016年12月委、科技部、先进半导体材料等领域技术装备制约，在碳纤维复合材料等领域实现70种以上重点新 财政部 材料产业化及应用，建成与中国新材料产业发展水平相匹配的工艺装备保障体系 光伏热场系统——发展历程 光伏热场的国产化进程于2005年开始起步，随着碳碳复材关键技术及制备工艺的不断成熟，光伏热场系统部件的进口替代程度不断提升，现碳碳复材在光伏热场系统领域已得到大批量应用 光伏热场系统发展历程 2005-2010 2011 2012-2015 2016至今 进口替代进程 碳碳复材在光伏热场系统领域得到大批量应用，单晶晶硅热场的碳碳复材占比已超过石墨，多晶晶硅热场的碳碳复材替代程度较高，但多晶技术路线有被替代的趋势 欧美双反政策冲击中国光伏产业，碳碳复材为光伏行业客户单晶拉制炉增大投料量、提高拉速、降低能耗等工艺提供了新型热场设计与材料保障，以碳碳复材为原料的24英寸及以下坩埚、电极、紧固件实现批量生产 2005年，金博股份、西安超码等先进碳基复合材料厂商成立 以碳碳复材为原料的坩埚、导流筒等部件实现国产化 日本福岛大地震导致进口特种石墨供应紧张，碳碳复材得到批量应用机会 光伏热场系统发展历程 头部企业能根据下游客户需求提供单晶拉制炉、多晶硅铸锭炉的全套热场解决方案 22-36英寸坩埚、导流筒、保温筒、异形件、紧固件，多晶硅铸锭炉用紧固件等产品实现批量生产 技术提升与产业化阶段 技术开发阶段 热场产品拓展阶段 碳碳复材技术发展阶段 阶段 2005-2009 2010-2015 2016至今 碳碳复材关键技术 高温纯化技术、高纯涂层制备技术、大尺寸、形状复杂部件的结构和功能一体化制造技术、高温热场系统设计与优化技术 碳纤维成网技术、布网复合针刺技术、快速化学气相沉积技术、大型化学气相沉积炉工自动送料针刺技术艺装备技术 阶段性关键技术 光伏热场产业的发展受制备材料的发展而推动。等静压石墨等特种石墨是2005年之前的晶硅制造热场系统部件的主要制备材料，主要以进口为主，供货周期长且价格较高。光伏行业面临成本高昂、传统光伏电池技术效率提升瓶颈等问题，对于降本增效有着迫切需求，促进了光伏热场产业对于新材料新工艺的探索、推动了硅片朝着大尺寸化的方向发展。在十多年的发展中，碳碳复材在光伏热场的部分领域逐步形成了技术、性能、成本等方面的优势，逐步实现对于石墨材料的替代，将引领光伏热场的国产化发展 光伏热场——行业产业链 光伏热场的上游主要是碳纤维生产商，中游为热场材料供应商及产品制造商，下游为晶硅制造设备厂商、硅片和硅棒制造商 中国光伏热场产业链 中国的光伏碳/碳热场竞争格局较为集中，竞争者包括金博股份、美兰德等公司等碳基复合