多晶硅铸锭炉产业现状与发展前景

Advanced Materials Industry

28多晶硅铸锭炉

产业现状与发展前景

一、全球光伏产业的发展现状简述

在严峻的能源替代形势和人类生态环境日益恶化的压力下，在持续的技术进步和逐步完善的法规政策的强力推动下，太阳能光伏发电产业成为20世纪80年代后世界上增长最快的高新技术产业之一。设备作为光伏产业的支撑，对光伏产业的发展起到了至关重要的作用。

根据世界能源组织对未来光伏发电发展趋势的预测，到2020年世界光伏发电将占总发电量的1％，到2040年光伏发电将占全球发电量的21％，而2009年这一比例仅为千分之几。按此推算，未来20年，全球光伏产业的年复合增长率将达到25％以上。

■ 文/梁仁和 代红云 侯英新 北京京仪世纪电子股份有限公司

尽管受到金融危机的严重影响，2009年全球太阳能电池综合产量依然由2008年的6.85G W增至9.34G W。

中国大陆与台湾光伏产品的产量占

据较大市场份额，占全球电池产量的49%。图1展示了2005-2009年全球晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池产量的变化。

数据来源：国际太阳能市场研究咨询公司Solarbuzz。

图1 2005-2009年全球晶体硅太阳能电池与薄膜太阳能电池产量

从图2可以看出，光伏产业发展迅速，2005-2009年，太阳能电池产量保持着30%以上的逐年递增率。晶体硅片是制作光伏太阳能电池的主要材料，每生产1MW的太阳能电池组件需要17t左右的原料。据美国市场调查公司Clean Edge预计，全球太阳能发电市场投资规模将从2005年的110亿美元猛进增到2015年的510亿美元。

二、国内外多晶硅铸锭炉市场发展现状与前景

太阳能产业的迅猛发展需要更多的硅料及生产设备来支撑。世界光伏产业中，多晶硅片太阳能电池占据主导地位，带动了多晶硅铸锭生长设备市场的发展。目前，全球太阳能电池的主流产品为硅基产品，占太阳能电池总量的85％以上。多晶硅太阳能电池占太阳能电池总量的56%。多晶硅太阳能电池由于产能高，单位能源消耗低，其成本低于单晶硅片，适应降低太阳能发电成本的发展趋势。多晶硅铸锭生长技术已逐渐发展成为一种主流的技术，由此也带动了多晶硅铸锭炉市场的发展。多晶铸锭炉是专为太阳能工业设计的专用设备，是生产多晶硅铸锭的必需设备。该设备能自动或手动完成铸锭过程，高效节能，且能运

用先进的计算机控制技术，实现稳定

定向凝固，生产的多晶硅硅锭质量高、

规格大。多晶硅铸锭炉作为一种硅重

熔的设备，重熔质量的好坏直接影响

硅片转换效率和硅片加工的成品率。

在国际多晶硅铸锭炉市场上，市

场份额占有率最高的为美国GT Solar

公司和德国A L D公司。G T S o l a r

公司市场主要面向亚洲，在亚洲的

市场销售额占其收入的60%；A L D

公司主要面向欧洲市场。其他多

晶铸锭设备的主要国际生产商还

有美国Crystallox Limited、挪威

Scanwafer和法国ECM。德国ALD

公司生产的多晶硅铸锭炉投料量为

400kg/炉;美国Crystallox Limited

公司为275kg/炉；挪威Scanwafer公

司生产的多晶硅铸锭炉可同时生产4

锭，投料量达到800～1000kg/炉，该

设备属于专利产品，暂时不对外销售；

法国ECM生产的多晶硅铸锭炉采用三

温区设计，提高了硅料的再利用率高。

国内的多晶硅铸锭炉市场在2007

年之前一直被美国GT Solar公司垄

断。2007年多晶硅的暴利催生了国内

无数多晶硅生产企业，而进口设备的

价格昂贵、售后服务没有保证，这些因

素促使国内一些民间私营企业开始研

发多晶硅铸锭炉技术。2007年，我国首

台多晶硅铸锭炉由浙江精功科技股份

有限公司研制成功并生产，多晶硅铸

锭炉迅速呈现出国产化的趋势，2009

年我国多晶硅铸锭炉保有量约800台。

目前，国内已有几家企业能够生产出

拥有自主知识产权的多晶硅铸锭炉，

如：北京京仪世纪电子股份有限公

司、上海汉虹精密机械有限公司、浙江

精功科技股份有限公司、北京京运通

科技股份有限公司、中国电子科技集

团公司第四十八研究所、精工机电研

究所有限公司等。随着国外垄断的打

破，多晶硅铸锭炉在国产化趋势扩大

的情况下价格将逐步降低，国内多晶

硅铸锭炉的市场潜力将会凸显出来。

目前，全球市场多晶硅铸锭炉每

年需求量约为1000台。伴随着太阳能

电池需求的不断增长，多晶硅铸锭炉

的需求量也将以较高的速度增长。

我国有关研究数据显示，根据全国

重点项目建设情况分析，2009-2010年，

我国总计有57 500t的新增多晶硅料

需要多晶硅铸锭炉进行加工，折合需

求450kg铸锭炉约为1227台。光大证

券分析师研究认为，2011年国内多晶

硅铸锭炉安装量将约达1000台。美国

市场调研机构iSuppli的研究报告中

预计，按保守估算，至2012年，全球多

晶硅铸锭炉的市场将达3000台；如果图2 2005-2009年全球太阳能电池产量与增长率

数据来源：

国际太阳能市场研究咨询公司Solarbuzz。

新材料产业NO.3 201129

Advanced Materials Industry

30

按照乐观估算，多晶硅铸锭炉需求约6000台。按照全球2010年15G W的新增装机，光伏市场未来5年保持40%的复合增速，组件产量/安装量之比维持1.5倍，则2015年铸锭炉市场需求将为10 000台，市场总量将达300亿元，复合增速达到60%。可见，国内和国际多晶硅铸锭炉市场需求量巨大，发展前景广阔。

