多晶硅生產技術發展方向探討

何興財

【摘要】多晶硅是單晶硅中最重要的形式之一。由于它的半導體特性，它已被廣泛應用于微電子工業和光伏產業。隨著光伏產業的快速發展和太陽能電池對多晶硅需求的快速增長，世界各國都在競相開發低成本、低能耗的太陽能級多晶硅的新技術和技術，并傾向于制備低純度的太陽能級多晶硅工藝和制造。采用高純度電子級多晶硅技術，進一步降低了成本。

【關鍵詞】多晶硅；生產技術；發展方向

一、多晶硅的生產工藝

目前多晶硅的生產技術主要包括：改良西門子法、物理冶金法和硅烷法。改良西門子法能耗較高在80-200kWh/kg，純度可以達到電子級多晶硅標準9N-12N；物理冶金法雖然能耗較低為30-50kWh/kg，但是純度只能做到5N-6N，而且生產出的多晶硅存在純度不均勻，產出的電池存在轉換效率衰減等問題；硅烷法可以生產12N以上的電子級多晶硅，但是硅烷屬于易燃易爆物質，存在一定的安全隱患。改良西門子法因技術相對成熟，可以相對較低的成本生產出高純度的多晶硅，是目前多晶硅生產的主流技術，占全球多晶硅產能的80%，在中國的多晶硅產能中份額超過90%。

二、多晶硅生產三種技術方法

（一）改良西門子法

基于西門子法工藝，經過加大還原尾氣干法回收系統和四氫氯化硅氧化工藝。實現閉路循環，則構成改良西門子法，即閉環式三氯氫硅還原法。該方法主要有三氯硅烷合成、三氯硅烷蒸餾提純、三氯硅烷還原、尾氣回收、四氯化硅的氫化分離。

（二）硅烷流化床法

流化床工藝是美國聯合碳公司在早期制備的多晶硅技術。該方法采用四氯化硅、氫氣、氯化氫以及工業硅作為原料，在高溫高壓流化床（沸騰床）中生成三氯氫硅，然后再將三氯氫硅再深一步生成二氯二氫硅，然后生成硅烷氣體。將硅烷氣添加到流化床反應器中，用小顆粒硅粉進行連續熱分解反映，形成粒狀多晶硅產品。由于流化床反應器中硅的表面積較大，因此該方法生產效率高，功耗低，成本低。然而，工藝和設備的安全性很高，關鍵設備的材料也很高。否則，產品的純度將受到嚴重影響。該方法適用于低成本的太陽能多晶硅的大規模生產。

（三）氣液沉積技術

在初期，日本研制并掌握了氣液沉積法。在一個管狀反應器中，液態硅是由1500攝氏度的高溫氣體直接產生的，因為它的反應溫度更高，而與現有的改進的西門子方法相比，它有更快的沉降速度。主要的工藝是通過氯氣和二氧化硅的反應，通過氯氣和二氧化硅的反應生成四氯化硅。四氯化硅分離和萃取后，在氣液沉積反應器中產生多晶硅液滴。工業硅不再是工藝的起始原料，它的原材料是二氧化硅。從工藝入手，將二氧化硅熔煉成工業硅粉，可以有效地節省硅粉，使整個多晶硅工藝大大降低。四氯化硅的純化效果會更好，純度高。這不僅能有效降低多晶硅的生產成本，而且能生產出更高純度的多晶硅。因此，在未來的生產中，需要進一步開發和整合該技術，關鍵是氣液沉積和四氯化硅技術的研究與開發。在三種多晶硅制備方法中，改進的西門子法和硅烷法占總市場的99%，而汽液沉積法只占市場的1%，其中絕大多數處于實驗狀態。

三、改良西門子法與硅烷流化床法比較

（一）工藝技術方案比較

用于批量多晶硅生產的改進的西門子方法具有以下優點：由于改進的西門子方法，使用多棒和大直徑還原爐能夠有效地降低還原爐消耗的電能，改進的西門子方法能夠有效地回收還原尾氣并降低材料消耗。由于改進的西門子方法是一個封閉的電路系統，多晶硅生產中的各種材料都得到了充分的利用，廢料很少。與傳統的西門子法律相比，污染已經得到控制，環境得到了保護。硅烷流化床工藝生產的粒狀多晶硅具有生產快、效率高、成本低的特點；生產過程節能，耗電量小；連續不間斷生產；閉路生產和三廢排放；產品方案可根據市場情況進行調整，其中間產品三氯硅烷和硅烷可以作為產品銷售。

（二）產品在下游光伏產線的應用

在多晶硅下游的晶體生長過程中，使用大塊硅可以保證晶體的質量，為后續電池的轉換效率提供良好的基礎。但是，有一些潛在的風險因素，如負荷能力較低和二次進料不方便，對生產效率、生產率和生產都有很大影響。如果使用顆粒硅，加載時間的可以提高生產效率，但由于顆粒小于散裝硅，硅和吸塵鏈接的質量更輕的水晶，可以將原料顆粒飛濺造成的顆粒硅，這可能會導致生產不安全、不穩定過程。目前顆粒多晶硅純度低，雜質含量高。使用粒狀硅不能保證產品的質量。為了增加材料的用量，提高生產效率，降低生產成本，可將粒狀多晶硅添加到塊狀材料中，以彌補大塊硅材料之間的間隙，最大限度地增加載荷，節省成本。通過坩堝負荷試驗，與100%西門子散裝材料相比，50%的西門子散裝和50%粒狀多晶硅混合料可使初始坩堝重量增加29.3%，使加載時間減少41%，效益顯著。

四、結語

綜上所述，隨著我國工業發展水平的提高，對多晶硅材料的需求也在不斷增加。然而，由于生產過程的復雜性，很難簡單地按照傳統工藝完成生產。因此，本文分析和改進的西門子法、硅烷流化床技術和氣液沉積技術三種重要的技術方法。結果表明，改進后的西門子法和硅烷流化床法在工藝上是相同的，在下游光伏生產線上相互依賴。因此，這兩種多晶硅制備工藝不能在短時間內被取代，并將共同發展。

參考文獻

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