国内外多晶硅生产和生产技术现状与发展及成本核算

2.5 硅烷热解工艺
6
1956年由英国标准电讯实验所研发成功。该法与改良西SiHCl3。SiH4可以由SiCl4氢化、硅合金分解、氢化物还原、硅在 热分解炉中生产纯度较高的棒状多晶硅。硅烷可以热分解直接生成多晶硅,其纯度比西门子法可提高一个数量级,达到 11~12N,但综合生产成本却很高。
2.6 冶金工艺
5
该工艺包括5个主要环节:即SHiCl3合成、SHiCl3蒸馏提纯、SHiCl3的氢还原、尾气回收和SiCl4的氢化分离。其中经过粗 馏和精馏两步工艺后, SHiCl3中间化合物中杂质含量可降低到10-7~10-10数量级。其生产过程是将反应室中直径约5mm的原始 高纯多晶硅细棒通电加热到1100℃以上,通入SHiCl3中间化合物和H2,发生反应生成新的高纯硅气， 并沉积在硅棒上,使硅棒直 径变粗至150~200 mm。控制SHiCl3纯度,不仅可生产太阳能级多晶硅，而且还可生产电子级多晶硅。此工艺节能降耗显著、 成本低、质量高,采用综合利用技术,对环境不产生污染,因而成为多晶硅生产的主流技术。
1.2 国内多晶硅产业发展的背景
多晶 硅 被 誉为“微电子大厦的基石”，是跨化工、冶金、机械、电子等多学科、多领域的高新技术产品，是半导体、 大规模集成电路和太阳能产业的重要基础原材料，具有投资规模大、科技含量高、产业链长等特点，经济效益和社会效益都 十分显著。随着全球电子信息产业和光伏产业的迅猛发展，多晶硅市场一直供不应求。现就国内多晶硅产业的发展现状进行 综述，并分析国内多晶硅产业巨大的经济效益，开发背景和研究现状，对存在的风险与隐忧，以及该行业发展的主要问题， 提出自己的对策和建议。
1996年,日本Kawasaki Steel公司开发了由冶金硅生产太等离子冶金技术并结合定向凝固技术完成。 主要工艺流程的第一 步可在电磁炉中采用定向凝固法除P并初步除去金属杂质。除B和C可在等离子熔体炉中氧化气氛下进行,熔化的硅再次定向凝 固最后除去金属杂质。 采用电子束熔炼的优点主要是采用高真空除杂和用铜坩锅冷却来消除污染。 采用电子束熔炼工艺,多晶 硅纯度可超过5N。目前挪威的Elkem公司、美国的Dow Corning公司和Crystal Systems公司均采用冶金工艺生产多晶硅。它 们通过适当的工艺调整后,可提纯各种低质硅以及硅废料,使B、P杂质下降到理想值。
经济效益计算表 序号 1 2 3 4 5 6 项目 销售收入 总成本 销售税金及附加 利润总额 所得税 税后利润 单价/万元 41.5 24.75 2.74 14.01 4.62 9.39 产量/吨 1000 1000 1000 1000 1000 1000 合计/万元 41500 24751.22 2739 14009.78 4623.23 9386.55 备注
二、多晶硅工业技术现状与发展
应用于国际多晶硅工业的生产技术主要有改良西门子工艺、硅烷热解工艺、沸腾床工艺和冶金工艺。多晶硅生产工艺分 为两大类,即化学工艺和冶金工艺。化学法中的化合物尤其是中间产物具有高挥发性、腐蚀性和毒性,在有水和盐酸参加时还 具有爆炸性。相比之下,冶金法则更具发展前景。但在目前使用的技术中,改良西门子工艺为主流技术,占总生产能力的60%, 在国际市场起决定性作用。
1.3 国内多晶硅产业现状
1.3.1 产业的发展历程 我国多晶硅伴随着整个硅材料工业起步于20世纪50年代中期，由于这些厂都是采用传统的西门子法，技术水平低，生产 规模小，各种消耗指标高，质量不稳定，环境污染严重，加之产品成本逐年增加等原因，多数生产厂难以维持生产，以致倒 闭。1986年，为了摆脱多晶硅制约我国电子工业和信息产业的发展的困境，并为了从根本上解决多晶硅生产技术等问题，原 中国有色金属工业总公司和有关政府部门决定在积极引进国外多晶硅生产技术的同时，自行研究开发多晶硅生产技术。1987 年，我国首先突破了导热循环冷却技术，为开发大型节能还原炉创造了条件。到目前，已有了许多技术突破，诸如上海技术
2.4 Hemlock公司的多联产工艺
