太陽能級多晶硅生產工藝的現狀與發展

郝連喜

【摘 要】隨著我國太陽能技術不斷發展，多晶硅生產是光伏產業當中的一個核心技術，其越來越被人們所重視。因此，本文詳細探討了太陽能級多晶硅生產工藝現狀和發展趨勢，并且針對當前太陽能級多晶硅生產過程中存在的問題提出科學測量，力求進一步推動太能能級多晶硅生產持續健康的發展。

【關鍵詞】太陽能級;多晶硅生產工藝;現狀;發展

隨著地球上的化石燃料逐漸枯竭以及人們能源需求不斷增長，太陽能是可再生的清潔能源，其受到人們更多的喜愛。太陽能的開發也推動了光伏產業持續健康的發展。當前，世界各太陽能電池生產的廠商產能越來越高，其對硅材料需求量也變多。本文詳細探討了太陽能級多晶硅生產工藝現狀和發展趨勢，并且針對當前太陽能級多晶硅生產過程中存在的問題提出科學測量，力求進一步推動太能能級多晶硅生產持續健康的發展。

一、太陽能級多晶硅的生產工藝

1.1冶金法

冶金法最早是由川崎制鐵（KawasakiSteelCorp）于1996年起，在NEDO的支持下開發的由工業硅生產太陽能級硅的方法。冶金法中對冶金級硅的精煉主要是利用Si與雜質元素物理與化學性質的差別，聯合多種新型制備技術，如電子束真空熔煉煉、區域懸浮熔煉、等離子弧精煉等制備太陽能級多晶硅，并可分為全火法與火法濕法聯合兩類工藝。

全火法由日本JFE公司最先提出，因此也叫JFE工藝，主要步驟為：（1）真空下利用電子束將冶金級硅加熱熔融除P，然后進行定向凝固;（2）在非真空的Ar氣氛圍下，采用等離子槍加熱，并通入氧、水蒸氣除B和C，然后進行第二次定向凝固得到太陽能級多晶硅。

火濕聯合工藝則由挪威的Elkem公司提出，首先是對電爐練出的冶金級硅直接進行火法精煉，即造渣精煉和定向凝固，然后將得到的硅腚進行破碎后進行濕法酸浸除雜。用此法生產的多晶硅主要與電子級的多晶硅進行一定比例的摻配后制備太陽能電池。

1.2改良的西門子法

西門子法是由德國西門子公司于1954年發明，從上世紀60年代起西門子法一直在生產高純硅的領域里占據統治地位，西門子法所生產的硅從質量到數量上都能適應半導體器件發展的需要，同樣，西門法也被大量的用于生產太陽能級的多晶硅。西門子法經歷了一代、二代，最終演變成為現在的第三代生產方法，也稱為改良西門子法，早期西門子法生產過程中產生大量的SiCl4，H2和HCl，不能對這些副產物進行有效利用，而改良的西門子法在第二代的基礎上增加了尾氣干法回收系統和四氯化硅氫化工藝，完全實現了閉環生產，基本不排出廢物。改良西門子法主要分為四個步驟：第一，三氯氫硅的合成與精餾提純;第二，三氯氫硅的氫還原;第三，四氯化硅的氫化分離;第四，還原和氫化尾氣—汽氣混合物的干法回收。

1.3硅烷法

硅烷法顧名思義，是以中間產物硅烷作為氣源，對硅烷進行熱分解來制備多晶硅。硅烷法的主要步驟即為硅烷的制備。按照硅烷的制備方法的不同，可以將硅烷法分為日本Komatsu公司發明的硅化鎂法、美國UnionCarbide公司發明的歧化法和美國MEMC發明的新硅烷法。

硅烷法反應溫度較低，將硅烷法中所使用的硅烷與西門子法的三氯氫硅比較，硅烷含硅量高、分解速率快，分解率高，分解溫度低，能耗低，生成的多晶硅的能耗僅為40kW·h/kg，且硅烷法具有轉化率高，生成副產物少，生成的多晶硅純度高優點。為進一步降低成本，流化床技術被用于硅烷的熱分解，使用流化床后，顯著的提高了硅烷的分解速率和硅沉積速率。REC公司在歧化法中引入流化床式分解爐，先在流化床床內生成SiHCl3，后通過歧化反應制得硅烷，硅烷經純化后在流化床分解爐內進行熱分解生成粒狀多晶硅。

