光伏热场隔热碳材料行业发展历程、市场需求情况及发展趋势
思瀚产业研究院 米格新材    2024-07-22

（1）光伏热场隔热碳材料简介

光伏热场，也称光伏热场系统。根据应用场景的不同，热场系统主要分为单晶炉热场系统和多晶炉热场系统，前者主要用于光伏行业、半导体行业的单晶硅生产，后者主要应用于光伏行业多晶硅制造。光伏热场隔热碳材料包覆于热场功能部件外围及晶硅炉体内部，主要用于构建热场空间、保温隔热。

碳纤维虽然具有较高的导热系数，但是碳纤维材料为疏松多孔的碳纤维聚合体，纤维之间靠摩擦力维持毡体形状，纤维与纤维之间搭接在一起，属于点接触，大幅降低了通过固体热传导途径传递的热量。尤其在高温热场中（如 800℃以上），辐射强度增高，热辐射成为传递热量的主要形式，辐射波通过纤维之间不断的反射，消散于毡体内部，从而达到保温隔热的作用。

光伏热场隔热碳材料是晶硅制造热场系统的重要耗材，一方面，热场隔热碳材料包覆于热场功能部件外围及晶硅炉体内部，能够起到保温隔热、降低热场能耗的作用；另一方面，热场隔热碳材料的灰分含量直接影响晶硅纯度，进而影响硅片品质。根据原丝类别的不同，光伏热场隔热碳材料也可以分为黏胶基、PAN 基和沥青基三种。

目前，碳纤维的应用主要以 PAN 基为主，但是相比 PAN 基和沥青基，黏胶基碳材料在保温隔热方面的性能更为优异，因此，黏胶基石墨软毡也是目前光伏热场隔热碳材料的主流选择。

（2）国内外黏胶基热场隔热碳材料的发展历程

黏胶基碳纤维材料的大规模研发和应用可以追溯到 20 世纪 50 年代，彼时，美国为了研发大型火箭和人造卫星以及全面提升飞机的性能，急需新型结构材料和耐烧蚀材料。1950 年前后，美国 Wright—Patterson 空军基地开始针对火箭管耐烧蚀材料研制黏胶基碳纤维，1959 年，美国 U.C.C 公司的 “Thornel—25”系列通用级黏胶基碳纤维上市，应用于耐烧蚀和隔热材料。

虽然黏胶基碳纤维是最早被工业化生产的碳纤维，其耐烧蚀性能和隔热性能优于其他碳纤维，但与 PAN基碳纤维相比，其强度等力学性能较差，且生产成本较高、工艺流程较长，因此，长期以来其主要用于航天工业及尖端军工技术领域，用作热场隔热碳材料等民用领域的规模较小，黏胶基热场隔热碳材料及应用的相关技术主要掌握在德国西格里、摩根先进材料等国际巨头手中。

光伏晶硅制造热场系统是黏胶基热场隔热碳材料的主要应用领域之一，光伏产业从多晶向单晶转变，以及下游晶硅制造企业对于节能降耗需求的快速增加，有效促进了黏胶基热场隔热碳材料的发展，具体如下：

2017 年以前，中国光伏产业主要以多晶路线为主，根据中国光伏行业协会数据，2016 年我国多晶硅光伏电池的市场占有率约为 80.5%，处于绝对领先地位。随着连续投料、金刚线切割以及 PERC 高效电池等一系列新工艺和新技术的普及和应用，单晶产品成本及效率优势得以充分体现，开始加速取代多晶产品。

2016 年至 2018 年，我国单晶硅片的市场占比分别为 19.5%、31%和 45%，逐年快速增加。2019 年，我国单晶硅片市场份额达到 65%，首次超过多晶硅片，成为市场主流。一方面，相比多晶铸锭，单晶硅拉晶环节能耗更高（2016 年，单晶拉棒和多晶铸锭的单位能耗分别为 36Kwh/Kg-Si 和 8.5Kwh/Kg-Si），单晶硅片生产企业节能降耗的需要较为迫切；另一方面，随着单晶硅技术的发展，单晶硅片纯度提升对热场隔热碳材料的灰分要求更高。

