物理法多晶硅英雄榜.doc

物理法多晶硅英雄榜一、多晶硅生產(chǎn)技術(shù)的背景 多晶硅主要采用化學(xué)提純、物理提純兩種方法進(jìn)行生產(chǎn)，其中化學(xué)提純方法主要有西門子法（氣相沉淀反應(yīng)法）、硅烷熱分解法、流態(tài)化床法，物理提純方法主要有區(qū)域熔化提純法（FZ）、直拉單晶法（CZ）、定向凝固多晶硅錠法（鑄造法），等等。目前最為成熟的多晶硅提純工藝是西門子法。 以往，國際主流廠商大多采用西門子法進(jìn)行多晶硅的生產(chǎn)。方法是在流化床反應(yīng)器中混合冶金級硅和氯化氫氣體，最后得到沸點(diǎn)僅有31C的三氯化硅。隨后將三氯化硅和氫氣的混合物蒸餾后再和加熱到1100C的硅棒一起通過氣相沉積反應(yīng)爐中，從而除去氫氣，同時析出固態(tài)的硅，擊碎后便成為塊狀多晶硅。這樣就可以得到純度為99.9999999%（9個9，或者叫9N）以上的硅。這是直到2004年以前，全世界唯一采用的生產(chǎn)多晶硅的方法。 西門子法提純多晶硅需要維持1100oC 的高溫，因此耗費(fèi)大量電能，造成成本居高不下。一般來說，發(fā)達(dá)國家新建多晶硅廠需投資$100/kg。一個1000噸的工廠投資需要人民幣10億元左右，每噸的成本在4-60萬人民幣左右。 過去，由于光伏市場一直不具備規(guī)模市場化，因此，并沒有形成自己的供應(yīng)鏈產(chǎn)業(yè)。太陽能所用的電池一直是采用半導(dǎo)體級的高純硅的副產(chǎn)品，現(xiàn)在俗稱鍋底料、邊角料、頭尾料是也。隨著太陽能產(chǎn)業(yè)鏈的形成，硅材料依賴集成電路硅的廢次原料的模式已經(jīng)無法滿足太陽能產(chǎn)業(yè)的需要，必然要有新的生產(chǎn)工藝，而物理法是大家比較公認(rèn)的能夠替代西門子法的一個新途徑。 物理法是采用對冶金級的硅進(jìn)行造渣、精煉、酸洗（濕法冶金）、定向凝固等方式，將雜質(zhì)去除，由于硅是不參加化學(xué)反應(yīng)的，所以俗稱物理法。但其實(shí)，無論是造渣、精煉還是酸洗，都不可避免地涉及到化學(xué)反應(yīng)，因此，比較準(zhǔn)確的叫法應(yīng)該是冶金法。 冶金法的投資比化學(xué)法要小，大約每千噸產(chǎn)能投資只需要4億元左右，而每噸的成本為1525萬元人民幣左右。因此，如果成功的話，將對化學(xué)法形成很大的威脅。但是，冶金法對硅的提純極限為6到7個九，也就是67N，因此，無法用于半導(dǎo)體行業(yè)，而只能用于太陽能產(chǎn)業(yè)。 但是，現(xiàn)在的多晶硅市場還沒有形成到價格競爭的地步。由于太陽能產(chǎn)業(yè)造成的需求太大，目前，多晶硅的價格已經(jīng)達(dá)到了400萬元/噸的程度，所以，無論是化學(xué)法還是物理法，都會賺得盆滿缽滿，只要能做出來就行了。上述的成本差異，也只是今后供求大致平衡后，才會顯現(xiàn)出來。但無論怎樣，人都是想走捷徑的，所以，現(xiàn)在有那么多人在研究物理法多晶硅，是想一步到位，想在今后的競爭中能夠在成本上立于不敗之地。另外，太陽能電池目前應(yīng)用推廣的最大障礙，就是成本太高，如果能夠?qū)⑻柲茈姵氐闹髟?硅的成本大幅下降，那這個市場的發(fā)展速度，要快得多。 本文擬把本博主在國內(nèi)外調(diào)研的情況寫出來，與大家共享一下，讓大家了解一下全世界的多晶硅行業(yè)中，有哪些先驅(qū)者在從事著這方面的工作。