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单晶硅与多晶硅技术大比拼

2018-07-23 14:58:42来源:北极星太阳能光伏网浏览: 评论:0
  单晶硅和多晶硅的区别是,当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核,如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒,则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则形成多晶硅。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如在力学性质、电学性质等方面,多晶硅均不如单晶硅。多晶硅可作为拉制单晶硅的原料。单晶硅可算得上是世界上最纯净的物质了,一般的半导体器件要求硅的纯度六个9以上。大规模集成电路的要求更高,硅的纯度必须达到九个9。目前,人们已经能制造出纯度为十二个9 的单晶硅。单晶硅是电子计算机、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料。   高纯度硅在石英中提取,以单晶硅为例,提炼要经过以下过程:石英砂一冶金级硅一提纯和精炼一沉积多晶硅锭一单晶硅一硅片切割。   冶金级硅的提炼并不难。它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。这样被还原出来的硅的纯度约98-99%,但半导体工业用硅还必须进行高度提纯(电子级多晶硅纯度要求11个9,太阳能电池级只要求6个9)。而在提纯过程中,有一项“三氯氢硅还原法(西门子法)”的关键技术我国还没有掌握,由于没有这项技术,我国在提炼过程中70%以上的多晶硅都通过氯气排放了,不仅提炼成本高,而且环境污染非常严重。我国每年都从石英石中提取大量的工业硅,以1美元/公斤的价格出口到德国、美国和日本等国,而这些国家把工业硅加工成高纯度的晶体硅材料,以46-80美元/公斤的价格卖给我国的太阳能企业。   得到高纯度的多晶硅后,还要在单晶炉中熔炼成单晶硅,以后切片后供集成电路制造等用。   什么是单晶硅   可以用于二极管级、整流器件级、电路级以及太阳能电池级单晶产品的生产和深加工制造,其后续产品集成电路和半导体分离器件已广泛应用于各个领域,在军事电子设备中也占有重要地位。   在光伏技术和微小型半导体逆变器技术飞速发展的今天,利用硅单晶所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能,实现了迈向绿色能源革命的开始。北京2008年奥运会将把“绿色奥运”做为重要展示面向全世界展现,单晶硅的利用在其中将是非常重要的一环。现在,国外的太阳能光伏电站已经到了理论成熟阶段,正在向实际应用阶段过渡,太阳能硅单晶的利用将是普及到全世界范围,市场需求量不言而喻。河北宁晋单晶硅工业园区正是响应这种国际趋势,为全世界提供性能优良、规格齐全的单晶硅产品。   单晶硅产品包括φ3”----φ6”单晶硅圆形棒、片及方形棒、片,适合各种半导体、电子类产品的生产需要,其产品质量经过当前世界上最先进的检测仪器进行检验,达到世界先进水平。   单晶硅的提炼方法   硅是地球上储量第二的化学元素,作为半导体材料,人们对它研究得最多、技术最成熟,而且晶硅性能稳定、无毒,因此成为太阳电池研究开发、生产和应用中的主体材料。但高纯度多晶硅在我国却十分短缺,绝大部分需要依赖进口。   高纯度硅在石英中提取,以单晶硅为例,提炼要经过以下过程:石英砂一冶金级硅一提纯和精炼一沉积多晶硅锭一单晶硅一硅片切割。   冶金级硅的提炼并不难。它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。