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关于多晶硅产业概况、工艺技术及建议
[日期：2008-04-15] 来源： 作者： [字体：大 中 小]

关于多晶硅产业概况、工艺技术及建议

一、国际多晶硅产业概况
当前，晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占有率在90％以上,而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。多晶硅材料的生产技术长期以来掌握在美、日、德等3个国家7个公司的10家工厂手中，形成技术封锁、市场垄断的状况。
多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池、按纯度要求不同，分为电子级和太阳能级。其中，用于电子级多晶硅占55％左右，太阳能级多晶硅占45％，随着光伏产业的迅猛发展，太阳能电池对多晶硅需求量的增长速度高于半导体多晶硅的发展，预计到2008年太阳能多晶硅的需求量将超过电子级多晶硅。
据悉，美国能源部计划到2010年累计安装容量4600MW，日本计划2010年达到5000MW，欧盟计划达到6900MW，预计2010年世界累计安装量至少18000MW。
世界半导体与太阳能多晶硅需求紧张，主要是由于以欧洲为中心的太阳能市场迅速扩大，目前，多晶硅供应不平衡的局面将为愈演愈烈，多晶硅价格方面半导体级与太阳能级原有的差别将逐步减小甚至消除，2007年世界太阳能电池产量1.5GW，如果以1MW用多晶硅12吨计算，共需多晶硅是1.8万吨，2007－2010年世界太阳能电池平均年增长率在25％，到2010年全世界半导体用于太阳能电池用多晶硅的年总的需求量将超过6.3万吨。
世界多晶硅主要生产企业有日本的Tokuyama、三菱、住友公司、美国的Hemlock、Asimi、SGS、MEMC公司，德国的Wacker公司等，其年产能绝大部分在1000吨以上，其中Tokuyama、Hemlock、Wacker三个公司生产规模最大，年生产能力均在3000－5000吨。
二、中国多晶硅产业概况
　　随着信息技术和太阳能产业的飞速发展，全球对多晶硅的需求增长迅猛，市场供不应求。世界多晶硅的产量2005年为28750吨，其中半导体级为20250吨，太阳能级为8500吨。半导体级需求量约为19000吨，略有过剩；太阳能级的需求量为15600吨，供不应求。近年来，全球太阳能电池产量快速增加，直接拉动了多晶硅需求的迅猛增长。全球多晶硅由供过于求转向供不应求。受此影响，作为太阳能电池主要原料的多晶硅价格快速上涨。
　　中国多晶硅工业起步于20世纪50年代，60年代中期实现了产业化，到70年代，生产厂家曾经发展到20多家。但由于工艺技术落后，环境污染严重，消耗大，成本高等原因，绝大部分企业亏损而相继停产或转产。到目前为止，国内有多晶硅生产条件的单位有洛阳中硅高科技有限公司、峨嵋半导体材料厂（所）、四川新光硅业科技有限责任公司3家企业。
　　中国集成电路和太阳能电池对多晶硅的需求快速增长，2005年集成电路产业需要电子级多晶硅约1000吨，太阳能电池需要多晶硅约1400吨；到2010年，中国电子级多晶硅年需求量将达到约2000吨，光伏级多晶硅年需求量将达到约4200吨。而中国多晶硅的自主供货存在着严重的缺口，95%以上多晶硅材料需要进口，供应长期受制于人，再加上价格的暴涨，已经危及到多晶硅下游众多企业的发展，成为制约中国信息产业和光伏产业产业发展的瓶颈问题。
　　由于多晶硅需求量继续加大，在市场缺口加大、价格不断上扬的刺激下，国内涌现出一股搭上多晶硅项目的热潮。多晶硅项目的投资热潮，可以说是太阳能电池市场迅猛发展的必然结果，但中国硅材料产业一定要慎重发展，不能一哄而上；关键是要掌握核心技术，否则将难以摆脱受制于人的局面。
