多晶硅：副產(chǎn)物處理多元化 新工藝參與競爭

　　多晶硅是制造晶體硅太陽(yáng)能電池的重要原材料，目前，晶體硅太陽(yáng)能電池在所有光伏電池中所占比例約為85%。在2008年國際金融危機到來(lái)之前，由于多晶硅現貨價(jià)格創(chuàng )下近500美元/千克的“天價(jià)”，很多業(yè)內人士對晶體硅太陽(yáng)能電池乃至多晶硅材料的應用前景產(chǎn)生懷疑。隨著(zhù)近兩年多晶硅價(jià)格回歸理性，尤其是中國多晶硅企業(yè)異軍突起，晶體硅太陽(yáng)能電池的主導地位得以鞏固。不過(guò)，環(huán)保、能耗問(wèn)題一直是多晶硅生產(chǎn)的瓶頸，不同的工藝路線(xiàn)也在多晶硅產(chǎn)業(yè)內部展開(kāi)了競爭。

　　多晶硅仍將維持主流地位

　　2003年以來(lái)，隨著(zhù)中國光伏產(chǎn)業(yè)的高速增長(cháng)，中國多晶硅產(chǎn)業(yè)也迎來(lái)繁榮期。洛陽(yáng)中硅高科技有限公司副總經(jīng)理、多晶硅制備技術(shù)國家工程實(shí)驗室主任嚴大洲在接受《中國電子報》記者采訪(fǎng)時(shí)表示，2005年，我國年產(chǎn)多晶硅產(chǎn)量?jì)H80噸，占世界年總產(chǎn)量的0.5%，且技術(shù)水平低，在國家發(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(zhuān)項》支持下，我國多晶硅產(chǎn)量突飛猛進(jìn)，2006年產(chǎn)量達到287噸，2007年達到1156噸，2008年達到4300噸，2009年達到20230噸。多晶硅作為光伏產(chǎn)業(yè)的基礎材料，在短短的5年內，從打破技術(shù)封鎖和市場(chǎng)壟斷，到產(chǎn)業(yè)規模僅次于美國，完成了過(guò)去計劃經(jīng)濟時(shí)代幾十年要做而一直都未實(shí)現的事情，使我國成為世界多晶硅生產(chǎn)大國之一。“經(jīng)過(guò)最近三五年的努力，中國多晶硅產(chǎn)業(yè)超越了此前30多年的成果，一舉解決了太陽(yáng)能和電子產(chǎn)業(yè)原料長(cháng)期受制于人的被動(dòng)局面。這一輪的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)爆發(fā)式增長(cháng)機會(huì )千載難逢，中國的多晶硅企業(yè)抓住了發(fā)展機遇，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，目前被大多數公司采用的改良西門(mén)子法技術(shù)很成熟，晶體硅太陽(yáng)能電池的光電轉換率比較高，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薄膜非晶硅電池的優(yōu)勢。”

　　改良西門(mén)子工藝面臨挑戰

　　盡管薄膜非晶硅電池在短期內還無(wú)法撼動(dòng)晶體硅電池的主流地位，但在多晶硅領(lǐng)域內，目前居于主導地位的改良西門(mén)子法也面臨其他工藝路線(xiàn)的挑戰。

　　六九硅業(yè)有限公司總經(jīng)理張月和在接受《中國電子報》記者采訪(fǎng)時(shí)表示：“在多晶硅生產(chǎn)領(lǐng)域，改良西門(mén)子法是目前占絕對優(yōu)勢的工藝路線(xiàn)，其產(chǎn)量占世界總量的80%左右。但我國很多廠(chǎng)家所采用的改良西門(mén)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。”據張月和介紹，六九硅業(yè)采用新硅烷法生產(chǎn)多晶硅，與改良西門(mén)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 )對環(huán)境產(chǎn)生污染。