這些人不管其初始的動機(jī)為何，客觀上，如果能夠有成效的話，都將起到了降低太陽能電池的成本的效果，最終將會推進(jìn)太陽能的普及，是造福人類的大功德。二、國際英雄榜 1、美國DOW CORNING 道-康寧 道康寧是眾所周知的玻璃大王。玻璃最主要的成分也是硅，所以，康寧公司在多晶硅中要占一個份額，是不奇怪的。2001年，康寧公司成立了康寧太陽能公司，該公司控股的HEMLOCK公司，是世界上規(guī)模最大的多晶硅生產(chǎn)商，而且，該公司的產(chǎn)業(yè)鏈包括從硅石、硅沙、金屬硅、多晶硅、單晶硅、電池片、電池組建、封裝材料（許多是玻璃）的幾乎整個太陽能產(chǎn)業(yè)鏈。 2006年，HEMLOCK公司的多晶硅產(chǎn)量就達(dá)到了1萬噸，而到2009年，該公司宣布要達(dá)到19000噸的規(guī)模。而更令人意外的是，康寧公司在2006年九月宣布，該公司的下屬公司HEMLOCK采用了全新的鑄錠法生產(chǎn)多晶硅，使得該公司聲名大振。 該公司宣布的方法，是從冶金級的硅（國內(nèi)叫工業(yè)硅或金屬硅），采用一種新的大規(guī)模的冶金方法，可以為目前的太陽能市場提供大量的低成本的多晶硅。但是，該公司同時說，目前，這種“新方法”所生產(chǎn)的硅，只能和傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的硅進(jìn)行混合使用，混合的比例大約是10份傳統(tǒng)的多晶硅摻入1份新法多晶硅；也就是說，HEMLOCK的冶金法多晶硅不僅不能單獨(dú)使用，而且只能使10%左右的比例摻到西門子法的硅中去。這不免讓鼓吹物理法的人覺得有些遺憾，但是，這畢竟是開了個好頭。 該公司宣布將逐步將這種新方法生產(chǎn)的低成本的硅的比例在最終的太陽能級的產(chǎn)品中盡快提高到20%。“我們的這個突破，表明我們在不斷地為我們的客戶提供不同的工藝選擇，以滿足他們的實(shí)際的需求。這說明了康寧公司不僅致力于解決技術(shù)問題，也盡心地為客戶解決供應(yīng)短缺的問題，至少我們?yōu)榭蛻粼谥虚L期方面提供了一個新的選擇可能?！笨祵幑镜陌l(fā)言人如是說。Dow Corning 是和GE Energy合作研發(fā)該技術(shù)的。他們采用冶金精煉法制備命名為PV1101太陽能級多晶硅。雖并未見到有關(guān)DOW corning制備太陽能級多晶硅的詳細(xì)工藝報道，但與它合作的Crystal System Inc.宣布他們是通過熔融金屬硅渣化與水氣反應(yīng)去除硼和磷，然后用HEM爐定向凝固的。2、德國WACKER公司 在多晶硅行業(yè)，WACKER公司的名氣是如日中天的。因為，它是全球最大的多晶硅的生產(chǎn)商之一，而且已經(jīng)具有五十年的多晶硅的生產(chǎn)經(jīng)驗，向太陽能電池制造商供貨的歷史幾乎也一樣長。 瓦克(WACKER)公司是一家總部位于德國慕尼黑市的全球性化學(xué)品公司。以前的中文譯名為威凱公司，現(xiàn)改稱為瓦克公司，無論從譯音上或譯意上，更加準(zhǔn)確地表達(dá)了(WACKER)公司業(yè)務(wù)領(lǐng)域及企業(yè)形象。目前，瓦克公司是世界上第二大多晶硅制造商，產(chǎn)能為5500噸，而該公司的總裁兼CEO Peter Alexander去年在一份聲明中表示,該公司計劃在2008年初達(dá)到10000噸每年,到2009年底將多晶硅的年產(chǎn)能再提高4500噸達(dá)到14500噸,公司已經(jīng)籌集到3億歐元（3.767億美元）投于該計劃。 