　　作为高科技产业，利用硅矿开发多晶硅，产业耗能大，电力需求高。目前电价已成为中国大多数硅矿企业亟待突破的瓶颈之一。因此中国大力发展多晶硅产业，亟需在条件成熟的地方制定电价优惠政策，降低成本。
由于需求增加快速，但供给成长有限，预估多晶硅料源的供应2007年将是最严重缺乏的一年，预计到2009年，全世界多晶硅的年需求量将达到6.5万吨。在未来的3至5年间，也就是在中国的“十一五”期间，将是中国多晶硅产业快速发展的黄金时期。
三、世界主要多晶硅厂家生产情况
由于多晶硅供应紧张，世界各多晶硅厂家计划2008年以后大幅增加多晶硅产能。2004年半导体用多晶硅需求1.9万吨，太阳电池用8000吨，合计2.7万吨。供需基本平衡。
日本信越半导体、三菱住友硅等公司表示今后将大幅增加生产300mm硅片的设备，夏普、京瓷等太阳电池厂家也计划增加产能，因此多晶硅供应将持续紧张。多晶硅厂家一直将向半导体供应作为重点，而限制向太阳电池的供应，这样有可能限制太阳电池的发展。
预计2005年全球多晶硅产能将达3万吨，比2004年增加4％。半导体用多晶硅需求将增加5％，预计为2万吨。太阳电池用多晶硅需求估计占产量的50％以上，但很可能会受到限制。
今后计划增加产能的公司有美国黑姆洛克公司，计划增加3000吨；德国的瓦克多晶硅公司，计划增加1500吨。因此至2007年，多晶硅产能将比2005年的3万吨增加5000吨，达35000吨。其中半导体用2.1万吨，太阳电池用1.4万吨。
世界各大多晶硅厂家2005年和2006年的生产计划如下表所示：
2005年末 用途 2006年末 用途
产能（计划） 半导体 太阳能 产能（计划） 半导体 太阳能
德山曹达（日） 5200 （5200） 3800 1400 5400 （5400） 3800 1600
三菱材料（日） 1600 （1600） 1400 200 1600 （1600） 1400 200
住友（日） 700 （700） 700 0 700 （700） 700 0
三菱多晶硅（美） 1200 （1200） 1100 100 1200 （1200） 1100 100
黑姆洛克（美） 7400 （7400） 5200 200 10000（9000） 6000 3000
先进硅（美） 3000 （3000） 2800 200 3300 （3300） 2800 500
SGS（美） 2200 （2200） 0 2200 2200 （2200） 0 2200
瓦克多晶硅（德） 5000 （5000） 3200 1800 5500 （5500） 3200 2300
MEMC（美） 2700 （1500） 1500 0 2700 （1500） 1500 0
MEMC（意） 1000 （1000） 1000 0 1000 （1000） 1000 0
合计 30000（28800） 20700 8100 33600（31400） 21500 9900
美国黑姆洛克公司2005年产量预计为7400吨，比2004年增加400吨。计划2006年春季新增的年产2000吨生产线开工，同年秋季年产lO00吨的生产线也将开始生产。针对半导体厂家增加300mm设备的措施，该公司计划增加半导体用多晶硅产量。2008年前是否上马数千吨规模的新法制造多晶硅生产线的问题正在论证。
日本德山曹达公司2005年产量预计为5200吨，比2004年增加400吨。该公司用新法(VDL法)生产太阳电池用多晶硅的试验厂(年产200吨)已于2005年2月开始兴建，计划2006年初提供样品。若试验成功，最快将在2007年底前建成数千吨规模的批量生产线，2008年将供应产品。
德国瓦克多晶硅公司目前产能为5000吨，计划到2006年底增加至5500吨，到2007年底增加至6500吨。2008年增加3000吨，届时年产能力将达9500吨。
2005年半导体用多晶硅价格约为50-55美元／kg，2004年(40-45美元／kg)上涨20％。太阳电池用价格涨至45-50美元／kg。半导体用和太阳电池用的多晶硅价格差距越来越小。
四、国内多晶硅重点企业
　　1、峨嵋半导体材料厂
