硅材料產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介

（內(nèi)部資料）決策參考第一期本期目錄硅材料產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介五通橋區(qū)科技顧問(wèn)團(tuán)辦公室編印二OO七年編者按：目前,區(qū)委、區(qū)政府高度重視硅材料產(chǎn)業(yè)，并把硅材料產(chǎn)業(yè)作為我區(qū)最具發(fā)展優(yōu)勢(shì)的、優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，本期《決策參考》編輯了硅材料產(chǎn)業(yè)方面的相關(guān)知識(shí)，供領(lǐng)導(dǎo)參考。一、硅材料多晶硅：是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。熔融的單質(zhì)硅在過(guò)冷條件下凝固時(shí)，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，如這些晶核長(zhǎng)成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結(jié)合起來(lái)，就結(jié)晶成多晶硅。多晶硅可作拉制單晶硅的原料，多晶硅與單晶硅的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)方面。例如，在力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)的各向異性方面，遠(yuǎn)不如單晶硅明顯；在電學(xué)性質(zhì)方面，多晶硅晶體的導(dǎo)電性也遠(yuǎn)不如單晶硅顯著，甚至于幾乎沒(méi)有導(dǎo)電性；在化學(xué)活性方面，兩者的差異極小。多晶硅和單晶硅可從外觀上加以區(qū)別，但真正的鑒別須通過(guò)分析測(cè)定晶體的晶面方向、導(dǎo)電類(lèi)型和電阻率等。國(guó)際多晶硅產(chǎn)業(yè)概況當(dāng)前，晶體硅材料（包括多晶硅和單晶硅）是最主要的光伏材料，其市場(chǎng)占有率在90%以上，而且在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期也依然是太陽(yáng)能電池的主流材料。多晶硅材料的生產(chǎn)技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)掌握在美、日、德等3個(gè)國(guó)家7個(gè)公司的10家工廠手中，形成技術(shù)封鎖、市場(chǎng)壟斷的狀況。多晶硅的需求主要來(lái)自于半導(dǎo)體和太陽(yáng)能電池。按純度要求不同，分為電子級(jí)和太陽(yáng)能級(jí)。其中，用于電子級(jí)多晶硅占55%左右，太陽(yáng)能級(jí)多晶硅占45%，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，太陽(yáng)能電池對(duì)多晶硅需求量的增長(zhǎng)速度高于半導(dǎo)體多晶硅的發(fā)展，預(yù)計(jì)到2008年太陽(yáng)能多晶硅的需求量?jī)舫^(guò)電子級(jí)多晶硅。1994年全世界太陽(yáng)能電池的總產(chǎn)量只有69MW，而2004年就接近1200MW，在短短的10年就增長(zhǎng)了17倍。專(zhuān)家預(yù)測(cè)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)在二十一世紀(jì)前半期將超過(guò)核電成為最重要的基礎(chǔ)能源之一。國(guó)際多晶硅主要技術(shù)特征有以下兩點(diǎn)：（1）多種生產(chǎn)工藝路線并存，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)封鎖，壟斷局面不會(huì)改變。由于各多晶硅生產(chǎn)工廠所用主輔原料不盡相同，因此生產(chǎn)工藝技術(shù)不同；進(jìn)而對(duì)應(yīng)的多晶硅產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)、用途、產(chǎn)品檢測(cè)方法、過(guò)程安全等方面也存在差異，各有技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)秘密，總的來(lái)說(shuō)，目前國(guó)際上多晶硅生產(chǎn)主要的傳統(tǒng)工藝有：改良西門(mén)子法、硅烷法和流化床法。其中改良西門(mén)子工藝生產(chǎn)的多晶硅的產(chǎn)能約占世界總產(chǎn)能的80%，短期內(nèi)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)壟斷封鎖的局面不會(huì)改變。