高导热绝缘膜在光伏领域的应用 | 晟鹏科技

未来随着光伏逆变器顺应2030年碳达峰、2060年碳中和目标的提出，意味着以太阳能光伏发电为主要推动力的新能源时代已经来临。目前全球光伏产业发展前景广阔，而中国处于光伏产能制造业的前端，形成了全球最完善的光伏产业链，占全球光伏供应能力的80%以上。而光伏也是先进陶瓷的一大应用市场，那么先进陶瓷材料在光伏领域中又会有哪些应用呢？

陶瓷覆铜板，光伏逆变器的高效可靠选择光伏逆变器是光伏发电系统的核心，而陶瓷覆铜板在光伏逆变器中发挥重要的作用。光伏逆变器的上游原材料主要为电子元器件（IGBT、电容、电阻、电抗器、PCB等）、结构件（机柜、机箱等）和辅助材料，其中，IGBT是光伏逆变器的核心器件，对逆变器的物料成本、失效率、电能转换效率起着决定性作用，占光伏逆变器价值量的15%至20%。

IGBT模块内部结构主要由底板、陶瓷绝缘基板、焊接材料和其他封装材料组成。光伏逆变器要求稳定的输出频率、较小的波形失真度、稳定的输出电压/电流等。为了提高逆变电路的效率，保证逆变器在高温户外长期稳定地工作，延长和提高产品的使用寿命，制造商采用目前较稳定较可靠的陶瓷覆铜板。陶瓷覆铜板具有很大的优势：

● 陶瓷覆铜板具有更高的热导率、散热性能良好，能够在户外高低温等恶劣环境下工作，以提高光伏系统的使用寿命；

● 陶瓷覆铜板具有良好的绝缘性和稳定性，耐击穿电压高达20KV/mm，能够瞬间承受高电流、高电压的突变，以保证器件及系统的正常工作；

● 陶瓷覆铜板热膨胀系数低，与芯片的热膨胀系数接近，不会在温差剧变时产生太大变形从而发生线路脱焊、内应力等问题，保护好线路，防止短路；

● 陶瓷覆铜板介电常数低，介质损耗小，信号传输稳定性强。

陶瓷金属复合板材，降低太阳能发电成本

为了缩小太阳能发电与化石燃料发电的成本竞争，美国普渡大学开发了一种新的材料和制造工艺，可以将太阳能储存为热能，更有效地发电。这种材料叫陶瓷-金属复合材料板材，由陶瓷碳化锆和金属钨制成。

研发这种材料的价值在于：正常集中式太阳能发电厂通过使用镜子或透镜将太阳能转化为电能，将大量光线集中到一个小区域，从而产生热量传递给熔盐。然后将来自熔融盐的热量转移到“工作”流体，超临界二氧化碳，其膨胀并用于旋转涡轮机以产生电力。为了使太阳能电力更便宜，涡轮发动机就需要更多的热量产生电力。

而将热量从热熔融盐传递到工作流体的热交换器，目前由不锈钢或镍基合金制成，这些合金在所需的较高温度和超临界二氧化碳的高压下变得太软。据悉，陶瓷-金属复合材料板材可以定制成能够成功承受生成所需的高温，高压超临界二氧化碳电力比今天的换热器更有效率，且成本更低。

随着技术完善，最终，这项技术将允许可再生太阳能大规模渗透到电网中，大量减少化学电力生产中的二氧化碳。

可用于太阳能发电系统吸热体的陶瓷材料塔式太阳能热发电系统因其具有聚光比高（200~1000kW/㎡）、热力循环温度高、热损耗小、系统简单且效率高的特点在太阳能发电上被大力推崇。吸热器作为塔式太阳能热发电的核心器件，需要承受比自然光强200-300倍的辐射强度，工作温度可高达一千℃以上，所以其性能对热发电系统的稳定运行和工作效率非常重要。传统的金属材料吸热体工作温度受限，使得瓷吸热材料成为新的研究热点。以下几种陶瓷材料可被用作吸热体材料：

太阳能热发电站吸热塔

● 氧化铝陶瓷：可承受1000℃以上的高温，械强度和化学稳定性高，且耐酸碱、导热性能良好、绝缘强度、电阻率、耐磨损；劣势在于工作温度高但热导率和太阳辐射吸收率低，自身颜色为白色使得其被用作吸热体的同时必须要在表面上涂覆涂层，由此来增加太阳辐射吸水率。高温使用过程中产品基体与涂层易产生开裂，再加上抗震性不好，使得实际使用受限。

