鈦靶材作為物理氣相沉積（PVD）技術(shù)的核心耗材，是制備高性能薄膜的“源頭材料”。在光伏能源領(lǐng)域，鈦及其合金靶材主要用于制備高效、穩(wěn)定的功能薄膜，直接關(guān)系到光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率和長期可靠性。
一、 定義與基本概念
光伏用鈦靶材，通常指純度在99.9%至99.999%（3N-5N）之間，用于磁控濺射等PVD工藝的鈦金屬或鈦合金材料。在真空腔體內(nèi)，高能粒子轟擊靶材表面，使其原子或分子被濺射出來，沉積在光伏基片（如玻璃、硅片、柔性襯底）上，從而形成納米至微米級的功能薄膜。這些薄膜可能扮演著導(dǎo)電電極、背反射層、阻擋層或吸收層等關(guān)鍵角色。
二、 主要材質(zhì)與分類
光伏領(lǐng)域使用的鈦靶材并非單一材質(zhì)，主要可分為兩大類，其選擇取決于具體的電池技術(shù)路線和功能需求。
| 類別 | 典型材質(zhì)/牌號 | 核心特性與光伏應(yīng)用目的 |
| 高純鈦靶材 | 純鈦 (如TA1， 對應(yīng)美標(biāo)Gr1) | 純度極高（通常>99.99%），雜質(zhì)含量嚴(yán)格控制。主要用于制備導(dǎo)電薄膜和阻擋層。例如，在薄膜電池中作為背電極或透明導(dǎo)電氧化物（TCO）薄膜的底層，以提升附著力和電性能。 |
| 鈦合金/化合物靶材 | 鈦鋁合金 (Ti-Al)、氮化鈦 (TiN)（通過反應(yīng)濺射獲得） | 通過合金化或反應(yīng)濺射，賦予薄膜新的性能。Ti-Al合金靶可用于制備耐腐蝕、高導(dǎo)電的復(fù)合電極。以鈦靶反應(yīng)濺射制備氮化鈦（TiN），是一種重要的減反射層和封裝阻隔層材料，能有效提升光吸收和組件耐候性。 |
三、 關(guān)鍵性能特點
光伏應(yīng)用對鈦靶材的性能有特定且嚴(yán)苛的要求，主要集中在以下幾個方面：
高純度與低雜質(zhì)：靶材純度是核心指標(biāo)。特別是堿金屬（如Na、K）和放射性元素（如U、Th）的含量必須極低，因為這些雜質(zhì)會在電池長期工作過程中發(fā)生遷移，導(dǎo)致性能衰減（PID效應(yīng)）和可靠性下降。
高密度與低孔隙率：高密度（接近理論密度）的靶材在濺射時具有更高的沉積速率、更穩(wěn)定的放電過程以及更少的顆粒飛濺。孔隙會吸附水氣和氧氣，在濺射時釋放造成薄膜污染，因此低孔隙率對保證薄膜質(zhì)量至關(guān)重要。
均勻細(xì)小的晶粒組織：靶材通常為多晶結(jié)構(gòu)。細(xì)小且均勻的晶粒尺寸有助于獲得厚度均勻、性能一致的薄膜。粗大的晶粒或異常的晶粒生長會導(dǎo)致濺射速率不均和薄膜缺陷。
優(yōu)異的焊接與綁定質(zhì)量：鈦靶材（背靶）需要與銅背板（冷卻底座）通過焊接（如擴(kuò)散焊、釬焊）實現(xiàn)冶金結(jié)合。焊接界面必須牢固、致密且熱阻低，以確保在長時間高功率濺射過程中有效散熱，防止靶材開裂或脫落。
四、 主要執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)
光伏用鈦靶材目前尚無專屬的國標(biāo)，其生產(chǎn)與檢驗主要參考通用鈦材及高純材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并滿足下游客戶的特定技術(shù)協(xié)議。
基礎(chǔ)材料標(biāo)準(zhǔn)：
《GB/T 16598》：鈦及鈦合金加工產(chǎn)品化學(xué)成分。
《GB/T 2965》：鈦及鈦合金棒材。
《ASTM B381》：鈦及鈦合金鍛件標(biāo)準(zhǔn)。
高純及專用標(biāo)準(zhǔn)：
《YS/T 1811-2025 高純鈦鋁合金靶材》：雖然此標(biāo)準(zhǔn)主要針對集成電路，但其對高純鈦鋁合金的分類、技術(shù)要求和檢驗方法為光伏用同類靶材提供了重要參考。
客戶定制規(guī)格：光伏制造商通常會根據(jù)自身工藝和設(shè)備（如線式濺射鍍膜機(jī)）提出具體的尺寸規(guī)格（如長條形）、純度等級（如5N）、雜質(zhì)控制范圍和性能指標(biāo)。
五、 核心加工工藝與流程
高品質(zhì)鈦靶材的制造是集冶金、壓力加工和精密加工于一體的高技術(shù)流程。
1. 主體加工流程：