（2）新一代低成本多晶硅工藝技術(shù)研究空前活躍。除了傳統(tǒng)工藝（電子級(jí)和太陽(yáng)能級(jí)兼容）及技術(shù)升級(jí)外，還涌現(xiàn)出了幾種專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的新工藝技術(shù)，主要有：改良西門(mén)子法的低價(jià)格工藝；冶金法從金屬硅中提取高純度硅；高強(qiáng)度Si02直接制??；熔融析出法（VLD：Vapertoliquiddeposition）；還原或熱分解工藝；無(wú)氯工藝術(shù)技術(shù)，AI-Si溶體低溫制備太陽(yáng)能級(jí)硅；熔鹽電解法等。單晶硅：是重要的半導(dǎo)體材料，化學(xué)元素符號(hào)Si，電子工業(yè)上使用的硅應(yīng)具有高純度和優(yōu)良的電學(xué)和機(jī)械等性能。硅是產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料，它的產(chǎn)量和用量標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的電子工業(yè)水平。在研究和生產(chǎn)中，硅材料與硅器件相互促進(jìn)。在第二次世界大戰(zhàn)中，開(kāi)始用硅制作雷達(dá)的高頻晶體檢波器。所有的硅純度很低又非單晶體。1950年制出第一只硅晶體管，提高了人們制備優(yōu)質(zhì)硅單晶的興趣。1952年用直拉法（CZ）培育硅單晶成功。1953年又研究出無(wú)坩堝區(qū)域熔化法（FZ），既可進(jìn)行物理提純又能拉制單晶。1955年開(kāi)始采用鋅還原四氯化硅法生產(chǎn)純硅，但不能滿足制造晶體管的要求。1956年研究成功氫還原三氯氫硅法。對(duì)硅中微量雜質(zhì)又經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的探索后，氫還原三氯氫硅法成為一種主要的方法。到1960年，用這種方法進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)已具規(guī)模。硅整流器與硅閘流管的問(wèn)世促使硅材料的生產(chǎn)一躍而居半導(dǎo)體材料的首位。60年代硅處延生長(zhǎng)單晶技術(shù)和硅平面工藝的出現(xiàn)，不但使硅晶體管制造技術(shù)趨于成熟，而且促使集成電路迅速發(fā)展。80年代初全世界多晶硅產(chǎn)量已達(dá)2500噸。硅還是有前途的太陽(yáng)電池材料之一。用多晶硅制造太陽(yáng)電池的技術(shù)已經(jīng)成熟；無(wú)定形非晶硅膜的研究進(jìn)展迅速；非晶硅太陽(yáng)電池開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。二、光伏產(chǎn)業(yè)制作太陽(yáng)能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，目前占主流的太陽(yáng)能電池是硅太陽(yáng)能電池，它又分單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池（總稱為晶體硅太陽(yáng)能電池）和非晶硅太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池及材料。制作太陽(yáng)能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電子轉(zhuǎn)換反應(yīng)。對(duì)太陽(yáng)能電池材料一般的要求是：1.半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬；2.要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；3.材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染；4.材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定?；谝陨蠋追矫嬉?，硅是最理想的太陽(yáng)能電池材料。單晶硅太陽(yáng)能電池。單晶硅太陽(yáng)能電池使用的硅原料主要為：多晶硅、半導(dǎo)體硅碎片、半導(dǎo)體單晶硅的頭、尾料、半導(dǎo)體用不合格的單晶硅。在硅系列太陽(yáng)能電池中，單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換率最高（可達(dá)25%），技術(shù)也最為成熟。它是目前最重要的光伏材料。高性能的單晶硅太陽(yáng)能電池，是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和與其相關(guān)的成熟的加工工藝基礎(chǔ)上的。多晶硅太陽(yáng)能電池。