多晶硅冶煉原理與光伏產(chǎn)業(yè)概況月

多晶硅生產(chǎn)概論一、光伏產(chǎn)業(yè)與多晶硅二、多晶硅生產(chǎn)方法三、改良西門子法四、冶金法五、小結(jié)2012年1月一、光伏產(chǎn)業(yè)與多晶硅隨著德國(guó)宣布2011年光伏安裝量達(dá)到7.5GW，兩大市場(chǎng)研究公司IHSiSuppli和IMSResearch都表示2011年全球光伏新安裝量或?qū)⑦_(dá)到26GW，較2010年的17.5GW增長(zhǎng)50%。2011年，我國(guó)多晶市場(chǎng)行情表現(xiàn)為1-4月高位穩(wěn)定以及5月之后的大幅下挫。下半年，隨著歐美太陽能企業(yè)大量倒閉停產(chǎn)，光伏市場(chǎng)環(huán)境進(jìn)一步惡化以及上半年下游庫存的彌補(bǔ)，多晶硅價(jià)格繼續(xù)走低，并連續(xù)刷新歷史新低。隨著價(jià)格不斷下探，國(guó)內(nèi)多晶硅企業(yè)開始大規(guī)模停產(chǎn)。11月底，除部分多晶硅廠外，80%的多晶硅企業(yè)全部停產(chǎn)，市場(chǎng)行情表現(xiàn)慘淡。截止到2011年12月30日，我國(guó)西門子法多晶硅已建總產(chǎn)能達(dá)13.4萬噸，同比增加54.2%，而產(chǎn)量為7.5萬噸，同比增加72.4%。如果算上物理法及硅烷法多晶硅，國(guó)內(nèi)多晶硅總產(chǎn)量可能將接近7.9萬噸。除目前13.3萬噸的已建西門子法產(chǎn)能外，我國(guó)還有9.6萬噸的在建產(chǎn)能，保守估計(jì)2012年底我國(guó)多晶硅產(chǎn)能將達(dá)到17萬噸，產(chǎn)量8-9萬噸。根據(jù)推算，2011年我國(guó)太陽能電池片產(chǎn)量大約為18-20GW，較2010年的14.1GW同比增加28.6%-41.8%。2011年，我國(guó)多晶硅消費(fèi)量為13.4萬噸，同比增長(zhǎng)57.6%。一、光伏產(chǎn)業(yè)與多晶硅2011年1-11月份，我國(guó)共進(jìn)口多晶硅58543噸，同比增長(zhǎng)39.7%。下游大廠擴(kuò)建是刺激多晶硅進(jìn)口量增加的關(guān)鍵。2011年，我國(guó)多晶硅消費(fèi)量為13.4萬噸，同比增長(zhǎng)57.6%。表2：2006-2011年中國(guó)多晶硅供需平衡表（單位：噸）噸200620072008200920102011國(guó)內(nèi)多晶硅需求量4,70011,50025,50045,00085,000134,000國(guó)內(nèi)多晶硅產(chǎn)量2871,1394,50018,30043,50075,000需要進(jìn)口多晶硅產(chǎn)量4,41310,11021,00026,70041,50059,000實(shí)際進(jìn)口多晶硅數(shù)量6,4599,20916,99422,72747,51063,000E供需差距2,046-901-4,006-3,9734,0004000一、光伏產(chǎn)業(yè)與多晶硅保利協(xié)鑫（江蘇總能）多晶硅生產(chǎn)及產(chǎn)能預(yù)測(cè)一、光伏產(chǎn)業(yè)與多晶硅全球光伏發(fā)電裝機(jī)量統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)圖：2011年全球多晶硅產(chǎn)量為20.1萬噸，同比增長(zhǎng)16.8%。以目前中國(guó)及國(guó)際大廠的擴(kuò)張速度來推算，2012年保守預(yù)估全球多晶硅產(chǎn)能將達(dá)到36.56萬噸，而如果幾個(gè)主要多晶硅大廠能夠按最快速度完成工廠建設(shè)，則全球多晶硅產(chǎn)能有望突破40萬噸。多數(shù)機(jī)構(gòu)普遍認(rèn)為2012年才是全球光伏市場(chǎng)的真正考驗(yàn)。一、光伏產(chǎn)業(yè)與多晶硅二、多晶硅生產(chǎn)方法光伏產(chǎn)業(yè)鏈見右圖二、多晶硅生產(chǎn)方法多晶硅生產(chǎn)主要有化學(xué)法與物理法，見下圖。改良西門子工藝技術(shù)主流成熟技術(shù)（國(guó)外80%、國(guó)內(nèi)95%采用該技術(shù)），閉環(huán)清潔生產(chǎn)；有進(jìn)一步節(jié)能、降耗、減排潛力。硅烷法工藝技術(shù)電耗相對(duì)較低，有節(jié)能優(yōu)勢(shì)；大規(guī)模生產(chǎn)中的安全風(fēng)險(xiǎn)、廢物循環(huán)處理等問題有待解決；冶金法工藝技術(shù)投資低、流程短，成本低；目前產(chǎn)品純度與質(zhì)量穩(wěn)定性有待提高，以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用多晶硅生產(chǎn)方法對(duì)比見下圖：三、改良西門子法多晶硅要達(dá)到半導(dǎo)體或太陽能電池對(duì)硅材料的高純度要求，目前通用的工藝是采用化學(xué)提純的方法制備多晶硅，又稱化學(xué)法。全世界85%的多晶硅由改良西門子法生產(chǎn)，可生產(chǎn)電子級(jí)與太陽能級(jí)多晶硅。改良西門子法的優(yōu)點(diǎn)為工藝較成熟、純度高、能大批量生產(chǎn)、產(chǎn)品可以兼顧電子級(jí)與太陽能級(jí)多晶硅。缺點(diǎn)為投資大、生產(chǎn)成本高、存在污染。多晶硅大廠采用改良西門子法，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)生產(chǎn)，采用冷氫化工藝，成本可以控制在20美元以下。三、改良西門子法改良西門子法的生產(chǎn)流程，見下圖。（1）SiHCl3的合成：將工業(yè)硅（金屬硅）粉碎與無水氯化氫(HCl)在流化床反應(yīng)器中反應(yīng)，生成擬溶解的三氯氫硅(SiHCl3)。其化學(xué)反應(yīng)式為：Si+HCl→SiHCl3+H2↑（2）精餾提純SiHC13:第一步產(chǎn)生的氣態(tài)混合物還需要進(jìn)一步提純，需要分解過濾硅粉、冷凝SiHCl3、SiC14，而氣態(tài)H2、HCl返回到反應(yīng)中或排放到大氣中。然后分解冷凝物SiHCl3、SiC14，利用各種氯化物揮發(fā)性的差別，精餾制得高純SiHCl3（多級(jí)精餾）。

