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光伏熱場隔熱碳材料行業(yè)發(fā)展歷程、市場需求情況及發(fā)展趨勢
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 米格新材    2024-07-22

（1）光伏熱場隔熱碳材料簡介

光伏熱場，也稱光伏熱場系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)用場景的不同，熱場系統(tǒng)主要分為單晶爐熱場系統(tǒng)和多晶爐熱場系統(tǒng)，前者主要用于光伏行業(yè)、半導(dǎo)體行業(yè)的單晶硅生產(chǎn)，后者主要應(yīng)用于光伏行業(yè)多晶硅制造。光伏熱場隔熱碳材料包覆于熱場功能部件外圍及晶硅爐體內(nèi)部，主要用于構(gòu)建熱場空間、保溫隔熱。

碳纖維雖然具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，但是碳纖維材料為疏松多孔的碳纖維聚合體，纖維之間靠摩擦力維持氈體形狀，纖維與纖維之間搭接在一起，屬于點(diǎn)接觸，大幅降低了通過固體熱傳導(dǎo)途徑傳遞的熱量。尤其在高溫?zé)釄鲋校ㄈ?800℃以上），輻射強(qiáng)度增高，熱輻射成為傳遞熱量的主要形式，輻射波通過纖維之間不斷的反射，消散于氈體內(nèi)部，從而達(dá)到保溫隔熱的作用。

光伏熱場隔熱碳材料是晶硅制造熱場系統(tǒng)的重要耗材，一方面，熱場隔熱碳材料包覆于熱場功能部件外圍及晶硅爐體內(nèi)部，能夠起到保溫隔熱、降低熱場能耗的作用；另一方面，熱場隔熱碳材料的灰分含量直接影響晶硅純度，進(jìn)而影響硅片品質(zhì)。根據(jù)原絲類別的不同，光伏熱場隔熱碳材料也可以分為黏膠基、PAN 基和瀝青基三種。

目前，碳纖維的應(yīng)用主要以 PAN 基為主，但是相比 PAN 基和瀝青基，黏膠基碳材料在保溫隔熱方面的性能更為優(yōu)異，因此，黏膠基石墨軟氈也是目前光伏熱場隔熱碳材料的主流選擇。

（2）國內(nèi)外黏膠基熱場隔熱碳材料的發(fā)展歷程

黏膠基碳纖維材料的大規(guī)模研發(fā)和應(yīng)用可以追溯到 20 世紀(jì) 50 年代，彼時，美國為了研發(fā)大型火箭和人造衛(wèi)星以及全面提升飛機(jī)的性能，急需新型結(jié)構(gòu)材料和耐燒蝕材料。1950 年前后，美國 Wright—Patterson 空軍基地開始針對火箭管耐燒蝕材料研制黏膠基碳纖維，1959 年，美國 U.C.C 公司的 “Thornel—25”系列通用級黏膠基碳纖維上市，應(yīng)用于耐燒蝕和隔熱材料。

雖然黏膠基碳纖維是最早被工業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維，其耐燒蝕性能和隔熱性能優(yōu)于其他碳纖維，但與 PAN基碳纖維相比，其強(qiáng)度等力學(xué)性能較差，且生產(chǎn)成本較高、工藝流程較長，因此，長期以來其主要用于航天工業(yè)及尖端軍工技術(shù)領(lǐng)域，用作熱場隔熱碳材料等民用領(lǐng)域的規(guī)模較小，黏膠基熱場隔熱碳材料及應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)主要掌握在德國西格里、摩根先進(jìn)材料等國際巨頭手中。

光伏晶硅制造熱場系統(tǒng)是黏膠基熱場隔熱碳材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，光伏產(chǎn)業(yè)從多晶向單晶轉(zhuǎn)變，以及下游晶硅制造企業(yè)對于節(jié)能降耗需求的快速增加，有效促進(jìn)了黏膠基熱場隔熱碳材料的發(fā)展，具體如下：

2017 年以前，中國光伏產(chǎn)業(yè)主要以多晶路線為主，根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2016 年我國多晶硅光伏電池的市場占有率約為 80.5%，處于絕對領(lǐng)先地位。隨著連續(xù)投料、金剛線切割以及 PERC 高效電池等一系列新工藝和新技術(shù)的普及和應(yīng)用，單晶產(chǎn)品成本及效率優(yōu)勢得以充分體現(xiàn)，開始加速取代多晶產(chǎn)品。