尽管相比 PAN 基材料，黏胶基热场隔热碳材料具有更好的隔热保温性能和更低的灰分，能够有效满足单晶硅片的生产需求，但由于当时国内企业并不具备低成本制备黏胶基热场隔热碳材料的能力，少数企业能够生产出黏胶基热场隔热碳材料，但是由于生产效率低，成本高，供应量有限，不具有市场竞争力，而进口黏胶基热场隔热碳材料价格高昂，因此，2017 年以前，黏胶基热场隔热碳材料市场竞争力不足，行业规模较小，光伏热场隔热碳材料主要以 PAN 基和沥青基材料为主。

在此背景下，时任安徽弘昌经理的陈新华着力攻关黏胶基热场隔热碳材料设备及生产工艺的国产化，通过不断试验摸索、反复验证，成功攻克了黏胶基碳纤维材料连续石墨化关键技术，掌握了黏胶基热场隔热碳材料的低成本制备技术和工艺，大幅提高生产效率，大幅降低生产成本，提高了国产黏胶基热场隔热碳材料的市场竞争力，并开始了国产对进口产品的替代。

此后，随着国内企业技术进步，国产黏胶基隔热碳材料的含碳量、导热系数、灰分等主要技术指标与德国西格里、摩根先进材料的差距逐步缩小，且国内企业凭借原材料、劳动力及垂直产业链布局形成的成本优势进一步提升了国产黏胶基隔热碳材料的市场竞争力，逐步实现了对进口材料的替代。

目前，国内光伏热场隔热碳材料基本上使用的都是国内企业生产的产品，成为市场主流。

（3）光伏热场隔热碳材料的市场需求情况

光伏热场系统是晶硅制造过程中的关键设备，光伏行业作为硅片的主要应用领域之一，其发展状况直接决定硅片的市场需求，进而影响光伏热场隔热碳材料产业的发展前景。

①光伏行业发展状况

近年来，能源危机和生态环境问题促使全球积极寻求可替代化石能源的绿色可再生能源，经济社会对清洁能源的需求日益增长，而太阳能因资源量巨大、清洁安全、易于获得等优点，被普遍认为是最有发展前途的绿色可再生能源之一。目前，全球已有多个国家提出了“零碳”或“碳中和”的气候目标，发展以光伏为代表的可再生能源已经成为全球共识。根据中国光伏行业协会和赛迪能源电子发展研究中心联合发布的《2022-2023 年中国光伏产业发展路线图》，2022 年全球光伏新增装机量约为 230GW，创历史新高。未来，在光伏发电成本持续下降和全球绿色复苏等有利因素的推动下，全球光伏新增装机仍将快速增长，预计到2030 年，全球光伏新增装机量将超过 400GW。

②硅片产量情况

硅片是光伏行业广泛使用的基底材料，在全球光伏产业快速发展的背景下，全球硅片产能、产量持续增加。中国是全球最大的硅片生产国，根据 CPIA 数据，2022 年底我国的硅片产能约为 650.3GW，占全球产能的 97.9%，处于绝对领先地位。随着光伏产业的发展，2022 年我国硅片产量由 2014 年约 38GW，增加至357GW，年复合增长率超过 30%，增速较快。