原料準(zhǔn)備（高純海綿鈦/合金配料） →真空熔煉（核心）→ 鍛造開坯 → 軋制/擠壓成型 → 熱處理（退火） → 機(jī)械加工（切割、車銑） →焊接背板→ 精密加工至最終尺寸 → 清洗、真空包裝。
2. 關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)：
超高純?nèi)蹮捈夹g(shù)：采用電子束冷床爐（EB）或多次真空自耗電弧爐（VAR）熔煉，可有效揮發(fā)去除低沸點雜質(zhì)，獲得成分均勻、純凈的鑄錠。這是保證高純度的基礎(chǔ)。
微觀組織調(diào)控技術(shù)：通過控制鍛造比、軋制溫度與變形量、以及后續(xù)的熱處理工藝，精確調(diào)控靶材的晶粒尺寸、取向和均勻性，以滿足不同濺射模式的需求。
精密加工與焊接技術(shù)：靶材的尺寸精度和表面光潔度（需車光、倒角）直接影響其在鍍膜設(shè)備中的安裝精度與密封性。背板焊接技術(shù)是行業(yè)核心壁壘，要求焊接層結(jié)合強(qiáng)度高、無空洞、熱導(dǎo)性好，能承受巨大的熱應(yīng)力循環(huán)。
六、 在光伏領(lǐng)域的具體應(yīng)用
鈦靶材的應(yīng)用貫穿于多種光伏技術(shù)路線，以下是其在主要技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用詳解：
| 應(yīng)用領(lǐng)域 | 具體功能與作用 | 技術(shù)要求與工藝特點 |
| 晶硅光伏電池 | 1. 減反射與鈍化層：通過反應(yīng)濺射制備氮化鈦（TiN）薄膜，作為電池前表面的減反射層，同時提供良好的表面鈍化效果。2. 背場與導(dǎo)電層：在PERC等高效電池中，鈦或鈦合金薄膜可作為背場的一部分，提升載流子收集效率。 | 要求薄膜厚度均勻、折射率可控、與硅襯底界面態(tài)密度低。需精確控制濺射氣體（N?/Ar）比例和功率。 |
| 薄膜光伏電池 | 1. 背電極/反射層：在硅基薄膜、碲化鎘（CdTe）電池中，鈦靶直接用于沉積背電極，其高反射率可將未吸收的光子反射回吸收層。2. 阻擋層：在柔性CIGS電池中，鈦薄膜可作為鈉離子阻擋層，抑制襯底中的鈉離子擴(kuò)散至吸光層，影響性能。 | 要求靶材純度極高，以避免雜質(zhì)引入形成復(fù)合中心。需要良好的臺階覆蓋性和附著力。 |
| 鈣鈦礦光伏電池 | 1. 電極材料：用于制備鈣鈦礦電池中的金屬電極或電極緩沖層。 2. 封裝阻隔層：鈣鈦礦材料怕水怕氧，采用鈦靶反應(yīng)濺射沉積致密的TiN或TiO?薄膜，是未來實現(xiàn)超強(qiáng)阻水阻氧封裝的關(guān)鍵技術(shù)路徑之一。 | 這是前沿應(yīng)用。要求薄膜極致致密、無針孔，且PVD工藝溫度需與鈣鈦礦材料兼容（低溫或室溫）。靶材的穩(wěn)定性至關(guān)重要。 |
| 光伏組件封裝 | 高阻隔薄膜：在柔性組件或高端玻璃封裝中，采用多層復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，其中鈦基薄膜（如TiO?， TiN）作為無機(jī)阻隔層，可大幅提升組件的水氧阻隔（WVTR）能力，延長壽命。 | 要求薄膜大面積均勻、連續(xù)無缺陷。靶材的利用率和高功率長壽命運(yùn)行穩(wěn)定性是成本控制關(guān)鍵。 |
七、 與其他領(lǐng)域用鈦靶材的對比分析
不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)︹伆胁牡男阅芤蟛町愶@著，其對比主要體現(xiàn)在純度、微觀結(jié)構(gòu)、尺寸形態(tài)和核心技術(shù)側(cè)重點上。
| 對比維度 | 光伏能源領(lǐng)域 | 半導(dǎo)體與微電子 | 顯示面板 | 裝飾與工具鍍膜 |
| 核心性能要求 | 高純度、高密度、良好的鍍膜均勻性、優(yōu)異的耐候性。重點關(guān)注對光電轉(zhuǎn)換效率的貢獻(xiàn)和長期環(huán)境穩(wěn)定性。 | 極致純度（常達(dá)6N以上）、納米級晶粒尺寸控制、極低的放射性元素含量。要求薄膜具有完美的電學(xué)性能和可靠性。 | 大型化（長條形）、極高的均勻性、低電阻率、高焊接率。追求在大面積基板上鍍膜的顏色、電阻一致性。 | 高硬度、豐富的色彩（通過反應(yīng)濺射）、良好的附著力、成本控制。對純度要求相對較低（3N-4N即可）。 |