峨嵋半导体材料厂、峨嵋半导体材料研究所是在六十年代初期建设的我国第一家从事半导体材料生产、试制、科研相结合的综合性单位，是直属国家有色金属工业局的重点大型骨干企业。厂、所占地400余亩，共有2000多名职工，有雄厚的技术力量，在600多名专业技术人员中，有高级工程师100多名，工程师250多名，拥有一批从五十年代到六十年代初我国最早从事研究、生产半导体硅材料、高纯金属和化合物半导体材料的技术骨干。生产、科研采用先进工艺，有一批国外引进和国内自制的大型高、精、尖设备与仪器，是一个高新技术产品生产单位。厂、所座落在风景秀丽的峨眉山下，高纯气体、高纯试剂及其他产品。有氢气、氧气、氮气、液氮、蒸馏水、螺旋板式换热器、精密阀门、无水乙醇等。主要产品有:单(多)晶硅,硅片,外延片,高纯金属及其氧化物,合金,光纤级四氯化硅,硅酸乙酯,高纯硅管,硅舟等。
2、四川新光硅业科技有限责任公司
四川新光硅业科技有限责任公司承建的年产1260吨多晶硅项目，是由原国家计委在2001年以计高技［2001］522号文批准建设的高技术产业化示范项目，并作为四川省委省政府的“一号工程”，也是目前国家正式批准立项在建的年产千吨多晶硅生产项目。
新光硅业年产1260吨多晶硅产业化工程，概算总投资约 12.9亿元人民币，项目达产后年产值约为6亿元。项目采用了在目前国际上多晶硅生产厂家通用的现代化生产方法——改良西门子工艺技术。其中具有世界先进水平的关键技术:三氯氢硅精馏、大型节能还原炉、四氯化硅氢化、还原尾气干法回收等配套工艺技术。新光硅业多晶硅产品主要用是电子芯片用多晶硅和太阳能电池用多晶硅。项目涉及美国、德国、俄罗斯等国设备与技术和工艺。
　　3、洛阳中硅高科技有限公司
洛阳中硅高科技有限公司是中国有色工程设计院总院以技术入股，同洛阳单晶硅有限公司、洛阳金丰电化集团公司共同组建的有限责任公司。该公司12对高效节能大还原炉样机于2004年1月21日全部完成试验内容，取得成功。生产的多晶硅晶体直径达120mm，长度为2000mm，单炉产量达1480Kg，是目前国内最大的还原炉。该试验的成功，标志着中硅公司年产300吨多晶硅高技术产业化工程建设取得突破性进展，将为扩展到1000吨规模、振兴我国信息产业奠定坚实的基础。
该公司年产300吨多晶硅工程在河南偃师开工建设，该项目总投资2.2亿元人民币，工程建成后将使洛阳成为国内最大的硅材料生产基地。
2007年3月31日，国家科技部组织行业内知名专家在河南省洛阳市对洛阳中硅高科技有限公司承担的国家863课题：“24对棒多晶硅还原炉装置技术研究”进行现场测试和验收。验收意见认为：该装置结构合理，系统先进，操作方便，运行可靠，实现了供料、启动、供电、停炉等全自动控制，是目前国内最大、电耗最低的多晶硅还原炉，各项指标达到或超过了863合同要求；该课题全面、出色地完成了研究任务，多项技术有创新，在中国多晶硅产业化方面取得了重大突破，同意通过验收。
在2006年，中国多晶硅产量仅为290吨，国内市场需求3,800吨以上，大量的多晶硅需求依靠进口，中硅高科的多晶硅产量占当年全国实际总产量的60%以上。
五、多晶硅生产工艺技术分析
多晶硅材料，是指由两个以上尺寸不同的单晶硅组成的硅材料，它的材料性质体现的是各向同性。非晶硅材料，是指硅原子在短距离内有序排列，而在长距离内无序排列的硅材料，其材料的性质也显示各向同性。
目前高纯多晶硅的大规模生产，被美国、日本和德国等少数发达国家所垄断。由于多晶硅的生产必须规模化（至少年产千吨以上）才能赢利，再加技术上的复杂性、专有性和保密性，以及后进入者开发市场困难等因素，建设一座先进且规模化的多晶硅生产企业是相当不容易的。