多晶硅太陽(yáng)能電池使用的硅材料主要為：低等級(jí)的半導(dǎo)體多晶硅，或者專(zhuān)門(mén)為太陽(yáng)能電池使用而生產(chǎn)的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅。與單晶硅太陽(yáng)能電池相比較，由于其工藝為鑄錠成型，多晶硅太陽(yáng)能電池成本較低，但其轉(zhuǎn)換效率與單晶硅太陽(yáng)能電池又有差距（可達(dá)20%左右），因此，多晶硅太陽(yáng)能電池也有較大的發(fā)展機(jī)會(huì)。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。與傳統(tǒng)的晶體硅太陽(yáng)能電池使用的原材料不同的是，其材料制備工藝簡(jiǎn)單、成本低，是光伏產(chǎn)業(yè)大規(guī)模市場(chǎng)化的重要研發(fā)路線。目前在實(shí)驗(yàn)室階段其光電轉(zhuǎn)換率已突破13%，如能進(jìn)一步提升到工業(yè)規(guī)模化，前景廣闊。高純金屬材料（銻、鎘等）。銻主要用于制備III-族化合物半導(dǎo)體，高純合金，電子制冷元件以及鍺、硅單晶的摻雜劑。鎘主要用于制備II-VI族化合物半導(dǎo)體，高純合金，電池，焊料和原子反應(yīng)堆中控制棒，太陽(yáng)能電池，紅外探測(cè)器等?；衔锇雽?dǎo)體?；衔锇雽?dǎo)體是現(xiàn)代電子工業(yè)的重要材料，Pbte、InSb、PbSnTe、GaAs、InP等半導(dǎo)體材料在現(xiàn)代電子工業(yè)和光電子工業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。特別是GaAs、InP，一般認(rèn)為它們是Si之后的最重要的半導(dǎo)體材料。本“化合物半導(dǎo)體單晶合成機(jī)組”采用“常溫布里奇曼法”和我校近年來(lái)發(fā)展的一些新技術(shù)、和新方法可以合成幾乎所有種類(lèi)的化合物半導(dǎo)體單晶。本“化合物半導(dǎo)體單晶合成機(jī)組”具有可合成的單晶種類(lèi)多、原料?。ㄒ话銉H需風(fēng)克），特別適用于高校和科研院所。光伏產(chǎn)業(yè)鏈：石英砂～多晶硅～切割變?yōu)楣杵ɑ蛘咦優(yōu)閱尉Ч瑁姵匾约半姵亟M件（單個(gè)電池片無(wú)法發(fā)電），再將組件組合，最后安裝在工程項(xiàng)目上用于發(fā)電。全球光伏組件的年增長(zhǎng)率高達(dá)30％，至2030年全球的光伏發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到300GW（屆時(shí)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值有可能突破3000億美元），至2040年光伏發(fā)電將達(dá)到全球發(fā)電總量的15－20%。按此計(jì)劃推算，2010－2040年，光伏行業(yè)的復(fù)合增長(zhǎng)率將高達(dá)25％以上，可預(yù)見(jiàn)的高速增長(zhǎng)將持續(xù)40年以上。三、樂(lè)山多晶硅材料產(chǎn)業(yè)鏈簡(jiǎn)介（一）樂(lè)山多晶硅材料產(chǎn)業(yè)鏈多晶硅三氯氫硅、四氯化硅治煉澆注法多晶硅電池片產(chǎn)品多晶硅三氯氫硅、四氯化硅治煉澆注法多晶硅電池片產(chǎn)品功率器件直接（CZ）單晶硅功率器件直接（CZ）單晶硅集成電路器件治煉澆注法集成電路器件治煉澆注法多晶硅有機(jī)硅單體、有機(jī)硅消泡劑 有機(jī)硅單體、有機(jī)硅消泡劑（二）樂(lè)山多晶硅材料產(chǎn)業(yè)集群樂(lè)山多晶硅產(chǎn)業(yè)集群戰(zhàn)略產(chǎn)品以電子級(jí)多晶硅和太陽(yáng)能多晶硅為主，產(chǎn)品主要有：直接用多晶硅（應(yīng)用于集成電路和電子功率器件）；區(qū)熔用多晶硅（主要用于大功率半導(dǎo)體器件）；太陽(yáng)能電池及多晶硅。樂(lè)山多晶硅產(chǎn)業(yè)集群以四川新光硅業(yè)科技公司、東汽集團(tuán)峨眉半導(dǎo)體材料廠（研究所）、永祥樹(shù)脂公司等多晶硅項(xiàng)目為依托，充分發(fā)揮人才、技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)樂(lè)山菲尼克斯安裝式集成電路等重大項(xiàng)目的實(shí)施，逐步完善和延伸產(chǎn)業(yè)鏈，形成包括多晶硅、單晶硅、硅加工片、芯片和集成電路、電子元器件的硅材料產(chǎn)業(yè)集群。四、樂(lè)山能源新材料產(chǎn)業(yè)鏈簡(jiǎn)介（一）樂(lè)山能源新材料產(chǎn)業(yè)鏈高純金屬材料（銻、鎘等）高純金屬材料（銻、鎘等）化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體 光伏電池材料光伏電池材料光伏電池光伏電池多晶硅材料(太陽(yáng)能級(jí))多晶硅材料(太陽(yáng)能級(jí))多晶硅錠光伏電池材料多晶硅錠光伏電池材料多晶硅片單晶