美国Hemlock主要用于电子级多晶硅的生产工艺流程为:在电弧炉内由C还原SiO2形成冶金级硅。冶金级硅和HCl在流化 床炉内反应生成HSiCl3,HSiCl3经提纯后产生半导体级HSiCl3,然后和H2一起在化学气相沉积炉内沉积在被加热的硅棒之上。 由 气相沉积炉内排出的HCl,HSiCl3和H2被回收再进入循环系统,而半导体级的H2SiCl2和SiCl4以及光纤维级的SiCl4则被排出。这 一工艺流程实际上由四大环节构成,即冶金硅制备工艺、流化床制备HSiCl3工艺、HSiCБайду номын сангаас3纯化工艺和CVD工艺过程。其最大特 点是容易形成高纯度多晶硅,尤其是易形成电子级多晶硅。 研究认为制备太阳能级多晶硅最直接和最经济的方法就是将金属硅 低成本提纯制成太阳能级多晶硅,而不是采用电子级硅的精细化学提纯工艺。
2.1 西门子工艺
1955年由西门子公司开发, 1957年开始工业化生产。其主要工艺是用H2还原SHiCl3,在硅芯发热体上沉积多晶硅。由于 能耗高,效率低,不能实现闭路循环生产,有污染等问题很快便被改良西门子法所替代。
2.2 改良西门子工艺
改良西门子工艺也称闭环式SHiCl3氢还原工艺,是在西门子工艺基础之上,增加了还原尾气干法回收系统和SiCl4氢化工艺, 实现了闭路循环。
2
所自主研发的物理提纯法， 产出99.9999%以上纯度的太阳能电池硅产品， 电耗和水耗分别只有 “西门子化学法” 的1/3和1/10， 不仅使我国有了太阳能基础材料的高地，还首次实现了对日、德等原进口国的出口，确立了在国际光伏产业链上的地位。 1.3.2 产业的经济、社会效益满足国际、国内市场对多晶硅的巨大需求。 世界市场:2006年全球多晶硅产能为29000吨/年;产量为280吨。据国际光伏组织预测，至2008年全球多晶硅需求量将达 到49550吨，至2010年将达到58800吨。预计到2010年全球多晶硅需求量将达到8500吨，缺口26200吨。 国内市场:目前国内多晶硅生产能力约60吨/年，2005年国内多晶硅产量为80吨。预计2007年后，国内多晶硅生产能力将 达到1500吨/年。如果目前在建和扩建项目全部达产，到2008年后国内多晶硅产能将达到(4000~5000)吨/年。由于国内太阳 能电池产业年增长速度达到35%~50%，行业预测到加10年我国多晶硅需求量将达到1200吨，缺口达到(700~800)吨/年。由 干多晶硅产业巨大的经济利益，国内纷纷上马多晶硅项目。下面用表分析产品的经济效益(按目前市场价格行情，计算100吨 多晶硅年平均销售收人为4.15亿元，每吨41.5万元)，如表1。
4
目前在我国发展壮大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。支持最具条件的改良西门子法工艺 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。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。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。
按销售收入 的 6.6%估算
1.4 行业发展的主要问题及其对策与建议
3
由于 多 晶 硅产业存在着产能发展规划过大，用量相对有限，国内没有掌握多晶硅核心技术，以及成本高利润空间较小 等风险和隐忧，目前我国各有关部门应冷静的把握好多晶硅产业发展布局，有关科研机构和相关企业应集中力量突破多晶硅 核心技术，为多晶硅发展创造条件。随着科学技术日益快速的发展和太阳能的大规模开发利用，多晶硅的用途越来越广，用 量也越来越大，价格也大幅度的提高。一场有关多晶硅产业开发、利用的“争夺战”在国内已经展开。 1.4.1 主要问题 同国际先进水平相比，国内多晶硅生产企业在产业化方面的差距主要表现在: (1)产能低，供需矛盾突出。