多晶硅生產(chǎn)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述

1、豳霍冒蠶疆圜圖圜2008年第7卷第2期多晶硅生產(chǎn)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述口鄭春蕊李艷陳志耕王程【摘要】本文首先對多晶硅的基本定義、生產(chǎn)工藝技術(shù)和國內(nèi)外多晶硅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，然后通過分析國內(nèi)外多晶硅市場的情況對多晶硅產(chǎn)業(yè)的市場前景進(jìn)行了預(yù)測。最后介紹我國多晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展的情況，并指出了多晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展中需要調(diào)整的一些問題。【關(guān)鍵詞】多晶硅；生產(chǎn)工藝；產(chǎn)業(yè)【作者單位】鄭春蕊、李艷、陳志耕、王程，石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院材料科學(xué)與工程研究所多晶硅是制造硅拋光片、

2、太陽能電池及高純硅制品的主要原料，是半導(dǎo)體工業(yè)、電子信息產(chǎn)業(yè)、太陽能光伏電池產(chǎn)業(yè)的最主要、最基礎(chǔ)的功能性材料，是硅產(chǎn)業(yè)鏈中極其重要的一個中間產(chǎn)品。一、多晶硅概述多晶硅的定義：當(dāng)熔融的單質(zhì)硅凝固時，硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶硅。多晶硅按純度分類可以分為冶金級(金屬硅)、太陽能級、電子級。多晶硅產(chǎn)品的主要用途：(1)可做成太陽能電池，將輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?2)高純的晶體硅是重要的半導(dǎo)體材

3、料；(3)金屬陶瓷、宇宙航行的重要材料；(4)光導(dǎo)纖維通信，最新的現(xiàn)代通信手段；(5)性能優(yōu)異的硅有機(jī)化合物。二、多晶硅的生產(chǎn)工藝(一)冶金級硅的生產(chǎn)工藝簡介。在當(dāng)前世界應(yīng)用最多的傳統(tǒng)電弧爐過程中，塊狀的硅石與作為還原劑的碳(它可以是煤、焦炭或活性炭)起化學(xué)反應(yīng)，這些還原劑中雜質(zhì)的含量至少比氧化硅中的雜質(zhì)高出一個數(shù)量級。它的總反應(yīng)式：Si022C=si2C0；實際上在爐內(nèi)各溫區(qū)的反應(yīng)順序復(fù)雜得多。(二)高純多晶硅的生產(chǎn)工藝簡介。從冶金級

4、硅生產(chǎn)半導(dǎo)體級多晶硅有兩個主要的方法：用氯硅烷(主要是siHa3)或硅烷(SiH‘)。1改良西門子法。1955年，西門子公司成功開發(fā)了利用心還原SjHa3，在硅芯發(fā)熱體上沉積硅的工藝技術(shù)，這就是通常所說的西門子法。改良西門子法是目前生產(chǎn)多晶硅最為成熟、投資風(fēng)險最小、最容易擴(kuò)建的工藝，所生產(chǎn)的多晶硅占當(dāng)今世界生產(chǎn)總量的7080％。改良西門子法生產(chǎn)多晶硅屬高能耗的產(chǎn)業(yè)，其中電力成本約占總成本的70％左右。2硅烷法。硅烷法與改良西門子法接近，

5、只是中間產(chǎn)品不同，改良西門子法的中問產(chǎn)品是SiHQ3，而硅烷法的中間產(chǎn)品是SiH‘。SiH是以sla氫化法、硅合金分懈法、氫化物還原法、硅的直接氫化法等方法來制取，然后將制得的硅烷氣提IndustriaI&Scien∞Tribune巨圓純后在熱分解爐中生產(chǎn)純度較高的棒狀多晶硅。3流態(tài)化床法。該方法是以siCl4、li2、HO和工業(yè)硅為原料，在高溫高壓流化床內(nèi)(沸騰床)生成SiHCl3，將SiHCI，再進(jìn)一步歧化加氫反應(yīng)生成Sill：a2

6、，繼而生成硅烷氣。制得的硅烷氣通入加有小顆粒硅粉的流化床反應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行連續(xù)熱分解反應(yīng)，生成粒狀多晶硅產(chǎn)品。因此該方法比較適合大規(guī)模生產(chǎn)太陽能級多晶硅。4冶金法。冶金法的主要工藝是：選擇純度較好的工業(yè)硅進(jìn)行水平區(qū)熔單向凝固成硅錠，除去硅錠中金屬雜質(zhì)聚集的部分和外表部分后，進(jìn)行粗粉碎與清洗，在等離子體融解爐中除去硼雜質(zhì)，再進(jìn)行第二次水平區(qū)熔單向凝固成硅錠，之后除去第二次區(qū)熔硅錠中金屬雜質(zhì)聚集的部分和外表部分，經(jīng)粗粉碎與清洗后，在電子束融解爐中

