太陽(yáng)能級(jí)多晶硅生產(chǎn)工藝的現(xiàn)狀與發(fā)展

郝連喜

【摘 要】隨著我國(guó)太陽(yáng)能技術(shù)不斷發(fā)展，多晶硅生產(chǎn)是光伏產(chǎn)業(yè)當(dāng)中的一個(gè)核心技術(shù)，其越來(lái)越被人們所重視。因此，本文詳細(xì)探討了太陽(yáng)能級(jí)多晶硅生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并且針對(duì)當(dāng)前太陽(yáng)能級(jí)多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題提出科學(xué)測(cè)量，力求進(jìn)一步推動(dòng)太能能級(jí)多晶硅生產(chǎn)持續(xù)健康的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能級(jí);多晶硅生產(chǎn)工藝;現(xiàn)狀;發(fā)展

隨著地球上的化石燃料逐漸枯竭以及人們能源需求不斷增長(zhǎng)，太陽(yáng)能是可再生的清潔能源，其受到人們更多的喜愛(ài)。太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)也推動(dòng)了光伏產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康的發(fā)展。當(dāng)前，世界各太陽(yáng)能電池生產(chǎn)的廠商產(chǎn)能越來(lái)越高，其對(duì)硅材料需求量也變多。本文詳細(xì)探討了太陽(yáng)能級(jí)多晶硅生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并且針對(duì)當(dāng)前太陽(yáng)能級(jí)多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題提出科學(xué)測(cè)量，力求進(jìn)一步推動(dòng)太能能級(jí)多晶硅生產(chǎn)持續(xù)健康的發(fā)展。

一、太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的生產(chǎn)工藝

1.1冶金法

冶金法最早是由川崎制鐵（KawasakiSteelCorp）于1996年起，在NEDO的支持下開(kāi)發(fā)的由工業(yè)硅生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)硅的方法。冶金法中對(duì)冶金級(jí)硅的精煉主要是利用Si與雜質(zhì)元素物理與化學(xué)性質(zhì)的差別，聯(lián)合多種新型制備技術(shù)，如電子束真空熔煉煉、區(qū)域懸浮熔煉、等離子弧精煉等制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅，并可分為全火法與火法濕法聯(lián)合兩類工藝。

全火法由日本JFE公司最先提出，因此也叫JFE工藝，主要步驟為：（1）真空下利用電子束將冶金級(jí)硅加熱熔融除P，然后進(jìn)行定向凝固;（2）在非真空的Ar氣氛圍下，采用等離子槍加熱，并通入氧、水蒸氣除B和C，然后進(jìn)行第二次定向凝固得到太陽(yáng)能級(jí)多晶硅。

火濕聯(lián)合工藝則由挪威的Elkem公司提出，首先是對(duì)電爐練出的冶金級(jí)硅直接進(jìn)行火法精煉，即造渣精煉和定向凝固，然后將得到的硅腚進(jìn)行破碎后進(jìn)行濕法酸浸除雜。用此法生產(chǎn)的多晶硅主要與電子級(jí)的多晶硅進(jìn)行一定比例的摻配后制備太陽(yáng)能電池。

1.2改良的西門(mén)子法

西門(mén)子法是由德國(guó)西門(mén)子公司于1954年發(fā)明，從上世紀(jì)60年代起西門(mén)子法一直在生產(chǎn)高純硅的領(lǐng)域里占據(jù)統(tǒng)治地位，西門(mén)子法所生產(chǎn)的硅從質(zhì)量到數(shù)量上都能適應(yīng)半導(dǎo)體器件發(fā)展的需要，同樣，西門(mén)法也被大量的用于生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)的多晶硅。西門(mén)子法經(jīng)歷了一代、二代，最終演變成為現(xiàn)在的第三代生產(chǎn)方法，也稱為改良西門(mén)子法，早期西門(mén)子法生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的SiCl4，H2和HCl，不能對(duì)這些副產(chǎn)物進(jìn)行有效利用，而改良的西門(mén)子法在第二代的基礎(chǔ)上增加了尾氣干法回收系統(tǒng)和四氯化硅氫化工藝，完全實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)生產(chǎn)，基本不排出廢物。改良西門(mén)子法主要分為四個(gè)步驟：第一，三氯氫硅的合成與精餾提純;第二，三氯氫硅的氫還原;第三，四氯化硅的氫化分離;第四，還原和氫化尾氣—汽氣混合物的干法回收。