三、改良西門子法（3）SiHC13的氫還原：將高純SiHCl3和高純H2按一定的比例導(dǎo)入鐘罩型還原爐內(nèi)，見圖10，在1100℃的硅芯發(fā)熱體上還原沉積得硅多晶棒。其化學(xué)反應(yīng)公式為：SiHCl3+H2→Si+HCl（4）尾氣回收和SiCl4的氫化分離：SiHC13的氫還原反應(yīng)，大約三分之一的三氯氫硅發(fā)生反應(yīng)，并生成多晶硅。氣態(tài)混合物的分離是復(fù)雜的、耗能量大的，從某種程度上決定了多晶硅的成本和該工藝的競(jìng)爭(zhēng)力。三、改良西門子法三、冶金法生產(chǎn)多晶硅冶金法又稱物理法，通過對(duì)冶金硅進(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，生產(chǎn)出太陽能級(jí)的多晶硅的方法。由于硅不參加化學(xué)反應(yīng)，所以俗稱物理法。其實(shí)整個(gè)生產(chǎn)過程中，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)。冶金法法提純多晶硅路線類似于冶金工業(yè)中金屬提純工藝，盡可能的采用物理方法去除雜質(zhì)。由于沒有行業(yè)內(nèi)通用的成熟技術(shù)可以借鑒，各公司均自主研發(fā)工藝路線，具體的工藝方法各有不同。冶金法概述：冶金法提純多晶硅包括吹氣精煉、溶劑精煉、定向凝固、真空精煉、熔鹽電解等多種方法。在提純的過程中主要利用不同元素的物理性質(zhì)差異來使之分離，其中包括濕法冶金、吹氣、造渣、定向凝固、真空條件下的電子束、等離子體、太陽聚光及感應(yīng)熔煉等。上述方法中單一的一種方法只能有效去除某一些雜質(zhì)而不能去除所有雜質(zhì)，所以冶金法工藝是一種綜合多種方法的復(fù)合提純工藝。三、冶金法生產(chǎn)多晶硅冶金法主要技術(shù)手段與功能：三、冶金法生產(chǎn)多晶硅多晶硅聯(lián)盟確定的冶金法工藝路線圖三、冶金法生產(chǎn)多晶硅寧夏發(fā)電集團(tuán)(NingxiaPowerGroup)