冶金级硅是制造半导体多晶硅的原料，它由石英砂（二氧化硅）在电弧炉中用碳还原而成。尽管二氧化硅矿石在自然界中随处可见，但仅有其中的少数可以用于冶金级硅的制备。一般来说，要求矿石中二氧化硅的含量应在97%-98%以上，并对各种杂质特别是砷、磷和硫等的含量有严格的限制。在用于制造高纯多晶硅的冶金硅中，除了含有99%以上的硅（Si）外，还含有铁（Fe）、铝(Al)、钙 (Ca)、磷(P)、硼(B)等，它们的含量在百万分之几十个到百万分之一千个（摩尔分数）不等。而半导体硅中的杂质含量应该降到10-9（摩尔分数）的水平，太阳级硅中的杂质含量应降到10-6（摩尔分数）的水平。要把冶金硅变成半导体硅或者太阳能硅，显然不可能在保持固态的状态下提纯，而必须把冶金硅变成含硅的气体，先通过分馏与吸附等方法，对气体提纯，然后再把高纯的硅源的气体，通过化学气相沉积（CVD）的方法转化成为多晶硅。目前生产制造高纯多晶硅的方法，主要有3大流派，即：用SIMENS法（又称SiHCl3法）生产多晶硅棒；用AsiMi法(又称SiH4法)生产多晶硅棒；利用SiH4硅源制造颗粒状多晶硅。
1．SIMENS法（SiHCl3法）生产多晶硅
该法于1954年推出，随即淘汰了当时使用的SiCl4锌还原法，而成为迄今一直使用的方法。它的第一步，是在250-350的温度下让冶金硅粉末和氯化氢在流化床上反应；第二步，是对SiHCl3进行分馏，在这一过程中可以把具有不同沸点的氯化物分离出来；第三步，是硅的沉积。多晶硅反应炉一般均采用单端开口的钟罩形式。通常多晶硅的沉积反应要进行200-300h,使沉积在硅桥上的硅棒直径达到150-200mm.。
2. AsiMi法(SiH4法)制造多晶硅
20世纪60年代末期，AsiMi公司提出了用SiH4作为原料生产多晶硅。利用SiH4原料制造多晶硅棒，一般使用金属钟型罩炉。在高温时，SiH4会分解产生Si与H2，此法的总生产成本要比SiHCl3法为高。
3．颗粒状多晶硅制造技术
此法起源于Ethyl公司的SiH4法。1987年商业化的颗粒状多晶硅开始投入生产。该技术利用流体床反应炉将SiH4分解，而分解形成的硅则沉积在一些自由流动的微细晶种颗粒上，形成粒状多晶硅。由于晶体表面积很大，使得流体床反应炉的效率高于传统的Simens炉，因而其产品的生产成本较低。
上面介绍的高纯多晶硅，是生产制造晶体硅光伏电池的最基本原材料，用它首先制成单晶硅锭或多晶硅锭，然后经切割即成为生产晶体硅光伏电池用的硅片。
1．单硅硅锭
单硅硅锭是生产和制造单晶硅光伏电池的原材料。它通过对高纯多晶硅的熔化，采用熔体直拉法（CZ）或悬浮区熔法（FZ）制取。其直径约为100～300㎜，长度可达1m以上。目前在硅单晶总产量中，80%以上是CZ硅，剩余约20%则主要是FZ硅。FZ法不需要使用坩埚，可以获得电阻率和纯度都很高的硅单晶，但其生产硅单晶的成本高，而且随着硅晶体的大直径化，生产技术也受到限制。
2．铸造多晶硅（mc-si）锭
用铸造多晶硅制造的光伏电池，目前已占到光伏电池总产量的53%左右，成为最主要的光伏电池材料。铸造多晶硅与直拉单晶硅相比其主要优势是材料利用率高，制备成本低；其缺点是具有晶界、高密度位错、微缺陷和相对较高的杂质浓度，使得晶体的质量明显低于硅单晶，从而降低了光电转换效率。
利用铸造技术制备多晶硅锭目前有两种主要工艺:
1.浇铸法
即在一个坩蜗内将高纯多晶硅原料熔化,然后浇铸在另一个经过预热的坩埚内冷却,通过控制冷却速度,采用定向凝固技术制备大晶粒的铸造多晶硅锭。
2．直接熔融定向凝固法
简称直熔法，又称布里奇曼法。即在坩埚内直接将高纯多晶硅熔化，然后通过坩埚底部热交换等方式使熔体冷却，采用定向凝固技术制造多晶硅锭。后一技术在国际产业界得到广泛应用，而前一技术目前只有德国太阳公司和日本京瓷公司等采用。这两种技术，从本质上来讲没有根本区别，都是用铸造法制备多晶硅，其主要区别是采用一只坩埚还是两只坩埚。
六、多晶硅投资项目介绍
1、国外多晶硅项目
德瓦克投资2亿欧元超纯多晶硅新生产厂；Hoku投资2.2亿元美元新建美国爱达荷州多晶硅工厂；日本德山拟投资450亿日元扩建多晶硅新厂；韩国DC化学公司投资2.6亿美元建多晶硅工厂。
　　2、国内多晶硅项目
