多晶硅是制造晶體硅太陽能電池的重要原材料，目前，晶體硅太陽能電池在所有光伏電池中所占比例約為85%。在2008年國(guó)際金融危機(jī)到來之前，由于多晶硅現(xiàn)貨價(jià)格創(chuàng)下近500美元/千克的“天價(jià)”，很多業(yè)內(nèi)人士對(duì)晶體硅太陽能電池乃至多晶硅材料的應(yīng)用前景產(chǎn)生懷疑。隨著近兩年多晶硅價(jià)格回歸理性，尤其是中國(guó)多晶硅企業(yè)異軍突起，晶體硅太陽能電池的主導(dǎo)地位得以鞏固。不過，環(huán)保、能耗問題一直是多晶硅生產(chǎn)的瓶頸，不同的工藝路線也在多晶硅產(chǎn)業(yè)內(nèi)部展開了競(jìng)爭(zhēng)。
多晶硅仍將維持主流地位
2003年以來，隨著中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的高速增長(zhǎng)，中國(guó)多晶硅產(chǎn)業(yè)也迎來繁榮期。洛陽中硅高科技有限公司副總經(jīng)理、多晶硅制備技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室主任嚴(yán)大洲在接受《中國(guó)電子報(bào)》記者采訪時(shí)表示，2005年，我國(guó)年產(chǎn)多晶硅產(chǎn)量?jī)H80噸，占世界年總產(chǎn)量的0.5%，且技術(shù)水平低，在國(guó)家發(fā)改委組織實(shí)施的《高純硅材料高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重大專項(xiàng)》支持下，我國(guó)多晶硅產(chǎn)量突飛猛進(jìn)，2006年產(chǎn)量達(dá)到287噸，2007年達(dá)到1156噸，2008年達(dá)到4300噸，2009年達(dá)到20230噸。多晶硅作為光伏產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料，在短短的5年內(nèi)，從打破技術(shù)封鎖和市場(chǎng)壟斷，到產(chǎn)業(yè)規(guī)模僅次于美國(guó)，完成了過去計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代幾十年要做而一直都未實(shí)現(xiàn)的事情，使我國(guó)成為世界多晶硅生產(chǎn)大國(guó)之一。“經(jīng)過最近三五年的努力，中國(guó)多晶硅產(chǎn)業(yè)超越了此前30多年的成果，一舉解決了太陽能和電子產(chǎn)業(yè)原料長(zhǎng)期受制于人的被動(dòng)局面。這一輪的太陽能產(chǎn)業(yè)爆發(fā)式增長(zhǎng)機(jī)會(huì)千載難逢，中國(guó)的多晶硅企業(yè)抓住了發(fā)展機(jī)遇，令歐美同行刮目相看。”江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司副總經(jīng)理呂錦標(biāo)也感慨道。
成都蜀菱科技發(fā)展有限公司技術(shù)總裁沈祖祥表示：“地殼中的硅資源非常豐富，目前被大多數(shù)公司采用的改良西門子法技術(shù)很成熟，晶體硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換率比較高，因此，在技術(shù)不斷進(jìn)步的前提下，今后30-50年，多晶硅光伏電池仍然可以保持對(duì)薄膜非晶硅電池的優(yōu)勢(shì)。”
改良西門子工藝面臨挑戰(zhàn)
盡管薄膜非晶硅電池在短期內(nèi)還無法撼動(dòng)晶體硅電池的主流地位，但在多晶硅領(lǐng)域內(nèi)，目前居于主導(dǎo)地位的改良西門子法也面臨其他工藝路線的挑戰(zhàn)。
六九硅業(yè)有限公司總經(jīng)理張?jiān)潞驮诮邮堋吨袊?guó)電子報(bào)》記者采訪時(shí)表示：“在多晶硅生產(chǎn)領(lǐng)域，改良西門子法是目前占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的工藝路線，其產(chǎn)量占世界總量的80%左右。但我國(guó)很多廠家所采用的改良西門子技術(shù)尚處于第一代工藝，其缺點(diǎn)是能耗高、有害廢棄物多。”據(jù)張?jiān)潞徒榻B，六九硅業(yè)采用新硅烷法生產(chǎn)多晶硅，與改良西門子法所采用的三氯氫硅工藝相比，其原材料豐富易得、耗電量小、生產(chǎn)率高，同時(shí)還不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。