得益于光伏行业的快速发展，硅片市场需求及产量持续增加。光伏热场碳材料作为晶硅制造热场系统的重要耗材，市场需求将随之增加。

③光伏热场隔热碳材料市场需求情况

根据中国光伏行业协会（CPIA）数据，2020 年至 2022 年，中国硅片产量分别为 161.3GW、226.6GW 和 357.0GW。

整体而言，随着光伏行业的快速发展，光伏热场隔热碳材料的市场需求逐年增加。

（4）光伏热场隔热碳材料行业发展趋势

①晶硅制造企业产能扩张，为光伏热场隔热碳材料带来持续市场需求

随着光伏行业的快速发展，硅片市场需求持续增加，行业内主流晶硅制造企业纷纷制定了扩产计划。光伏热场隔热碳材料作为晶硅制造热场系统的重要耗材，随着晶硅制造企业扩产产能的逐步释放，将为光伏热场隔热碳材料带来持续市场需求。

②行业竞争加剧，考验生产企业核心竞争力

光伏行业的快速发展带动硅片市场需求增加，光伏热场隔热碳材料作为晶硅制造过程中的重要耗材，市场规模随之增加。在此背景下，光伏热场隔热碳材料行业内企业进行产能扩张，导致市场供给增加，行业竞争加剧。

一方面，行业竞争加剧，导致近年来光伏热场隔热碳材料市场价格整体呈下降趋势，生产企业利润空间被压缩，降本增效压力增加；另一方面，激烈的竞争环境下，下游客户在降低报价的同时对热场隔热碳材料的品质提出了更高的要求。因此，只有掌握优质热场隔热碳材料低成本制备核心技术的企业，才能在保证产品品质的同时有效控制生产成本，保持竞争优势。

③N 型单晶硅片市场占比提升对热场隔热碳材料品质提出更高要求

根据晶体取向不同，硅片可分为单晶硅片和多晶硅片两大类。

目前，单晶硅片凭借光电转换效率高、稳定性好等优势，已逐步替代多晶硅片，成为市场主流。单晶硅片根据掺杂元素的不同可分为 P 型和 N 型两类，P 型单晶硅片用于 P 型电池，N 型单晶硅片用于 N 型电池。根据 CPIA 数据，2022 年 P 型和 N 型单晶硅片的市场占比约为 97.5%，其中 P 型占比约为 87.5%，N 型单晶硅片占比约为10%。

相比 P 型电池，N 型电池具有更高的光电转换效率，随着 HJT、TOPCon等 N 型电池技术发展，N 型单晶硅片市场占比将逐步提升。根据中国光伏行业协会预测，到 2030 年 N 型单晶硅片的市场占比将接近 50%。

相比 P 型单晶硅片，N 型单晶硅片的纯度要求更高，光伏热场隔热碳材料作为晶硅制造热场系统的重要耗材，其灰分含量直接影响硅片纯度。因此，N 型单晶硅片市场占比提升对光伏热场隔热碳材料纯度提出更高要求，低灰分、高纯度的光伏热场隔热碳材料市场需求将增加。

（5）其他高温热场隔热碳材料

除光伏行业晶硅制造领域外，高温热场隔热碳材料在粉末冶金、半导体晶硅制造等领域也有广泛应用。粉末冶金行业和半导体行业的发展，也将增加高温热场隔热碳材料的市场需求，促进高温热场隔热碳材料的发展。

①粉末冶金行业

粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经成形和烧结，制取金属材料、复合材料以及各类制品的工业技术。粉末冶金过程中使用的高温炉体存在保温隔热的需求。粉末冶金技术对于新材料产业的发展具有重要作用，目前，粉末冶金技术已被广泛应用于交通、机械、电子、航空航天、兵器、生物、新能源等领域。随着新材料产业的发展，粉末冶金技术及产业的发展前景广阔，其对高温热场隔热碳材料的需求也将相应增加。

A.市场容量

粉末冶金热场隔热碳材料属于热场隔热碳材料的细分领域，目前尚未有权威机构针对该细分领域的市场规模或需求量规模进行统计。粉末冶金产品包括铁、铜、铝、不锈钢基烧结零件，硬质合金与难熔金属，磁性材料，注射成型零件，超硬材料等多个类别，其生产过程中使用的各类高温炉体存在保温隔热的需求。