1.3硅烷法

硅烷法顧名思義，是以中間產(chǎn)物硅烷作為氣源，對(duì)硅烷進(jìn)行熱分解來(lái)制備多晶硅。硅烷法的主要步驟即為硅烷的制備。按照硅烷的制備方法的不同，可以將硅烷法分為日本Komatsu公司發(fā)明的硅化鎂法、美國(guó)UnionCarbide公司發(fā)明的歧化法和美國(guó)MEMC發(fā)明的新硅烷法。

硅烷法反應(yīng)溫度較低，將硅烷法中所使用的硅烷與西門(mén)子法的三氯氫硅比較，硅烷含硅量高、分解速率快，分解率高，分解溫度低，能耗低，生成的多晶硅的能耗僅為40kW·h/kg，且硅烷法具有轉(zhuǎn)化率高，生成副產(chǎn)物少，生成的多晶硅純度高優(yōu)點(diǎn)。為進(jìn)一步降低成本，流化床技術(shù)被用于硅烷的熱分解，使用流化床后，顯著的提高了硅烷的分解速率和硅沉積速率。REC公司在歧化法中引入流化床式分解爐，先在流化床床內(nèi)生成SiHCl3，后通過(guò)歧化反應(yīng)制得硅烷，硅烷經(jīng)純化后在流化床分解爐內(nèi)進(jìn)行熱分解生成粒狀多晶硅。

二、多晶硅生產(chǎn)中面臨的問(wèn)題及對(duì)策

在我國(guó)多晶硅生產(chǎn)中，改良西門(mén)子法面臨的兩大問(wèn)題即能耗和大量副產(chǎn)物排放污染問(wèn)題，如何有效解決這兩個(gè)問(wèn)題關(guān)乎到多晶硅的生產(chǎn)成本，更關(guān)系到環(huán)境友好。

2.1多晶硅生產(chǎn)能耗

以鐘罩式還原爐反應(yīng)器為例，在多晶硅生產(chǎn)的還原工序，還原爐的電耗主要由熱輻射損失，反應(yīng)所需能耗及對(duì)流損失這幾部分組成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，熱輻射損失占到整個(gè)還原爐能耗的70%。針對(duì)這一情況，Coso提出了通過(guò)增大反應(yīng)器的直徑和硅棒的數(shù)量和增加反應(yīng)器內(nèi)壁的反射率能夠有效的降低熱輻射損失，另外，由于還原爐冷卻水帶走的熱量占到了還原爐能耗的80%，對(duì)這部分能量進(jìn)行有效的利用同樣能夠大大降低還原爐的能耗。