7、除去磷和碳雜質(zhì)，直接生成出太陽能級多晶硅。除此之外還有區(qū)域熔化提純法、汽一液沉積法、鋁熱還原法、常壓碘化學(xué)氣相傳輸凈化法和碳熱還原反應(yīng)法等。三、國內(nèi)外多晶硅市場供求現(xiàn)狀及趨勢預(yù)測從國際市場上來看，生產(chǎn)方面，未來多晶硅增加的產(chǎn)量來源于以下幾個方面：傳統(tǒng)大廠的擴(kuò)產(chǎn)、新進(jìn)入廠商的產(chǎn)量、物理法等新技術(shù)增加的產(chǎn)量。(一)對傳統(tǒng)七大廠具體分析。除了Miti肌bislli基本沒有擴(kuò)產(chǎn)外，其他各廠均有一定程度的擴(kuò)產(chǎn)。REC(以前的Mi砌)200r7年基

8、本沒有產(chǎn)能擴(kuò)張，但在2008年產(chǎn)能增加一倍，從l，500t擴(kuò)到3，000t；Hemlock的MicHgan工廠產(chǎn)能分兩步擴(kuò)至每年3，500t，一期2008年1月完成，2009年完工開始生產(chǎn)；W∞ker的太陽能級硅料產(chǎn)能從2，800t增加到5，500t；勃格豪森廠投資兩億歐元，產(chǎn)能每年2，500t，2006年開始，2007年底投產(chǎn)；SGS，從2，200t擴(kuò)展到8，500t，且全部是太陽能級硅材料，在2008年將是全球最大的太陽能級硅料供應(yīng)

9、商；從2009年和2010年的情況看，老牌企業(yè)Hehnlock則分別以9，500t和14，000t的產(chǎn)能位踞榜首。預(yù)計傳統(tǒng)大廠太陽能級硅料產(chǎn)能在2008年翻番，2010年達(dá)到40。350t。(二)新技術(shù)增加的產(chǎn)能。鑒于硅料價格的高漲，不少企55萬方數(shù)據(jù)弦誓蛋弱豳圖齟2008年第7卷第2期業(yè)開始嘗試用冶金法等新方法生產(chǎn)硅料。從整理的數(shù)據(jù)看。包括冶金法、流態(tài)化床法、硅烷法等各種新技術(shù)的計劃產(chǎn)能也已經(jīng)超過10，000t。只要這些產(chǎn)能中的一部分

10、釋放，對市場的沖擊都非常大。(三)新廠商增加產(chǎn)能。除去原有大廠和采用新技術(shù)的企業(yè)，采用西門子法的新廠規(guī)模亦相當(dāng)大。其中，中國的規(guī)劃產(chǎn)能最高，超過25萬噸。韓國、俄羅斯、西班牙等國的新廠計劃產(chǎn)能總和也超過5，000t。從需求來看，據(jù)有關(guān)預(yù)測，2007年到2010年全球P、，需求量分別為2，337mw、3，433mw、4，647刪和6，409mw(數(shù)據(jù)來源：國金證券研究所報告)。假設(shè)每瓦硅料平均用料降低至9克／瓦水平，再假設(shè)無多晶硅材料供應(yīng)

11、的限制，2010年全球太陽能電池多晶硅材料需求量達(dá)到約60，000t。另加半導(dǎo)體消耗約30，000t，總消耗約90，000t。從供求狀況來看，到20lO年世界多晶硅市場供求基本平衡。從我國市場情況看，生產(chǎn)方面，近兩年有十幾個多晶硅大項目宣布動工或投產(chǎn)。具體見表l：表1我國多晶硅生產(chǎn)分布除此之外，各省還有一些規(guī)模較小的項目，根據(jù)有關(guān)資料整理計算，它們的產(chǎn)能(按照一期工程計算)初步統(tǒng)計已達(dá)25萬多噸。從需求角度看，預(yù)計到2010年，中國電子

12、級多晶硅年需求量將達(dá)到約2000t，光伏級多晶硅年需求量將達(dá)到約4，200t。盡管現(xiàn)在我國建設(shè)的多晶硅項目很多，但目前我國尚未完全掌握西門子法的大生產(chǎn)技術(shù)，即使這些項目按時建成，也需要2—3年才能正常達(dá)產(chǎn)。而非西門子法生產(chǎn)技術(shù)，國內(nèi)尚在研究開發(fā)階段。因此，我們對國內(nèi)多晶硅工業(yè)產(chǎn)能只能進(jìn)行保守測算。在2010年預(yù)計基本能達(dá)到供需平衡。四、我國多晶硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r56我國的多晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展較慢。至2005年國內(nèi)多晶硅的實際產(chǎn)量僅有160t。到

