物理冶金法制备太阳能级多晶硅技术展望

物理冶金法制备太阳能级多晶硅技术展望

摘要：分析了国内外太阳能级多晶硅的制备技术，介绍了物理冶金法制备太阳能级多晶硅的技术工艺，指出今后物理冶金法制备太阳能级多晶硅技术的研究方向和冶金法制备太阳能级多晶硅亟需

解决的问题，以及未来硅材料的发展趋势。

关键词：太阳能级多晶硅；制备技术；发展趋势

中图分类号：o59 文献标识码：a 文章编号：1009-0118（2011）-10-0-01

一、引言

多晶硅是太阳能光伏产业最主要、最基础的功能性材料。太阳能光伏电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池[1-2]，其中多晶硅太阳能电池占太阳能电池市场份额的55%以上[3]。随着绿色能源战略的实施，我国在光伏研究和产业方面取得了较快发展，太阳能级多晶硅市场需求得以继续保持旺盛的势头，预计在未来数年内，多晶硅的需求将持续以40%左右的速度增长[4]。

当前我国太阳能级多晶硅生产技术研发能力低，多为中低档产品，企业分散,生产规模小，国内自给率低。针对目前我国太阳能级多晶硅发展现状，必须加快太阳能级多晶硅生产技术的自主创新，不断探索低成本生产太阳能级多晶硅的方法，改变我国多晶硅产业受制于国际市场的状况，提高我国生产多晶硅市场竞争力，否则将危及我国光伏产业的发展。本文将对国内物理冶金法制备制备

太阳能级多晶硅技术情况进行综述。

二、国内外多晶硅生产的主要技术

（一）改良西门子法——闭环式三氯氢硅氢还原法：1955年，西门子公司成功开发了利用h2还原sihcl3在硅芯发热体上沉积硅的工艺技术，并于1957年开始了工业规模的生产，这就是通常所说的西门子法。

（二）硅烷法——硅烷热分解法：1956年，英国标准电讯实验所成功研发出了硅烷（sih4）热分解制备多晶硅的方法，即通常所说的硅烷法。1959年，日本的石冢研究所也同样成功地开发出了该方法。后来，美国联合碳化物公司采用歧化法制备sih4，并综合上述工艺且加以改进，便诞生了生产多晶硅的新硅烷法。

（三）流化床法：流化床法是美国联合碳化合物公司早年研发的多晶硅制备工艺技术。该方法是以sicl4、h2、hcl和工业硅为原料，在高温高压流化床内（沸腾床）生成sihcl3，将sihcl3再进一步歧化加氢反应生成sih2cl2，继而生成硅烷气。制得的硅烷气通入加有小颗粒硅粉的流化床反应炉内进行连续热分解反应，生成粒状多晶硅产品。

（四）冶金法：该方法采用了电子束和等离子冶金技术并结合了定向凝固方法，是世界上最早宣布成功生产出太阳能级多晶硅的冶金法。

同其他制备硅材料技术相比，冶金技术制备太阳能级多晶硅将成为发展光伏产业的主流技术，它的成本低能量回收时间短，环境友

好，通过工艺的进一步优化，降低成本的空间大。与此同时，厦门大学陈朝教授发表在《厦门日报》的署名文章也表达了同样的看法，他认为，“低成本是发展光伏产业必须解决的关键问题，从成本和长远的观点考虑，冶金法更适合光伏产业。”

物理冶金法的主要工艺是：选择纯度较好的工业硅进行定向凝固成硅锭，除去硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部分后，进行破碎与清洗，在电子束炉中除去硼杂质，再进行第二次定向凝固成硅锭，之后除去第二次区熔硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部分，经破碎与清洗后，在电子束熔炼炉中除去磷和碳杂质，直接生成出太阳能级多晶硅。宁夏发电集团宁电光伏材料公司采用物理冶金法制备太阳能及多晶硅，后续采用直拉法生产单晶硅，制备技术日益成熟，产品质量稳定可靠，在定向凝固工序，积极进行生产工艺改造，使得整个工艺完成时间比原有时间缩短了10个小时左右，大大提高了生产效率；在电子束炉阶段，采用新设备，积极进行工艺技术改进，使得产品品质大幅提高。宁夏银星能源多晶硅有限责任公司所属的银星多晶硅也是采用物理冶金法，经过几年的技术改造，使得多晶产品品质有了很大提升。

三、物理冶金法生产多晶硅亟需解决的问题

冶金法生产地硅材料不够均匀，杂质含量较高，如何提高光伏转化率，降低光致衰减率等一些世界性难题还没有彻底攻克、除杂机理尚不清晰等，是否将冶金法确定为未来光伏发电材料的主流技术，下结论还为时尚早。定向凝固法的熔化及凝固过程皆在同一坩

埚中，避免了熔体的二次污染，液相温度梯度接近常数，生长速度可以调节，因此，用定向凝固法所得硅锭制备的电池转换效率较高。但该制备工艺能耗大、产能较小，多晶硅生长速度慢，且坩埚只能用1次，生产成本较高。另外，在定向凝固过程中，由于分凝现象铸造多晶硅锭杂质浓度会随着硅锭高度的变化而变化，杂质的最高浓度分布在最后凝固的硅锭顶部和最先凝固的锭底部(由于长时间与坩埚低接触而受固态扩散的污染)。因而，在硅锭的中部少数载流子的寿命和扩散长度是最高的，而在其顶部与底部少数载流子的寿命明显缩短。因此，实际生产中多晶硅铸锭头尾料需切除，留去中间部分，降低了材料的利用率。

四、太阳能硅材料的发展趋势

太阳能光伏技术在解决能源短缺、减少环境污染、提供清洁可再生高效能源方面发挥着越来越重要的作用。目前，多晶硅材料产业的投资资金和技术门槛很高，1个千吨级规模的项目，投资在10多亿元人民币，如技术不过关，产品成本高，形成盲目投资和低水平重复建设的局面，则必然会带来行业混乱，造成资源和能源的浪费，给企业和国家造成损失。企业应该选取适合自身的工艺技术，加大技术革新，积极开展节能降耗改进工艺，降低生产成本，走真正适合企业自身的发展之路。

参考文献：

[1]阙端麟.硅材料科学与技术[m].杭州:浙江大学出版社,2000.

[2]于站良,马文会,戴永年.太阳能级硅制备新工艺研究进展[j].

轻金属,2006,(3):43-47.

[3]g reen m a.c rystallin e and th in film silicon solar cells state of the art and future poten tial[j].solar e nergy,2003,74(3):181.

[4]卜新平.国内外多晶硅行业现状与发展趋势[j].化学工

业,2008,26(7):32-41.