二、多晶硅生產中面臨的問題及對策

在我國多晶硅生產中，改良西門子法面臨的兩大問題即能耗和大量副產物排放污染問題，如何有效解決這兩個問題關乎到多晶硅的生產成本，更關系到環境友好。

2.1多晶硅生產能耗

以鐘罩式還原爐反應器為例，在多晶硅生產的還原工序，還原爐的電耗主要由熱輻射損失，反應所需能耗及對流損失這幾部分組成。據統計，熱輻射損失占到整個還原爐能耗的70%。針對這一情況，Coso提出了通過增大反應器的直徑和硅棒的數量和增加反應器內壁的反射率能夠有效的降低熱輻射損失，另外，由于還原爐冷卻水帶走的熱量占到了還原爐能耗的80%，對這部分能量進行有效的利用同樣能夠大大降低還原爐的能耗。

2.2副產物SiCl4的再利用

由于在我國受到工藝條件的限制，生產1t的多晶硅會產生10-15t左右的四氯化硅，四氯化硅是一種有毒而且具有高腐蝕性的化學品，如果直接排放會對環境造成污染，并且直接排放四氯化硅也是對硅源極大的浪費，對大量的四氯化硅進行轉化利用也能夠大大降低多晶硅的生產成本，目前對四氯化硅的處理主要途徑為氣相法生產高純SiO2和氫化轉化為三氯氫硅重復利用。四川大學陳涵斌提出等離子氫化法，實現了四氯化硅到三氯氫硅的快速、高效轉化。實驗表明：控制反應條件，四氯化硅的最高轉化率達到74%，三氯氫硅選擇性為85%，單程收率超過60%。針對能耗及副產物利用轉化的問題，丘克強提出應將流化床反應器應用于現有西門子工藝中，通過強化傳質傳熱來降低能耗，另一方面，采用低成本的Zn還原法處理副產物四氯氫硅，將多晶硅生產和反應產物的利用轉化有機結合起來。

三、太陽能級多晶硅生產工藝發展趨勢

3.1增加科研經費的投入

為了提升硅材料工業競爭力，需要加強科研方面的投入，其含有國家和企業方面的投入，是是發展硅材料的關鍵。加強研究多晶硅工藝以及設備，特別為新工藝以及新流程方面的研究，進而實現降低消耗和成本，提升質量，確保生態環境的基本要求。另外，還需要構建經濟規模的有著自主知識產權的現代化多晶硅廠。

3.2通過市場為導向，對設備和資源進行優化

硅材料需要走專業化和產業化的發展道路，進而對當前存在分散現狀進行改變。要通過市場作為導向，沖破行業以及地區方面的制約，進而要好的對資源和設備充足。

3.3大力鼓勵中外合資建廠

構建多晶硅廠需要現代化的技術以及大量的資金。合資建廠不僅能夠更好的解決資金共享現代化技術等問題，并且能夠通過國際品牌來進入到國家市場。在比較短的時間當中提高競爭水平。所以，國家需要按照多晶硅的市場需求，對中外合資建設多晶硅廠進行扶持和鼓勵。

四、結束語

隨著市場對多晶硅需求的不斷增長，多晶硅的生產工藝逐步趨于成熟，與此同時新的生產工藝也在不斷涌現，但低成本，低能耗，和高效率及環境友好始終是人們追求的目標，在這個前提下，一方面通過優化操作條件和反應參數，采用高效率的反應器及設計合理的工藝流程來降低現有生產成本。另一方面，在技術成熟的情況下更多的采用低成本的生產工藝如Zn還原法，VLD法等。可以預料到，多晶硅生產成本下降將極大的推動光伏發電的普及，如果我國能順應當前發展的趨勢，探索出一條具有中國特色的低成本太陽能級多晶硅的工藝路線，中國的光伏產業將會贏得極好的發展機遇和戰略優勢，在世界光伏行業奏出華麗的樂章。

【參考文獻】

[1]周鴻軍，張泰生，李紅波，等.鋅還原四氯化硅的產業化應用研究[J].新材料產業，2018（11）：59.

[2]周鴻軍，陳鳴波.鋅還原四氯化硅的產業化應用研究進展[J].新材料產業，2019（8）：15.