單晶電池最高效率達(dá)到18.2%，平均效率達(dá)到16.8%,(averageefficiencyreach16.8%formono-crystalcell）多晶電池最高為15.75%,最低為14.75%，平均為15%（成品率為77%）；(averageefficiencyreach15%forpoly-crystalcell)上海普羅(Propower)

單晶電池最高效率達(dá)到17.2%，平均效率達(dá)到16.7%,(averageefficiencyreach16.7%formono-crystalcell)

多晶電池平均為14.5%，最高15.2%，鑄錠成品率為75%；(averageefficiencyreach14.5%forpoly-crystalcell)蘇州阿特斯(CSI)

采用冶金法多晶硅的多晶電池平均效率為14.5%，最高已達(dá)16%以上；已經(jīng)向德國(guó)、法國(guó)、意大利銷售超過60MW以上。(averageefficiencyreach14.5%forpoly-crystalcell,sellover60MWtoEurope)廈門佳科(JACO)

所生產(chǎn)的冶金法多晶硅2008年銷售超過1000噸，用于生產(chǎn)電池，多晶硅電池效率可達(dá)到14%以上。

三、冶金法生產(chǎn)多晶硅冶金法生產(chǎn)企業(yè)研究進(jìn)展：廈門大學(xué)(XiamenUniversity)

在硅的濕法冶金技術(shù)、真空熔煉技術(shù)、硅片的吸雜技術(shù)、冶金法硅的雜質(zhì)作用和光衰減研究等方面有深入的研究。代表：陳朝教授

Researchonhydro-,vacuumrefineryofsilicon,impurityimpactandabsorbing,LIDresearch,etc.Re:Prof.ChenChao中山大學(xué)(SunYat-cienUniversity)

在冶金法多晶硅的電池片生產(chǎn)技術(shù)和組件應(yīng)用方面，包括吸雜和N型電池生產(chǎn)進(jìn)行了大量的研發(fā)工作。代表：沈輝教授

ReseachonUMGcellmanufacturingandmoduleapplication,includingimpurityabsorbingandN-typecellmanufacturing.Re:Prof.ShenHui東北大學(xué)(NortheastUniversity)

在高純金屬硅的制備方面進(jìn)行了大量的研究工作。代表人物：邢鵬飛教授(Researchonhighpuremetalsiliconpreparation.Re:Prof.XingPengfei大連理工大學(xué)(DalianPoly-techUniversity)

在電子除磷方面取得長(zhǎng)足的進(jìn)展。代表人物：譚毅教授

ResearchonPhosphoruseliminationwithelectronicbeam.Re:Prof.TanYi三、冶金法生產(chǎn)多晶硅冶金法高校研究進(jìn)展：三、冶金法生產(chǎn)多晶硅（1）純度不理想：目前，冶金法多晶硅的大規(guī)模還不能完全保證在6N的純度（好的廠家合格率大約在50%~60%），導(dǎo)致所制作太陽電池片的轉(zhuǎn)換效率較低，大約在15%左右。（2）光致衰減：由于硼氧、硼鐵復(fù)合體等雜質(zhì)的存在，冶金法多晶硅存在衰減的現(xiàn)象。（3）質(zhì)量穩(wěn)定性：冶金法多晶硅由于工藝的原因，存在著趨向于不均勻的特性，表現(xiàn)在電阻率的不均勻，和制作電池片的轉(zhuǎn)換效率離散度較大（從13%~18%）冶金法生產(chǎn)多晶硅主要問題：三、冶金法生產(chǎn)多晶硅ELKEM冶金法工藝路線：三、冶金法生產(chǎn)多晶硅JFE冶金法工藝路線：三、冶金法生產(chǎn)多晶硅上海普羅冶金法工藝路線：三、冶金法生產(chǎn)多晶硅寧夏銀星冶金法工藝路線：