这样被还原出来的硅的纯度约98-99%,但半导体工业用硅还必须进行高度提纯。电子级硅的杂质含量约(10^-10)%以下。而在提纯过程中,有一项“三氯氢硅还原法(西门子法)”的关键技术我国还没有掌握,由于没有这项技术,我国在提炼过程中70%以上的多晶硅都通过氯气排放了,不仅提炼成本高,而且环境污染非常严重。   事实上,我国每年都从石英石中提取大量的工业硅,以1美元/公斤的价格出口到德国、美国和日本等国,而这些国家把工业硅加工成高纯度的晶体硅材料,以46-80美元/公斤的价格卖给我国的太阳能企业。   生产多晶硅不容易   事实上,多晶硅的上游原材料石英砂在我国并不缺乏。不少海外的多晶硅公司都从中国直接采购。但中国企业对于硅的提纯技术,一直毫无进展。上世纪90年代,国内有40多家小型公司都在研究多晶硅技术,但就是没有一家公司可以承担大型的多晶硅生产。一个1000吨左右的多晶硅生产线,就如同一个中型的现代石化公司,工程设计复杂。   多晶硅技术有两类:硅烷法和三氯氢硅还原法。如果能够这两类技术有重大突破,那么中国光伏电池的产量将会进一步增长。在2004年10月中国可再生能源发展项目办公室所作《中国光伏产业研究报告》中,对国内太阳级多晶硅的描述是“我国光伏专用太阳级硅材料的研制和生产是空白”。   硅是地球上储量第二的化学元素,作为半导体材料,人们对它研究得最多、技术最成熟,而且晶硅性能稳定、无毒,因此成为太阳电池研究开发、生产和应用中的主体材料。但高纯度多晶硅在我国却十分短缺,绝大部分需要依赖进口。高纯度硅在石英中提取,以单晶硅为例,提炼要经过以下过程:石英砂——冶金级硅——提纯和精炼——沉积多晶硅锭——单晶硅——硅片切割。冶金级硅的提炼并不难。它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。这样被还原出来的硅的纯度约98~99%,但半导体工业用硅还必须进行高度提纯。电子级硅的杂质含量约10%以下。而在提纯过程中,有一项“三氯氢硅还原法(西门子法)”的关键技术我国还没有掌握,由于没有这项技术,我国在提炼过程中70%以上的多晶硅都通过氯气排放了,不仅提炼成本高,而且环境污染非常严重。   发展多晶硅产业时不可待   对中国的太阳能企业而言,解决高纯度硅的问题已是迫在眉睫。多晶硅并非是类似石油的资源性产品,但技术一旦形成垄断,国内企业就无所适从。多晶硅材料如果持续短缺,继续涨价,我国光伏产业就有覆灭的危险,因为组件的价格是封顶的,不可能为材料的涨价留出空间。中国有色金属工程设计研究总院总设计师严大洲明确表示,若不以自主知识产权改变国内多晶硅的生产现状,加快多晶硅生产企业扩建或新建步伐,我国多晶硅产业受制于国际市场的状况无法改变,将危及我国集成电路、半导体器件和光伏产业。目前随着各国政府对光伏产业推动力的增加,多晶硅供应的短缺局面会加剧,而多晶硅企业的新增产能已被一些企业锁定,加快中国多晶硅材料产业的发展时不我待,因此呼吁国家制定优惠政策,以支持国内相关企业单位在与国外企业同等成本的前提下从事新工艺和新技术的研究。   当前多晶硅在发展半导体产业、新能源产业方面已摆到越来越突出的重要地位。近一两年来,在生产多晶硅产品(特别是用于太阳能电池的多晶硅)的技术路线方面,世界多晶硅主要生产国家正在积极寻求新工艺、新设备和新技术。这项研发工作表现得十分活跃,并出现了众多的研究新成果和技术上的新突破。这也预示着世界多晶硅工业化生产技术一个新的飞跃即将到来。未来3年~5年正是发展我国多晶硅产业的黄金时期,我们必须抓住机遇,尽快建立起自己的多晶硅产业,以打破发达国家的垄断和封锁。需求形势的发展,无论是在扩大我国多晶硅生产规模上,还是在研发、探索节省能源、提高生产效率、降低成本、提升效益的多晶硅生产新工艺上,都给我国硅材料产业提出了一个紧迫的重要任务。我国的多晶硅材料面临这样的重要关头。   从国外的情况看,从事多晶硅生产的每个公司都在独立发展,联合引进没有可能,多晶硅厂掌握的核心技术都在国外。