江苏大全集团于重庆万州投建多晶硅生产基地；南玻集团投资宜昌多晶硅材料及太阳能电池产业项目；上海投建牡丹江3000吨多晶硅项目；江苏阳光一期1500吨多晶硅项目已开工建设；云南爱硅信科技有限公司投资多晶硅项目；美国通用硅材料有限公司投建多晶硅项目落户南昌；青海年产千吨多晶硅项目；徐州中能光伏有限公司多晶硅投产；扬州高邮由江苏顺大半导体发展有限公司投资太阳能级多晶硅料制备的关键技术开发及规模产业化项目获批。
七、多晶硅发展的风险与建议
　　1、多晶硅发展的主要问题
在我国多晶硅产业中虽然出现了可喜的发展势头，但也存在着风险和隐忧。
　　一是多晶硅产能发展规划过大。据不完全统计，目前，国内已有10多个省市，20多家企业在酝酿或者申报多晶硅项目，所公布的设计产能将达到6万吨，超过世界产量的总和。根据2006年12月国家发改委第43号令，批复的17个新能源高技术项目中，仅光伏发电项目就达7个。如果全部达产后，多晶硅产量将会出现供大于求的局面，市场价格难免会一落千丈，相关产业将面临着产业风险。
二是多晶硅的用量相对有限。国内只有少数偏远地区少量使用多晶硅太阳能电池，而大量的太阳能电池及组件，主要销售市场在国外。在德国，他们推广使用太阳能清洁能源，但是市场也是有限的。我国如果超量发展则有滞销的危险。
　　三是国内没有掌握多晶硅核心技术。在这一领域，目前多晶硅的核心技术仍掌握在美、德、日等少数国家手中，我国太阳能厂家并没有竞争优势。我国规划那么多的多晶硅项目，如果没有技术支撑，也只能是有数量而没有质量。据了解，目前国外对我国采取技术封闭策略，不与中国企业合资、合作，只卖产品。中国多晶硅项目想在短时间内大规模生产，尚不会成为现实。国外的技术封锁虽不能扼杀我国自主开发，但至少将延缓中国硅产业的发展。可见，中国太阳能电池制造产业仍然受制于多晶硅的供应。
　　四是多晶硅成本高利润空间较小。目前，在多晶硅到单晶硅的产业链中，单晶硅有两种产品，一种是重量级的电路级硅片，一种是轻量级的太阳能级硅片，但是，不管是太阳能级硅片还是电路级硅片生产，多晶硅的成本都占总成本的70％以上，多晶硅价格奇高，就直接影响着下游生产商的利润。
　　2、多晶硅行业发展的对策和建议
一、发展壮大我国多晶硅产业的市场条件已经基本具备、时机已经成熟，国家相关部门加大对多晶硅产业技术研发，科技创新、工艺完善、项目建设的支持力度，抓住有利时机发展壮大我国的多晶硅产业。
二、支持最具条件的改良西门子法共性技术的实施，加快突破千吨级多晶硅产业化关键技术，形成从材料生产工艺、装备、自动控制、回收循环利用的多晶硅产业化生产线，材料性能接近国际同类产品指标；建成节能、低耗、环保、循环、经济的多晶硅材料生产体系，提高我们多晶硅在国际上的竞争力。
三、依托高校以及研究院所，加强新一代低成本工艺技术基础性及前瞻性研究，建立低成本太阳能及多晶硅研究开发的知识及技术创新体系，获得具有自主知识产权的生产工艺和技术。
四、政府主管部门加强宏观调控与行业管理，避免低水平项目的重复投资建设，保证产业的有序、可持续发展。

利用太阳能发电有两大类型，一类是太阳光发电（亦称太阳能光发电），另一类是太阳热发电（亦称太阳能热发电）。 　　太阳能光发电是将太阳能直接转变成电能的一种发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电四种形式，在光化学发电中有电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池。 　　太阳能热发电是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能，它有两种转化方式。一种是将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的温差发电，真空器件中的热电子和热电离子发电，碱金属热电转换，以及磁流体发电等。另一种方式是将太阳热能通过热机（如汽轮机）带动发电机发电，与常规热力发电类似，只不过是其热能不是来自燃料，而是来自太阳能。

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