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)與多晶硅隨著德國宣布2011年光伏安裝量達到7.5GW，兩大市場研究公司IHSiSuppli和IMSResearch都表示2011年全球光伏新安裝量或?qū)⑦_到26GW，較2010年的17.5GW增長50%。2011年，我國多晶市場行情表現(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)，光伏市場環(huán)境進一步惡化以及上半年下游庫存的彌補，多晶硅價格繼續(xù)走低，并連續(xù)刷新歷史新低。隨著價格不斷下探，國內(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)，市場行情表現(xiàn)慘淡。截止到2011年12月30日，我國西門子法多晶硅已建總產(chǎn)能達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，我國還有9.6萬噸的在建產(chǎn)能，保守估計2012年底我國多晶硅產(chǎn)能將達到17萬噸，產(chǎn)量8-9萬噸。根據(jù)推算，2011年我國太陽能電池片產(chǎn)量大約為18-20GW，較2010年的14.1GW同比增加28.6%-41.8%。2011年，我國多晶硅消費量為13.4萬噸，同比增長57.6%。一、光伏產(chǎn)業(yè)與多晶硅2011年1-11月份，我國共進口多晶硅58543噸，同比增長39.7%。下游大廠擴建是刺激多晶硅進口量增加的關(guān)鍵。2011年，我國多晶硅消費量為13.4萬噸，同比增長57.6%。表2：2006-2011年中國多晶硅供需平衡表（單位：噸）噸200620072008200920102011國內(nèi)多晶硅需求量4,70011,50025,50045,00085,000134,000國內(nèi)多晶硅產(chǎn)量2871,1394,50018,30043,50075,000需要進口多晶硅產(chǎn)量4,41310,11021,00026,70041,50059,000實際進口多晶硅數(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)能預測一、光伏產(chǎn)業(yè)與多晶硅全球光伏發(fā)電裝機量統(tǒng)計與預測圖：2011年全球多晶硅產(chǎn)量為20.1萬噸，同比增長16.8%。以目前中國及國際大廠的擴張速度來推算，2012年保守預估全球多晶硅產(chǎn)能將達到36.56萬噸，而如果幾個主要多晶硅大廠能夠按最快速度完成工廠建設，則全球多晶硅產(chǎn)能有望突破40萬噸。多數(shù)機構(gòu)普遍認為2012年才是全球光伏市場的真正考驗。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)（國外80%、國內(nèi)95%采用該技術(shù)），閉環(huán)清潔生產(chǎn)；有進一步節(jié)能、降耗、減排潛力。硅烷法工藝技術(shù)電耗相對較低，有節(jié)能優(yōu)勢；大規(guī)模生產(chǎn)中的安全風險、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，以實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)和應用多晶硅生產(chǎn)方法對比見下圖：三、改良西門子法多晶硅要達到半導體或太陽能電池對硅材料的高純度要求，目前通用的工藝是采用化學提純的方法制備多晶硅，又稱化學法。全世界85%的多晶硅由改良西門子法生產(chǎn)，可生產(chǎn)電子級與太陽能級多晶硅。改良西門子法的優(yōu)點為工藝較成熟、純度高、能大批量生產(chǎn)、產(chǎn)品可以兼顧電子級與太陽能級多晶硅。缺點為投資大、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)在流化床反應器中反應，生成擬溶解的三氯氫硅(SiHCl3)。其化學反應式為：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。其化學反應公式為：SiHCl3+H2→Si+HCl（4）尾氣回收和SiCl4的氫化分離：SiHC13的氫還原反應，大約三分之一的三氯氫硅發(fā)生反應，并生成多晶硅。氣態(tài)混合物的分離是復雜的、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爭力。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，通過對冶金硅進行造渣、精煉、酸洗（濕法冶金）、定向凝固等方式，將雜質(zhì)去除，生產(chǎn)出太陽能級的多晶硅的方法。由于硅不參加化學反應，所以俗稱物理法。其實整個生產(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反應。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(NingxiaPowerGroup)

單晶電池最高效率達到18.2%，平均效率達到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到17.2%，平均效率達到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16%以上；已經(jīng)向德國、法國、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)研究進展：廈門大學(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(SunYat-cienUniversity)

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

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

在高純金屬硅的制備方面進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(DalianPoly-techUniversity)

在電子除磷方面取得長足的進展。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：