2005年中国太阳能用单晶硅企业开工率在20%~30%，半导体用单晶硅企业开工率在 80%~90%，无法实现满负荷生产，多晶硅技术和市场仍牢牢掌握在美、日、德国的少数几个生产厂商中，严重制约我国产 业发展。 (2)生产规模小、现在公认的最小经济规模为1000吨/年，最佳经济规模为2500吨/年，而我国现阶段多晶硅生产企业离 此规模仍有较大的距离。 (3)工艺设备落后，同类产品物料和电力消耗过大，三废问题多，与国际水平相比，国内多晶硅生产物耗、能耗高出1倍 以上，产品成本缺乏竞争力。 (4)千吨级工艺和设备技术的可靠性、先进性、成熟性以及各子系统的相互匹配性都有待生产运行验证，并需要进一步完 善和改进。 (5)国内多晶硅生产企业技术创新能力不强，基础研究资金投人太少，尤其是非标设备的研发制造能力差。 (6)地方政府和企业项目投资多晶硅项目，存在低水平重复建设的隐优。 1.4.2 对策与建议
2.3 沸腾床工艺
沸腾床工艺也叫流化床工艺。由美国联合碳化物公司研发。其工艺过程是将SiCl4,H2,HCl和工业硅在高温高压流化床内 生成SHiCl3,再将其进一步歧化加氢反应生成SHi2Cl2,继而生成硅烷气。把硅烷气通入小颗粒硅粉的流化床反应炉进行连续热 分解反应生成粒状多晶硅产品。应用这种方法生产的公司主要有美国的Hemlock和MEMC公司、德国的Wacker公司和挪威的 REC公司。沸腾床工艺的优点是:生产效率高、电耗低、成本低。缺点是产品纯度不高,生产安全性也不能保证。
国内外多晶硅生产和生产技术现状与发展及成本核算
一、多晶硅生产现状与发展 1.1 国际多晶硅产业现状及发展
半导体硅具有耐高温、耐高压、可靠性高、效率高、寿命长等优点,成为太阳能电池的主体材料。国际上98%以上的太阳 能电池是利用硅材料制备的，硅的纯度越高，光电转换效率也越高，因此，多晶硅成为全球电子工业和光伏产业的基石。到 2010年,全球太阳能电池的10GW产量中，多晶硅约占9000MW，因此多晶硅产业的发展具有广阔的市场。目前多晶硅材料生 产技术基本被美、日和德国的7大公司所垄断。美国的Hemlock、MEMC等公司，德国的Wacker公司和日本的Tokuyawa和三 菱公司产能占全球产能的95%以上， 而且在2006~2010年都有较大幅度的扩产量。 据里昂证券公司分析师Michael Rogol预测， 到2010年国际7大商产多晶硅总量达65000t， 中国和俄罗斯总量达10000t， 连同其它新扩建厂家的产能， 全球合计将达85000t， 根据国外多晶硅生产厂商最新公告的扩产计划和第三届慕尼黑太阳能硅会议发布的信息统计，2006~2010年世界七大多晶硅 生产商正式公告的扩产计划、扩产量如下： Hemlock ：2006年增2300 t。2008年增4 500 t。2009年再扩4500 t。2009年后能力增至19000 t。 Tokuyama ：2006年VLD引导线200t。2008年建商业化工厂。 Wacker： 2008年初从现有产能5500 t增至10000 t。2008年再将产能扩4500 t，总产能达14500t，2009年末达产。 EC Silicon：在2005年生产5300 t的基础上，2006年计划增加10%。2007年将继续消除现有工厂的瓶颈。正在建设采用 FBR工艺生产粒状多晶硅6500 t的新工厂。到2008年生产能力将增至13500 t。 MEMC： 2006~2008年三年中，多晶硅产能由近4000 t扩至近8000 t。 Mitsubishi： 2007年产量将从1250 t增至1600 t。
1
Sumitomo：2006年增100 t。2007年增400 t。生产能力将从900 t增至1300 t。 共计33550 t。 到2010年，国外七大多晶硅生产商产量为65050t。预测美国、德国、法国、荷兰、挪威、西班牙近年新建多晶硅厂的生 产能力可达10000t，连同冶金法产能合计，2010年全球多晶硅生产能力将达10万t。值得一提的是，全球七大主要生产商都 将多晶硅材料作为战略性物资，对其它国家实行技术封锁，严格控制多晶硅材料的技术扩散。