2016 年至 2018 年，我國單晶硅片的市場占比分別為 19.5%、31%和 45%，逐年快速增加。2019 年，我國單晶硅片市場份額達(dá)到 65%，首次超過多晶硅片，成為市場主流。一方面，相比多晶鑄錠，單晶硅拉晶環(huán)節(jié)能耗更高（2016 年，單晶拉棒和多晶鑄錠的單位能耗分別為 36Kwh/Kg-Si 和 8.5Kwh/Kg-Si），單晶硅片生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能降耗的需要較為迫切；另一方面，隨著單晶硅技術(shù)的發(fā)展，單晶硅片純度提升對熱場隔熱碳材料的灰分要求更高。

盡管相比 PAN 基材料，黏膠基熱場隔熱碳材料具有更好的隔熱保溫性能和更低的灰分，能夠有效滿足單晶硅片的生產(chǎn)需求，但由于當(dāng)時國內(nèi)企業(yè)并不具備低成本制備黏膠基熱場隔熱碳材料的能力，少數(shù)企業(yè)能夠生產(chǎn)出黏膠基熱場隔熱碳材料，但是由于生產(chǎn)效率低，成本高，供應(yīng)量有限，不具有市場競爭力，而進(jìn)口黏膠基熱場隔熱碳材料價格高昂，因此，2017 年以前，黏膠基熱場隔熱碳材料市場競爭力不足，行業(yè)規(guī)模較小，光伏熱場隔熱碳材料主要以 PAN 基和瀝青基材料為主。

在此背景下，時任安徽弘昌經(jīng)理的陳新華著力攻關(guān)黏膠基熱場隔熱碳材料設(shè)備及生產(chǎn)工藝的國產(chǎn)化，通過不斷試驗(yàn)摸索、反復(fù)驗(yàn)證，成功攻克了黏膠基碳纖維材料連續(xù)石墨化關(guān)鍵技術(shù)，掌握了黏膠基熱場隔熱碳材料的低成本制備技術(shù)和工藝，大幅提高生產(chǎn)效率，大幅降低生產(chǎn)成本，提高了國產(chǎn)黏膠基熱場隔熱碳材料的市場競爭力，并開始了國產(chǎn)對進(jìn)口產(chǎn)品的替代。

此后，隨著國內(nèi)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步，國產(chǎn)黏膠基隔熱碳材料的含碳量、導(dǎo)熱系數(shù)、灰分等主要技術(shù)指標(biāo)與德國西格里、摩根先進(jìn)材料的差距逐步縮小，且國內(nèi)企業(yè)憑借原材料、勞動力及垂直產(chǎn)業(yè)鏈布局形成的成本優(yōu)勢進(jìn)一步提升了國產(chǎn)黏膠基隔熱碳材料的市場競爭力，逐步實(shí)現(xiàn)了對進(jìn)口材料的替代。

目前，國內(nèi)光伏熱場隔熱碳材料基本上使用的都是國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，成為市場主流。

（3）光伏熱場隔熱碳材料的市場需求情況

光伏熱場系統(tǒng)是晶硅制造過程中的關(guān)鍵設(shè)備，光伏行業(yè)作為硅片的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，其發(fā)展?fàn)顩r直接決定硅片的市場需求，進(jìn)而影響光伏熱場隔熱碳材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景。

①光伏行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r

近年來，能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境問題促使全球積極尋求可替代化石能源的綠色可再生能源，經(jīng)濟(jì)社會對清潔能源的需求日益增長，而太陽能因資源量巨大、清潔安全、易于獲得等優(yōu)點(diǎn)，被普遍認(rèn)為是最有發(fā)展前途的綠色可再生能源之一。目前，全球已有多個國家提出了“零碳”或“碳中和”的氣候目標(biāo)，發(fā)展以光伏為代表的可再生能源已經(jīng)成為全球共識。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會和賽迪能源電子發(fā)展研究中心聯(lián)合發(fā)布的《2022-2023 年中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖》，2022 年全球光伏新增裝機(jī)量約為 230GW，創(chuàng)歷史新高。未來，在光伏發(fā)電成本持續(xù)下降和全球綠色復(fù)蘇等有利因素的推動下，全球光伏新增裝機(jī)仍將快速增長，預(yù)計到2030 年，全球光伏新增裝機(jī)量將超過 400GW。