| 典型材質(zhì) | 高純鈦、鈦鋁合金、鈦靶反應(yīng)濺射化合物（TiN， TiO?）。 | 超高純鈦、鈦合金（如Ti-Al用于阻擋層）、鈦硅化物等。 | 高純鈦、摻鈮鈦等用于TFT柵極或電極。 | 純鈦、鈦合金，大量使用反應(yīng)濺射制備氮化鈦（金色）、碳化鈦等。 |
| 形態(tài)與尺寸 | 多樣化，包括矩形板、長條形，尺寸與鍍膜設(shè)備腔體匹配。 | 圓形為主，尺寸與硅 wafer 尺寸嚴(yán)格對應(yīng)（如12英寸、18英寸），精度要求極高。 | 非常大尺寸的矩形或長條形靶（長度可達(dá)3米以上）。 | 尺寸規(guī)格靈活，多為矩形或圓形。 |
| 關(guān)鍵技術(shù)差異 | 關(guān)注大面積鍍膜均勻性、薄膜的光學(xué)與電學(xué)性能耦合、以及與聚合物等柔性襯底的兼容性。 | 追求原子級缺陷控制、超細(xì)晶粒與特定織構(gòu)、超高純金屬提純技術(shù)。 | 攻克超大靶材的鑄造均勻性、背板焊接的平整度與散熱、高利用率濺射技術(shù)。 | 側(cè)重反應(yīng)濺射工藝的穩(wěn)定性（防止靶中毒）、色彩再現(xiàn)性和沉積速率。 |
| 應(yīng)用目標(biāo) | 提升電池效率、降低制造成本、保障組件25年以上壽命。 | 制造晶體管、互聯(lián)導(dǎo)線、阻擋層，實現(xiàn)芯片微小化與高性能化。 | 制備TFT陣列、透明電極（如ITO的底層），實現(xiàn)畫面顯示。 | 賦予產(chǎn)品美觀、耐磨、耐腐蝕的表面特性。 |
注：在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，鈦靶材主要用于制備人工關(guān)節(jié)、骨釘?shù)戎踩胛锉砻娴纳锵嗳菪酝繉樱ㄈ缌u基磷灰石/鈦復(fù)合涂層），核心要求是良好的生物活性和無毒性。在磁記錄與儲能領(lǐng)域，鈦靶可作為制備磁記錄薄膜的底層或介質(zhì)層，要求薄膜具有特定的晶體取向和超光滑表面。這兩個領(lǐng)域?qū)Π胁牡奶囟üδ軐傩砸蟾哂趯O致純度的要求。
八、 未來發(fā)展新領(lǐng)域與方向
光伏技術(shù)的演進(jìn)持續(xù)驅(qū)動著鈦靶材的創(chuàng)新與發(fā)展，未來主要方向如下：
服務(wù)于下一代高效電池技術(shù)：
鈣鈦礦疊層電池：鈣鈦礦-晶硅疊層電池是突破單結(jié)效率極限的必然路徑。鈦基靶材（尤其是用于制備高效透明導(dǎo)電層和穩(wěn)定封裝阻隔層的材料）將在其中扮演關(guān)鍵角色。開發(fā)低溫、高速率、高損傷閾值的濺射工藝及相應(yīng)靶材是重點。
無銦化透明電極：目前主流的ITO靶材含稀有金屬銦。開發(fā)基于鈦摻雜的氧化鋅（Ti-ZnO）等新型無銦TCO靶材，對于降低光伏成本和保障供應(yīng)鏈安全具有戰(zhàn)略意義。
面向先進(jìn)封裝的薄膜技術(shù)：
隨著光伏組件向更高功率密度發(fā)展，對封裝材料的阻隔性要求呈指數(shù)級上升。采用多層納米疊層（如TiN/TiO?）的超級阻隔薄膜是發(fā)展方向，這對鈦靶材的成分精確控制、薄膜應(yīng)力調(diào)控和濺射穩(wěn)定性提出了更高要求。
工藝革新與成本控制：
高利用率靶材設(shè)計：開發(fā)新型旋轉(zhuǎn)靶、異形綁定技術(shù)，將靶材利用率從傳統(tǒng)的30%-40%提升至80%以上，是降低光伏制造成本的重要途徑。
國產(chǎn)化與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同：隨著我國光伏產(chǎn)業(yè)的絕對領(lǐng)先，上游關(guān)鍵材料的自主可控日益迫切。在高純鈦原料提取、大型高品質(zhì)靶材鑄造、智能化焊接加工等環(huán)節(jié)實現(xiàn)全面突破，構(gòu)建完整的國產(chǎn)化供應(yīng)鏈，是行業(yè)發(fā)展的核心趨勢。
總而言之，光伏用鈦靶材正從一種通用鍍膜材料，向功能化、定制化、高性能化的方向快速演進(jìn)。其發(fā)展軌跡深度綁定光伏技術(shù)的創(chuàng)新節(jié)奏，是光伏產(chǎn)業(yè)持續(xù)提效降本、邁向下一代技術(shù)不可或缺的關(guān)鍵材料支撐。