13、2006年產(chǎn)能達(dá)到了400t。所需的多晶硅有95％要依靠國外高價進(jìn)口。受供需矛盾影響。在2005年2006年的兩年間，國內(nèi)建設(shè)了一大批多晶硅項目。但也應(yīng)同時看到，當(dāng)前我國多晶硅工程投資過熱，多晶硅產(chǎn)能將有可能面臨嚴(yán)重過剩的局面。多晶硅是高投入、高耗能、高風(fēng)險、回收期長的產(chǎn)業(yè)，在發(fā)展多晶硅產(chǎn)業(yè)時應(yīng)注意以下幾個問題：(一)避免低水平重復(fù)建設(shè)。目前，由于多晶硅市場價格的巨額漲幅而吸引了很多的投資。近兩年以來，我國有十幾個多晶硅大項目宣布動工或

14、投產(chǎn)。根據(jù)統(tǒng)計，截止到2006年底國內(nèi)共有17個省上馬和籌建約35個多晶硅項目。它們的產(chǎn)能(按照一期工程計)初步統(tǒng)計已達(dá)55萬多噸，預(yù)計投放的資金多達(dá)400億元以上。近幾年國內(nèi)多晶硅實際需求量在l萬噸左右，對已有基礎(chǔ)條件的多晶硅生產(chǎn)企業(yè)，應(yīng)加大產(chǎn)業(yè)化新技術(shù)的突破，避免低水平的重復(fù)建設(shè)。(二)大力發(fā)展我國多晶硅技術(shù)。盡管國內(nèi)很多企業(yè)都開始涉及這一領(lǐng)域，或進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)能。然而由于技術(shù)的落后，發(fā)展多晶硅也面臨諸多問題。中科院多晶硅材料專家表示

15、，目前多晶硅生產(chǎn)的核心技術(shù)還掌握在國外企業(yè)手中。大規(guī)模生產(chǎn)及副產(chǎn)品回收一直是中國企業(yè)的最大難題。大部分企業(yè)都沒有化工產(chǎn)業(yè)的背景，有些企業(yè)一開始就要搞萬噸級項目，很難克服規(guī)?；a(chǎn)中的技術(shù)難題。而多晶硅精密度要求非常高，生產(chǎn)過程中又有大量易燃易爆氣體存在，如果回收工藝不成熟，三氯氫硅、四氯化硅、氯化氫、氯氣等有害物質(zhì)極有可能外溢，存在重大的安全和環(huán)境隱患。因此，要打破國外技術(shù)封鎖，自力更生發(fā)展多晶硅產(chǎn)業(yè)，首先要保證工廠的先進(jìn)裝備和工藝技術(shù)

16、水平，以及產(chǎn)品的高質(zhì)量和低成本。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，國家有關(guān)部門應(yīng)組織國內(nèi)硅工業(yè)生產(chǎn)的科技力量，盡快對以下關(guān)鍵技術(shù)組織重點攻關(guān)：(1)先進(jìn)的三氯氫硅生產(chǎn)技術(shù)；(2)多級精餾技術(shù)和設(shè)備；(3)大型節(jié)能還原爐技術(shù)；(4)生產(chǎn)過程廢棄物的循環(huán)利用技術(shù)；(5)貫穿生產(chǎn)線節(jié)能和清潔生產(chǎn)技術(shù)。并在全生產(chǎn)過程中實現(xiàn)閉環(huán)清潔生產(chǎn)，應(yīng)達(dá)到降低電耗和硅、氫、氯等原料消耗，降低成本，使產(chǎn)品具有國際競爭能力，質(zhì)量應(yīng)符合目前和未來超大規(guī)模集成電路和太陽能電池的要求

17、。(三)結(jié)合產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀建設(shè)多晶硅生產(chǎn)項目。多晶硅是高投入、高耗能產(chǎn)業(yè)，項目選址必須兼顧硅、煤炭和氯堿資源。大規(guī)模的太陽能級多晶硅生產(chǎn)線不宜走孤立建設(shè)之路，應(yīng)該在已形成太陽能電池產(chǎn)品鏈雛形的地區(qū)或具備大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)的地區(qū)，實施3，000t以上的多晶硅項目。形成以工業(yè)硅為基礎(chǔ)，多晶硅生產(chǎn)基地單晶硅生產(chǎn)線太陽能電池組件封裝的太陽能電池產(chǎn)品鏈。【參考文獻(xiàn)】1郭瑾，李積和。國內(nèi)外多晶硅工業(yè)現(xiàn)狀[J]上海有色金屬，2007，3：20一252于站良