宁波立立电子股份有限公司副总经理林必清认为,依靠技术转移和与国外企业合资都不太可能,因此,要丢掉幻想,在多晶硅技术自主研发上下功夫,联合攻关,研发多晶硅生产新技术、新工艺。   国际上生产多晶硅的主要技术路线有改良西门子法、硅烷法、流态化床法、冶金法,其中改良西门子法占全球产量的80%以上。而我国发展多晶硅产业应该采取什么技术路线,专家认为,我国现行100吨左右的多晶硅产量全部采用改良西门子法,不但具有较好的技术基础,而且培养造就了一批具有丰富经验的科研人员和操作技工,因此,开发千吨级规模生产工艺技术,重点应针对节能和物料循环利用等方面组织重大攻关。许多专家建议,科技攻关既要着眼于相关产业对多晶硅产品的紧迫需求,提升千吨级改良西门子法的生产技术,降低能耗和产品成本,尽快实现规模化生产,又要加强新技术、新工艺研究,以太阳能级多晶硅生产技术为突破口,开展太阳能级低成本多晶硅新技术、新工艺的研究,实现多晶硅技术的可持续发展。他们建议科技部尽快组织多晶硅产业化技术攻关,促成产学研紧密结合,形成有竞争力的我国多晶硅产业。   必须搞好协调与合作   现在,国内已有两家企业初探多晶硅生产。河南洛阳的中硅高科公司已在2005年11月投产了300吨多晶硅。该公司的一部分产品给某IC公司,另一部分给无锡尚德。2005年8月,科技部批准河南洛阳中硅高科技有限公司实施国家“863”计划项目“24对棒多晶硅还原炉装置技术研究”课题,首期资助经费300万元。该项目预计在2006年完成,项目完成后将取得具有自主知识产权的多晶硅生产技术和工艺,并为我国建设千吨级多晶硅生产线奠定技术基础。新光硅业2001年在四川乐山投建,是我国第一条千吨多晶硅生产线,规划年产1260吨的多晶硅,总投资约12.9亿元人民币。预计2006年项目投产后年产值约为6亿元,可年产电子级多晶硅900吨、区熔多晶硅200吨、太阳能电池用多晶硅150吨。能否实现这一关键的突破,2006年当可见出分晓。   目前,上海太阳能科技正在组建“太阳能工程技术研究中心”。该中心将用2年的时间进行多晶硅的技术突破。一旦突破技术障碍,原材料成本将直线下降。太阳能科技也可委托其他企业为其生产多晶硅。香港锦艺集团在重庆将投资10亿元,建年产5万吨硅微粉、1000吨多晶硅生产线项目。   中国电子材料协会半导体材料分会秘书长朱黎辉说,现在想上多晶硅项目的地方很多,希望政府能够组织协调,避免单晶硅重复建厂的历史。多晶硅产业不但技术门槛高,风险大,而且需要一个专业的团队来保障运行,因此国家有关部门应该对多晶硅项目做严格的审批、限制。虽然一段时间内国际多晶硅市场需求旺盛,国内市场缺口很大,但应该看到,我国多晶硅产业基础差、底子薄,国外又对我们进行技术封锁,如果出现遍地开花搞重复建设的局面,对这个行业的发展将极为不利,因此,建议政府和行业主管部门加强管理,新建项目一定要谨慎,最好选现有具备条件的1~2个工厂走改扩建扩能之路,较为合理的经济规模在2500吨。   当前多晶硅产业化技术攻关应以政府为主导,企业为主体,自主创新,联合攻关,尽快在较高水平上建设我国的多晶硅技术及产业示范。选择产业化技术示范项目,应充分考虑项目实施的环境和条件。优先选择电力供应充足且价格低廉、水源相对丰富,氢气和氯气输送便利,副产品就近消化,尽量避开人口稠密或旅游等地区。从目前来看,国际市场上供需缺口大,但未来价格不可能保证不下跌。而且,多晶硅厂确保生产安全的难度也很大,可能保证五年不出事故,但不能保证十年、二十年不出事故。因此,在多晶硅产业的发展中,应该采取多方融资,多个省,上下游产业链,包括民营企业,多方共同建设,共担风险的策略。国外多晶硅厂家多元投资的模式可供借鉴,联合上下游企业通过参股的办法,多元投资,扩大规模,降低成本,形成完整的自主研发和供应的半导体产业链。
 
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