● 堇青石陶瓷：具有热膨胀系数低、抗热震性好、且比表面积大等特点，但因为强度低，通常需要添加莫来石、氧化锆等第二相来提高其强度。不过堇青石瓷吸热体材料同氧化铝陶瓷吸热体问题相同，仅适用于中温吸热体材料。以合成莫来石和合成堇青石为原料，废玻璃粉和钛酸铝为烧结助剂，采用常压烧结制备的莫来石-堇青石复相陶瓷，还可用作太阳能发电用的输热管道材料。

● 碳化硅陶瓷：具有高强度、比表面积大、抗腐蚀、抗氧化、良好的隔热性、抗热震性和耐高温性等优良特性，相较于氧化铝和堇青石瓷吸热体材料具有更好的高温性能。采用烧结碳化硅制成的吸热体可以使该吸热器获得高达1200℃的出口空气温度，材料没发生破坏。

氧化铝在晶体硅太阳能电池中的应用当今的晶体硅光伏产业正朝着更薄、更高效的电池片方向发展，而当硅片的的厚度小于少数载流子的扩散长度时，电池表面的复合速率对电池效率的影响就会更加明显。硅材料中存在大量的杂质、缺陷密度和表面态，它们会在禁带间隙中引入多余的能级，成为少数载流子的复合中心，所以通过对晶体硅表面进行钝化降低硅材料表面活性，提高少数载流予的寿命，对提高电池效率意义重大。

晶体硅太阳能电池

目前高效率的实验室太阳能电池晶体硅表面的钝化工艺主要包括热氧化SiO2、原子层沉积Al2O3，由于硅材料的体寿命对于高温过程具有敏感性，从而限制了热氧化SiO2钝化工艺的应用。原子层沉积Al2O3的沉积温度低，且氧化铝薄膜具有优异的场效应钝化和化学钝化特性，同时氧化铝薄膜及其叠层具有良好的热稳定性，满足丝网印刷和高温烧结的传统工业太阳电池工艺的要求。

原子层沉积Al203薄膜（图源：苏州复纳电子）

在晶体硅太阳能电池中Al2O3钝化可以通过原子层沉积的方法来改善太阳能电池的表面钝化质量，降低表面的复合速率，进而提高太阳能电池的转换效率。常用于发射极及背面局部扩散太阳能电池(PERL)和钝化发射极及钝化背面太阳能电池(PERC)两种结构，是提高太阳能电池转换效率的绝佳帮手。随着研究的深入和技术的不断进步，氧化铝钝化薄膜会取得更大的进展，并将在太阳电池工业生产中得到广泛的应用。

熔融石英陶瓷坩埚，光伏产业的关键耗材目前，太阳能电池的主要材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜材料等，而石英陶瓷坩埚是用于生产多晶硅锭的容器，是多晶硅生产过程中除多晶硅原料外消耗量最大的消耗品。其生产技术难度大、原料纯度要求高、使用环境苛刻，要在1550℃的高温下一次性连续工作50个小时以上，是多晶硅生产过程中不可替代的关键耗材。

石英陶瓷坩埚

此外，面对高纯度多晶硅原料供不应求的局面，许多国家都根据多晶硅铸锭原理开展了多晶硅原料的熔炼提纯工作，石英陶瓷坩埚在其中也发挥了同样重要的作用。因此，石英陶瓷坩埚与多晶硅光伏产业具有密不可分、相互依存的关系。目前我国光伏行业已经基本掌握了太阳能电池制造、多晶硅生产等关键工艺技术，依托“一带一路”等建设引导产业规模快速提升，有力拉动对光伏用石英陶瓷产品的巨大市场需求。

小 结

从全球范围来看，随着可持续发展战略的进行，未来电力结构中可再生能源将承担主要角色，各国政府仍将大力发展太阳能光伏行业，太阳能光伏行业仍将保持较快的增长态势。我国作为全球光伏大国，是全球光伏市场增长的主要动力。因此，陶瓷在光伏领域中的市场具有广阔的前景。

高导热绝缘膜通过“导热-绝缘-环境适应”三位一体的特性，在变频器中同时解决了散热效率、电气安全与工况适配三大核心问题，是实现设备小型化、高功率密度化的重要支撑材料，尤其适用于新能源、工业自动化等对变频器可靠性要求严苛的领域。

晟鹏技术（晟鹏科技）研发的耐高温200C高导热绝缘片具有绝缘耐电压、抗撕裂压力、韧性强、超薄等特性，垂直导热系数3.5W和5W，耐击穿电压达到4KV以上，UL-V0阻燃等级使用寿命周期长，满足变频家电（空调冰箱）、汽车电子、新能源电池、电力、交通等行业的需求,低热阻高导热氮化硼绝缘片可以快速地把功率器件产生的热量传递到散热器。