三、国内外多晶硅铸锭炉技术发展现状

多晶硅铸锭炉的关键技术一直由美国、欧洲公司垄断，国外长期以来对我国实行技术上的严密封锁，我国多年来一直处于受制于人的局面。美国GT Solar公司的多晶硅铸锭炉占据了我国绝大部分市场。从1994年最初研制的热交换法（H E M）铸锭炉到近年推出的DSS450HP晶炉，GT Solar 的铸锭炉技术已经历了5次重大创新。这些重大创新主要体现在机械设计、真空与高压室、控制系统设计、晶体生长模型等方面的技术创新。首先，定向凝固的方法，从最初的热交换法更新到热交换法与布里曼法（强制冷却和将坩埚移离热源）相结合的方法，使得铸锭效率增加；第二，投料量逐步增大，从240k g到450k g ；第三，铸锭工艺上的更新，如运行周期从大约60h缩短到50h ；第四，热场的改进，使得多晶铸锭的能耗进一步降低。

近年来，我国光伏产业的迅速发展，带动了国内企业对光伏设备的巨大需求。国外公司生产的多晶硅铸锭炉难以满足国内市场需求，国内一些企业纷纷开始多晶硅铸锭炉的制造。

与国外相比，我国多晶硅铸锭炉技术研发和生产起步较晚。我国2002年完成了30～50k g小型浇铸炉的研

发，2004年完成了100kg实验型热交换型铸锭炉的研发，2007年和2008年分别完成了240kg大型定向凝固炉和450kg 大容量铸锭炉的研发并成功推向市场，目前正在向800kg投料量的更大型号的铸锭炉发展。从整体技术水平看，我国多晶硅铸锭炉的制造技术水平和国外相比还要滞后1～2年，技术创新能力有待加强，特别是在热场工艺方面的研究尚显不足；但在加热器、隔热笼、

真空系统、安全性、节能以及工艺控制软件设计等方面，国内也有新颖之处，已逐步接近国外技术水平。

四、国产多晶硅铸锭炉行业存

在问题及技术发展趋势

国产多晶硅铸锭炉大多是在消化吸收国外设备的基础上生产的，处于领先地位的企业在热场设计等关键技术方面已取得突破，在安全性、节能、加热器和隔热笼设计等方面也有一定的特色，替代进口设备的趋势已十分明显。同进口多晶硅铸锭炉相比，国产多晶硅铸锭炉具有基本相当的技术水平和良好的性价比。

但是，国产多晶硅铸锭炉的生产仍存在明显的问题。首先，部分关键零配件如高温耐材仍然无法国产化，完全依赖进口。在多晶硅铸锭炉生产中，进口零配件高达30%，虽然进口的这些零配件大都是通用零件，但在进口时还是会遭遇到国外对手的各种约束条件，对核心部件零配件的供应和对中国企业的供货进行限制。因此，实现关键零配件的国产化，不仅可以改变受制于人的局面，节约大量外汇，还可形成一个新的高技术产品集群，完善我国的光伏产业链，带动国家光伏产业整体水平的提升。其次，设备与工艺研究脱节，这造成部分国内客户（特别是技术储备不足的客户）被迫去购

买国外成套设备，同时，设备生产商也无法针对工艺要求及时改进设备。因此，设备生产商要加强技术沟通与合作，不遗余力地把设备做好做精。同时，设备生产商也应清醒地意识到自己不仅仅是卖设备，设备里要包含工艺。设备生产商通过向用户进行工艺推广和交流，可以进一步提高国产设备的性价比，进一步促进整个光伏产业健康发展。

多晶硅铸锭炉具有较高的技术含量，对炉子的安全、高效低能、成品率等性能有很高的要求，另外对自动控制系统的要求也非常高。多晶硅铸锭炉关键技术有：方便形成竖直温度梯度的

热场技术、大型隔热笼同步提升技术、异质材料连接提高加热器寿命技术、防硅液泄漏等安全性设计技术、炉腔节能设计技术等。其技术发展趋势为：一是提高单炉产量，进一步降低单位多晶硅片生产成本；二是优化改进工艺，提高产能、生产合格率和硅锭质量；三是创新温区设计，提高原料回收及利用率；四是节能，进一步降低单位生产能耗。

五、结语

我国“十二五”规划指出将“要大力发展新兴能源产业，加快核电建设，大力发展风能、太阳能和生物质能，发展煤炭的清洁利用产业”，这对我国太阳能光伏产业的发展将起到引导和推动作用，从而对多晶铸锭产业起到巨大的推动作用。随着技术水平的提高，我国光伏行业大型厂商对设备定制化的需求日渐强烈。原本占据市场主流的进口多晶硅设备厂商，将难以提供深入客户的定制化服务；而国内多晶硅设备厂商，经过3年以上的实践检验，产品质量会逐步为国内大厂接受，因此将迅速挤占多晶硅设备市场的份额。10.3969/j.issn.1008-892X.2011.03.006