2.2副產(chǎn)物SiCl4的再利用

由于在我國(guó)受到工藝條件的限制，生產(chǎn)1t的多晶硅會(huì)產(chǎn)生10-15t左右的四氯化硅，四氯化硅是一種有毒而且具有高腐蝕性的化學(xué)品，如果直接排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，并且直接排放四氯化硅也是對(duì)硅源極大的浪費(fèi)，對(duì)大量的四氯化硅進(jìn)行轉(zhuǎn)化利用也能夠大大降低多晶硅的生產(chǎn)成本，目前對(duì)四氯化硅的處理主要途徑為氣相法生產(chǎn)高純SiO2和氫化轉(zhuǎn)化為三氯氫硅重復(fù)利用。四川大學(xué)陳涵斌提出等離子氫化法，實(shí)現(xiàn)了四氯化硅到三氯氫硅的快速、高效轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)表明：控制反應(yīng)條件，四氯化硅的最高轉(zhuǎn)化率達(dá)到74%，三氯氫硅選擇性為85%，單程收率超過(guò)60%。針對(duì)能耗及副產(chǎn)物利用轉(zhuǎn)化的問(wèn)題，丘克強(qiáng)提出應(yīng)將流化床反應(yīng)器應(yīng)用于現(xiàn)有西門(mén)子工藝中，通過(guò)強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱來(lái)降低能耗，另一方面，采用低成本的Zn還原法處理副產(chǎn)物四氯氫硅，將多晶硅生產(chǎn)和反應(yīng)產(chǎn)物的利用轉(zhuǎn)化有機(jī)結(jié)合起來(lái)。

三、太陽(yáng)能級(jí)多晶硅生產(chǎn)工藝發(fā)展趨勢(shì)

3.1增加科研經(jīng)費(fèi)的投入

為了提升硅材料工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，需要加強(qiáng)科研方面的投入，其含有國(guó)家和企業(yè)方面的投入，是是發(fā)展硅材料的關(guān)鍵。加強(qiáng)研究多晶硅工藝以及設(shè)備，特別為新工藝以及新流程方面的研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低消耗和成本，提升質(zhì)量，確保生態(tài)環(huán)境的基本要求。另外，還需要構(gòu)建經(jīng)濟(jì)規(guī)模的有著自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)代化多晶硅廠。

3.2通過(guò)市場(chǎng)為導(dǎo)向，對(duì)設(shè)備和資源進(jìn)行優(yōu)化

硅材料需要走專業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展道路，進(jìn)而對(duì)當(dāng)前存在分散現(xiàn)狀進(jìn)行改變。要通過(guò)市場(chǎng)作為導(dǎo)向，沖破行業(yè)以及地區(qū)方面的制約，進(jìn)而要好的對(duì)資源和設(shè)備充足。

3.3大力鼓勵(lì)中外合資建廠

構(gòu)建多晶硅廠需要現(xiàn)代化的技術(shù)以及大量的資金。合資建廠不僅能夠更好的解決資金共享現(xiàn)代化技術(shù)等問(wèn)題，并且能夠通過(guò)國(guó)際品牌來(lái)進(jìn)入到國(guó)家市場(chǎng)。在比較短的時(shí)間當(dāng)中提高競(jìng)爭(zhēng)水平。所以，國(guó)家需要按照多晶硅的市場(chǎng)需求，對(duì)中外合資建設(shè)多晶硅廠進(jìn)行扶持和鼓勵(lì)。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著市場(chǎng)對(duì)多晶硅需求的不斷增長(zhǎng)，多晶硅的生產(chǎn)工藝逐步趨于成熟，與此同時(shí)新的生產(chǎn)工藝也在不斷涌現(xiàn)，但低成本，低能耗，和高效率及環(huán)境友好始終是人們追求的目標(biāo)，在這個(gè)前提下，一方面通過(guò)優(yōu)化操作條件和反應(yīng)參數(shù)，采用高效率的反應(yīng)器及設(shè)計(jì)合理的工藝流程來(lái)降低現(xiàn)有生產(chǎn)成本。另一方面，在技術(shù)成熟的情況下更多的采用低成本的生產(chǎn)工藝如Zn還原法，VLD法等?？梢灶A(yù)料到，多晶硅生產(chǎn)成本下降將極大的推動(dòng)光伏發(fā)電的普及，如果我國(guó)能順應(yīng)當(dāng)前發(fā)展的趨勢(shì)，探索出一條具有中國(guó)特色的低成本太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的工藝路線，中國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)將會(huì)贏得極好的發(fā)展機(jī)遇和戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，在世界光伏行業(yè)奏出華麗的樂(lè)章。

【參考文獻(xiàn)】

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