冶金法(又稱“物理法”)則是多晶硅生產(chǎn)領(lǐng)域的另一個(gè)挑戰(zhàn)者，其最大的優(yōu)勢(shì)在于低成本，但其純度要滿足光伏電池所需的6N(即99.9999%)級(jí)，技術(shù)難度還是很高。冶金法太陽級(jí)多晶硅產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長(zhǎng)史?博士告訴記者，2008年前，冶金法多晶硅只在私下被大多數(shù)光伏企業(yè)用來與西門子法多晶硅進(jìn)行摻料生產(chǎn)，以降低成本,除了阿特斯和QCell等寥寥幾家公司外，幾乎沒有人對(duì)外宣布自己在使用冶金法多晶硅；不過，冶金法工藝也在開始走向成熟，在2009年，包括賽維、尚德、常州天合等在內(nèi)的多家光伏巨頭，紛紛宣布自己采用了冶金法多晶硅。在國(guó)內(nèi)，采用冶金法多晶硅生產(chǎn)的太陽能電池也已經(jīng)投入使用。據(jù)史?介紹，2009年12月，全部用寧夏銀星生產(chǎn)的冶金法多晶硅材料制作的10MW光伏電站在寧夏太陽山并網(wǎng)發(fā)電；2010年5月，上海普羅采用自己生產(chǎn)的冶金法多晶硅生產(chǎn)的全多晶硅電池光伏電站業(yè)并網(wǎng)發(fā)電，容量為1MW；寧夏發(fā)電集團(tuán)2010年將在紅寺堡、高沙窩等地再建100MW的全部采用冶金法多晶硅的光伏電站；此外，國(guó)內(nèi)也有不少機(jī)場(chǎng)、移動(dòng)基站、廠房屋頂開始采用冶金法多晶硅生產(chǎn)的太陽能電池。“無論采用哪種工藝路線，能否實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化才是多晶硅生產(chǎn)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。”沈祖祥說，“作為一種成熟的工藝，改良西門子法也還有繼續(xù)改良的余地。即便是美國(guó)、德國(guó)、日本的多晶硅廠家，他們對(duì)技術(shù)進(jìn)步的探索也還在繼續(xù)，改良西門子法的道路還沒有走到盡頭。”
副產(chǎn)物處理也需做選擇題
對(duì)生產(chǎn)過程中副產(chǎn)物的重復(fù)利用就是“繼續(xù)改良”的課題之一。在用改良西門子法生產(chǎn)多晶硅的過程中，主要副產(chǎn)物為四氯化硅。每生產(chǎn)1千克多晶硅將產(chǎn)生10-15千克四氯化硅。可以說，對(duì)副產(chǎn)物四氯化硅的處理是多晶硅產(chǎn)業(yè)的一個(gè)瓶頸問題。“在改革開放之初，我國(guó)曾經(jīng)有數(shù)十個(gè)多晶硅項(xiàng)目，但后來紛紛下馬，一個(gè)重要原因是四氯化硅的問題沒有得到解決。”沈祖祥說。
據(jù)四川新光硅業(yè)科技有限責(zé)任公司總經(jīng)理陳紹章介紹，國(guó)際上，四氯化硅副產(chǎn)物的綜合利用主要有兩個(gè)方向，一個(gè)發(fā)展方向是用四氯化硅作原材料生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品，包括白炭黑、硅酸乙酯、光纖預(yù)制棒和有機(jī)硅等；另一個(gè)發(fā)展方向就是在多晶硅生產(chǎn)過程中把四氯化硅轉(zhuǎn)化為三氯氫硅，對(duì)四氯化硅進(jìn)行循環(huán)利用。
對(duì)于前一個(gè)發(fā)展方向，由于中國(guó)的多晶硅產(chǎn)業(yè)還處于起步階段，還沒有形成副產(chǎn)物加工處理的產(chǎn)業(yè)鏈條，同時(shí)，在生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的過程中不可避免地還會(huì)產(chǎn)生新的副產(chǎn)物，如鹽酸，因此，這種處理方式還面臨很多難題。“近幾年來，中國(guó)多晶硅產(chǎn)業(yè)呈幾何級(jí)數(shù)發(fā)展，預(yù)計(jì)今年的產(chǎn)量將超過4萬噸，因此，將產(chǎn)生40萬噸～60萬噸四氯化硅副產(chǎn)物。采用生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的方法無論如何都無法容納如此巨量的四氯化硅。”陳紹章說。
目前，我國(guó)對(duì)四氯化硅進(jìn)行循環(huán)利用的氫化技術(shù)已經(jīng)成熟。對(duì)四氯化硅進(jìn)行循環(huán)利用也存在兩條技術(shù)路線。一條路線是冷氫化技術(shù)，就是在高壓和低溫(550℃)的條件下用硅粉、氫氣和氯化氫與四氯化硅進(jìn)行反應(yīng)；另一條路線是熱氫化技術(shù)，就是在1200℃的溫度下用氫氣與四氯化硅進(jìn)行反應(yīng)。
陳紹章對(duì)熱氫化和冷氫化兩種工藝進(jìn)行了比較，他說；“在實(shí)際生產(chǎn)中，四氯化硅熱氫化的一次轉(zhuǎn)換率達(dá)到20%，循環(huán)過程中每產(chǎn)生1千克三氯氫硅耗電量約為3.5千瓦時(shí)，氫化過程中產(chǎn)生的三氯氫硅和氯化氫都將全部直接回收到系統(tǒng)之中，不需要對(duì)三氯氫硅再次進(jìn)行精餾。通過四氯化硅的熱氫化，每千克多晶硅的生產(chǎn)成本將降低40元。冷氫化工藝的操作壓力很高，并且在氫化過程中要加入硅粉。由于硅粉的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼材，因此對(duì)設(shè)備的磨損也會(huì)很大。此外，加入硅粉會(huì)對(duì)氫化以后的三氯氫硅的質(zhì)量產(chǎn)生影響，還需要對(duì)其進(jìn)行精餾處理。相比之下，熱氫化工藝的反應(yīng)完全是氣相的過程，生成的三氯氫硅純度很高，并且便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行流程控制，其唯一的缺點(diǎn)是能耗會(huì)高于冷氫化工藝。”