　　冶金法(又稱(chēng)“物理法”)則是多晶硅生產(chǎn)領(lǐng)域的另一個(gè)挑戰者，其最大的優(yōu)勢在于低成本，但其純度要滿(mǎn)足光伏電池所需的6N(即99.9999%)級，技術(shù)難度還是很高。冶金法太陽(yáng)級多晶硅產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng )新戰略聯(lián)盟理事長(cháng)史博士告訴記者，2008年前，冶金法多晶硅只在私下被大多數光伏企業(yè)用來(lái)與西門(mén)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(méi)有人對外宣布自己在使用冶金法多晶硅;不過(guò)，冶金法工藝也在開(kāi)始走向成熟，在2009年，包括賽維、尚德、常州天合等在內的多家光伏巨頭，紛紛宣布自己采用了冶金法多晶硅。

　　在國內，采用冶金法多晶硅生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池也已經(jīng)投入使用。據史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(yáng)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，國內也有不少機場(chǎng)、移動(dòng)基站、廠(chǎng)房屋頂開(kāi)始采用冶金法多晶硅生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池。“無(wú)論采用哪種工藝路線(xiàn)，能否實(shí)現產(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(shuō)，“作為一種成熟的工藝，改良西門(mén)子法也還有繼續改良的余地。即便是美國、德國、日本的多晶硅廠(chǎng)家，他們對技術(shù)進(jìn)步的探索也還在繼續，改良西門(mén)子法的道路還沒(méi)有走到盡頭。”

　　副產(chǎn)物處理也需做選擇題

　　對生產(chǎn)過(guò)程中副產(chǎn)物的重復利用就是“繼續改良”的課題之一。在用改良西門(mén)子法生產(chǎn)多晶硅的過(guò)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?？梢哉f(shuō)，對副產(chǎn)物四氯化硅的處理是多晶硅產(chǎn)業(yè)的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。“在改革開(kāi)放之初，我國曾經(jīng)有數十個(gè)多晶硅項目，但后來(lái)紛紛下馬，一個(gè)重要原因是四氯化硅的問(wèn)題沒(méi)有得到解決。”沈祖祥說(shuō)。

　　據四川新光硅業(yè)科技有限責任公司總經(jīng)理陳紹章介紹，國際上，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、光纖預制棒和有機硅等;另一個(gè)發(fā)展方向就是在多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中把四氯化硅轉化為三氯氫硅，對四氯化硅進(jìn)行循環(huán)利用。

　　對于前一個(gè)發(fā)展方向，由于中國的多晶硅產(chǎn)業(yè)還處于起步階段，還沒(méi)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(guò)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(lái)，中國多晶硅產(chǎn)業(yè)呈幾何級數發(fā)展，預計今年的產(chǎn)量將超過(guò)4萬(wàn)噸，因此，將產(chǎn)生40萬(wàn)噸～60萬(wàn)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(wú)論如何都無(wú)法容納如此巨量的四氯化硅。”陳紹章說(shuō)。

　　目前，我國對四氯化硅進(jìn)行循環(huán)利用的氫化技術(shù)已經(jīng)成熟。對四氯化硅進(jìn)行循環(huán)利用也存在兩條技術(shù)路線(xiàn)。一條路線(xiàn)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;另一條路線(xiàn)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。

　　陳紹章對熱氫化和冷氫化兩種工藝進(jìn)行了比較，他說(shuō);“在實(shí)際生產(chǎn)中，四氯化硅熱氫化的一次轉換率達到20%，循環(huán)過(guò)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(guò)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之中，不需要對三氯氫硅再次進(jìn)行精餾。通過(guò)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(guò)程中要加入硅粉。由于硅粉的硬度遠遠大于鋼材，因此對設備的磨損也會(huì )很大。此外，加入硅粉會(huì )對氫化以后的三氯氫硅的質(zhì)量產(chǎn)生影響，還需要對其進(jìn)行精餾處理。相比之下，熱氫化工藝的反應完全是氣相的過(guò)程，生成的三氯氫硅純度很高，并且便于計算機進(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。”