但鮮為人知的是，盡管WACKER目前是執(zhí)西門子法生產(chǎn)多晶硅的牛耳，但它們也是國際上率先開發(fā)出物理法的公司。早在1975年，WACKER公司就率先采用了冶金法（又稱物理法或鑄造法）來制造太陽能級電池硅，之后，技術(shù)不斷改進(jìn)，質(zhì)量不斷提高，其太陽能電池的效率達(dá)到了21%，接近單晶硅太陽能電池。由于鑄造多晶硅具有與單晶硅相同的電學(xué)特性，而且它的投資成本和生產(chǎn)單位能耗大大低于化學(xué)法，因此，一度被看好可以很快成為太陽能電池的主要材料。但是，由于冶金法的純度只能到6個9，而這個純度只能用于太陽能市場，但由于當(dāng)時的太陽能市場幾乎等于沒有，因此，該公司沒有對冶金法進(jìn)行深入研究，而是將之束之高閣。 在最近的多晶硅熱中，WACKER公司好象并沒有跟隨太陽能這個火熱的市場，而重拾冶金法的工藝。該公司目前所宣布的擴(kuò)產(chǎn)計劃，都是西門子法的。我想，這里面的原因有兩個，一個是冶金法的工藝還不成熟，一個是化學(xué)法可以兼顧太陽能和半導(dǎo)體兩個市場，風(fēng)險更加小。此外，由于2000、2001兩年多晶硅市場也有類似今天的火爆，但隨后跌入谷底，使當(dāng)時的瓦克公司幾乎面臨絕境，一朝被蛇咬，十年怕井繩，WACKER公司今天的謹(jǐn)慎策略，大概就是當(dāng)年被嚇怕了。3、 美國MEMC公司 MEMC也是全球多晶硅的巨頭之一。，目前按產(chǎn)量排名的話，可以排在第五，每年為3800噸，但該公司宣布到2009年，也就是明年，產(chǎn)量將達(dá)到8000噸，按照其它公司公布的擴(kuò)產(chǎn)計劃，到時可能會超過日本德山而排在第四位。 2006年， MEMC宣布將在06年新工廠中開始使用區(qū)域熔化提純法（FZ）。區(qū)熔法屬于無坩堝法的一種，該法顯著的特點(diǎn)是不用坩堝盛裝熔融硅，而是依靠在高頻電磁場作用下硅的表面張力和電磁力支撐局部熔化的硅液，因此又稱為懸浮區(qū)熔法，區(qū)熔提純的原理是根據(jù)熔化的晶體再結(jié)晶過程雜質(zhì)在固相和液相中的濃度不同而達(dá)到提純的目的，是屬于比較純正的物理法，該法比化學(xué)法的最大優(yōu)勢是節(jié)省電力和不污染硅料。但目前，沒有見到MEMC所說的那個工廠的產(chǎn)品問世。4、 日本JFE公司（川崎制鐵） JFE這個鋼鐵廠，是中國目前物理法成風(fēng)的“罪魁禍?zhǔn)住薄Ｒ驗槟壳爸袊锢矸ㄖ械摹袄洗蟆保嫉墓に嚲褪钦瞻酛FE的工藝的。 JFE鋼鐵開發(fā)成功了能夠以100噸為單位生產(chǎn)面向多結(jié)晶硅太陽能電池的硅原料的冶金法制造技術(shù)。2005年已開始在該公司西日本制鐵所(倉敷地區(qū))建造相關(guān)設(shè)備，計劃達(dá)到500噸的產(chǎn)能。原計劃2006年10月投產(chǎn)，但后來因故停止，至今沒有進(jìn)行生產(chǎn)。該公司的人員解釋說是因為成本太高，接近于化學(xué)法，但以現(xiàn)在的市場價格，即便比化學(xué)法還高，也還是有利可圖的，分析應(yīng)該還是技術(shù)不成熟的原因。 JFE的工藝路線為：以該公司購進(jìn)的金屬硅為原料，首先將金屬硅在真空環(huán)境下加熱熔化，利用電子束轟擊去除掉P(磷)。然后在Ar(氬)氣體中熔化后用等離子焊槍(Plasma Torch)噴吹去除B(硼)，然后通過定向凝固后提煉出6個九的多晶硅。