粉末冶金商务网数据显示，目前，我国粉末冶金产品的生产企业数量超过 2,200 家。上述企业规模差异较大，以平均每家生产企业配备 2-3 台烧结炉等高温炉体设备测算，2022 年我国粉末冶金行业配备的高温炉体数量约为 4,400-6,600 台。粉末冶金行业高温炉体保温隔热材料中石墨硬质复合毡占比较高。

以每台高温炉体石墨硬质复合毡需求量为 0.2 吨、更换周期为 12 个月测算，则 2022 年国内粉末冶金行业高温炉体热场隔热碳材料需求量约为 880-1,320 吨。2017 年至2022 年，我国粉末冶金技术市场规模年复合增长率为 4.75%，假设 2022-2026 年复合增长率为 4%，则到 2026 年我国粉末冶金行业高温炉体热场隔热碳材料需求量约为 1,029.48-1,544.21 吨。

B.竞争格局

从竞争格局来看，由于粉末冶金热场对于隔热材料的导热系数、灰分及使用温度要求均较低，技术难度相对较低，目前国内具备粉末冶金热场隔热材料生产能力的企业较多，竞争较为激烈，具有成本优势的生产企业更加容易在市场竞争中获取更多的市场份额。

②半导体行业

硅是目前最重要的半导体材料，全球 95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基底功能材料而生产出来的，通过对芯层进行光刻、离子注入等手段，可以制成集成电路和各种半导体器件。半导体硅片的生产同样需要经过拉晶等环节，需要用到单晶炉等热场系统，以及高温热场隔热碳材料。与光伏行业相比，半导体行业对于单晶硅的纯度要求更高，一般需达到 99.9999999%（9 个 9）以上，因此，无论是对于单晶炉还是其使用的高温热场隔热碳材料品质都提出了更高的要求。随着半导体产业的发展，高纯度高温热场隔热碳材料市场需求逐年增加。

A.市场容量

半导体热场隔热碳材料属于热场隔热碳材料的细分领域，目前尚未有权威机构针对该细分领域的市场规模或需求量规模进行统计。碳化硅单晶炉热场系统是半导体热场隔热碳材料的主要应用场景之一，以下仅分析碳化硅单晶炉热场系统对应的半导体热场隔热碳材料市场容量。碳化硅是第三代化合物半导体的典型代表，具有耐高温、耐高压、高频率、大功率等优势，广泛应用于电力电子与射频等下游。

碳化硅材料相比硅基材料具有宽禁带、电子饱和漂移速率高、热导系数高和熔点高等优势，可有效突破传统硅基半导体器件及其材料的物理极限，作为衬底开发出更适应高温、高压、高频率和大功率等条件的半导体器件。中金公司发布的研究报告《碳化硅材料：乘碳中和之东风，国内厂商奋起直追》数据显示，2020 年全球碳化硅衬底的需求约为47 万片/年，预计到 2026 年将增加至 472 万片/年，年复合增长率约为 46.88%，增速较快。

根据晶升股份（688478.SH）招股说明书数据，行业单台设备产量水平约为 375 片/年-500 片/年，据此测算，为满足市场需求，到 2026 年碳化硅单晶炉的数量将达到 9,440-12,587 台。以每台碳化硅单晶炉热场隔热碳材料需求量为 0.06 吨、更换周期为 3 个月测算，2026 年全球半导体领域碳化硅单晶炉热场隔热碳材料需求量约为 2,266-3,021 吨。

B.竞争格局

从竞争格局来看，由于半导体热场对于隔热材料的灰分、导热系数和使用温度等指标要求较高，目前半导体热场隔热碳材料主要以国外产品为主，国内产品市场占有率较低。随着国内半导体产业的快速发展，以及国内热场隔热碳材料企业技术的不断进步，预计未来在半导体热场材料领域，国产材料市场占有率将逐步提升。

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