②硅片產(chǎn)量情況

硅片是光伏行業(yè)廣泛使用的基底材料，在全球光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的背景下，全球硅片產(chǎn)能、產(chǎn)量持續(xù)增加。中國是全球最大的硅片生產(chǎn)國，根據(jù) CPIA 數(shù)據(jù)，2022 年底我國的硅片產(chǎn)能約為 650.3GW，占全球產(chǎn)能的 97.9%，處于絕對領(lǐng)先地位。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，2022 年我國硅片產(chǎn)量由 2014 年約 38GW，增加至357GW，年復(fù)合增長率超過 30%，增速較快。

得益于光伏行業(yè)的快速發(fā)展，硅片市場需求及產(chǎn)量持續(xù)增加。光伏熱場碳材料作為晶硅制造熱場系統(tǒng)的重要耗材，市場需求將隨之增加。

③光伏熱場隔熱碳材料市場需求情況

根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會（CPIA）數(shù)據(jù)，2020 年至 2022 年，中國硅片產(chǎn)量分別為 161.3GW、226.6GW 和 357.0GW。

整體而言，隨著光伏行業(yè)的快速發(fā)展，光伏熱場隔熱碳材料的市場需求逐年增加。

（4）光伏熱場隔熱碳材料行業(yè)發(fā)展趨勢

①晶硅制造企業(yè)產(chǎn)能擴(kuò)張，為光伏熱場隔熱碳材料帶來持續(xù)市場需求

隨著光伏行業(yè)的快速發(fā)展，硅片市場需求持續(xù)增加，行業(yè)內(nèi)主流晶硅制造企業(yè)紛紛制定了擴(kuò)產(chǎn)計劃。光伏熱場隔熱碳材料作為晶硅制造熱場系統(tǒng)的重要耗材，隨著晶硅制造企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)產(chǎn)能的逐步釋放，將為光伏熱場隔熱碳材料帶來持續(xù)市場需求。

②行業(yè)競爭加劇，考驗(yàn)生產(chǎn)企業(yè)核心競爭力

光伏行業(yè)的快速發(fā)展帶動硅片市場需求增加，光伏熱場隔熱碳材料作為晶硅制造過程中的重要耗材，市場規(guī)模隨之增加。在此背景下，光伏熱場隔熱碳材料行業(yè)內(nèi)企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)能擴(kuò)張，導(dǎo)致市場供給增加，行業(yè)競爭加劇。

一方面，行業(yè)競爭加劇，導(dǎo)致近年來光伏熱場隔熱碳材料市場價格整體呈下降趨勢，生產(chǎn)企業(yè)利潤空間被壓縮，降本增效壓力增加；另一方面，激烈的競爭環(huán)境下，下游客戶在降低報價的同時對熱場隔熱碳材料的品質(zhì)提出了更高的要求。因此，只有掌握優(yōu)質(zhì)熱場隔熱碳材料低成本制備核心技術(shù)的企業(yè)，才能在保證產(chǎn)品品質(zhì)的同時有效控制生產(chǎn)成本，保持競爭優(yōu)勢。

③N 型單晶硅片市場占比提升對熱場隔熱碳材料品質(zhì)提出更高要求

根據(jù)晶體取向不同，硅片可分為單晶硅片和多晶硅片兩大類。

目前，單晶硅片憑借光電轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，已逐步替代多晶硅片，成為市場主流。單晶硅片根據(jù)摻雜元素的不同可分為 P 型和 N 型兩類，P 型單晶硅片用于 P 型電池，N 型單晶硅片用于 N 型電池。根據(jù) CPIA 數(shù)據(jù)，2022 年 P 型和 N 型單晶硅片的市場占比約為 97.5%，其中 P 型占比約為 87.5%，N 型單晶硅片占比約為10%。

相比 P 型電池，N 型電池具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，隨著 HJT、TOPCon等 N 型電池技術(shù)發(fā)展，N 型單晶硅片市場占比將逐步提升。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會預(yù)測，到 2030 年 N 型單晶硅片的市場占比將接近 50%。

相比 P 型單晶硅片，N 型單晶硅片的純度要求更高，光伏熱場隔熱碳材料作為晶硅制造熱場系統(tǒng)的重要耗材，其灰分含量直接影響硅片純度。因此，N 型單晶硅片市場占比提升對光伏熱場隔熱碳材料純度提出更高要求，低灰分、高純度的光伏熱場隔熱碳材料市場需求將增加。

（5）其他高溫?zé)釄龈魺崽疾牧?/strong>