應(yīng)用普通金屬提煉工序可將金屬雜質(zhì)的濃度降至0.1ppmw以下。該公司宣稱，由該制造工藝生產(chǎn)的SOG硅具有與西門子法制造的多晶硅相同的品量，可用于生產(chǎn)高轉(zhuǎn)換效率的多結(jié)晶硅太陽能電池。但目前看來，應(yīng)該是停頓了。 JFE的項目里，進(jìn)行投資的有三菱這個多晶硅巨頭，和日本新能源協(xié)會（NEDO）。雖然JFE自己沒有進(jìn)行生產(chǎn)，但JFE在網(wǎng)上公布的冶金法多晶硅廠房照片，使得大家都以為物理法的規(guī)模生產(chǎn)已經(jīng)指日可待，也使得一批從日本回國的“海歸博士”們，儼然成為了國內(nèi)物理法多晶硅的佼佼者，被眾多的富豪作為了多晶硅豪賭的籌碼。有關(guān)這些博士們的情況，將在本文的后面逐一介紹。5、新日鐵 新日鐵第一次為國人所知是上海寶鋼的建設(shè)。當(dāng)時寶鋼一期的幾乎全部技術(shù)就是從新日鐵引進(jìn)的。 而這個日本最大的鋼鐵集團(tuán)在2007年4月宣布，將涉足太陽能電池多晶硅業(yè)務(wù)，著手制造和銷售太陽能電池使用的多晶硅。作為太陽能的多晶硅業(yè)務(wù)公司，已在2006年6月30日設(shè)立了“NS Solar Material”。NS Solar Material計劃在位于福岡縣北九州市的新日本制鐵八幡制鐵所內(nèi)建設(shè)車間，從2007年度下半年開始以每月大約40噸的規(guī)模生產(chǎn)。所生產(chǎn)的多結(jié)晶硅“設(shè)想”供應(yīng)給日本的太陽能電池廠商。該公司宣布，在制造多結(jié)晶硅時采用應(yīng)用“制鐵技術(shù)的獨(dú)有手法，與現(xiàn)有生產(chǎn)方法不同。與現(xiàn)有方法相比，具有設(shè)備成本可減少一半的優(yōu)點(diǎn)”。新日本制鐵此前就一直在開發(fā)多結(jié)晶硅制造技術(shù)，而且最近太陽能電池領(lǐng)域的需求在不斷增加，因此決定設(shè)立生產(chǎn)公司。新日本制鐵打算在進(jìn)行技術(shù)驗證的同時首先建設(shè)年產(chǎn)500噸左右的小型車間，并在今后視市場需求建設(shè)更大的車間。 NS Solar Material的員工數(shù)量為50人左右，新日本制鐵新材料事業(yè)部部長柳澤充夫?qū)⒕腿紊玳L。注冊資金3億日元。公司位于福岡市北九州市戶畑區(qū)。 上面所說的“制鐵技術(shù)的獨(dú)有手法”，應(yīng)該就是冶金法。6、挪威ELKEM SOLAR公司 ELKEM本來是不做多晶硅的。但它是生產(chǎn)多晶硅的原料-金屬硅的。而且，ELKEM是世界最大的硅金屬供應(yīng)商，市場份額占全球的15%以上。世界上一半的電腦所使用的硅金屬都來自該公司。 ELKEM公司自上世紀(jì)80年開始投身太陽能的研發(fā)工作。與其它的歐洲廠家不同，ELKEM太陽能公司在冶煉太陽能級硅方面，一開始就走的是不同于西門子法的冶金法的路線。他們利用自己對金屬硅工藝的熟悉和技術(shù)，開發(fā)了一套新型的冶煉方法，2006年9月份， ELKEM SOLAR公司投資27億挪威克朗在挪建造了一家高純硅廠，預(yù)計每年生產(chǎn)5000噸太陽能硅，但將分為兩個階段，第一期預(yù)計為500噸左右。目前，ELKEM公司已經(jīng)和一家領(lǐng)先的業(yè)內(nèi)公司Q-CELLS