多晶硅生产与产业发展概述
产业与科技论坛2008年第7卷第2期
Industrial& Science Tribune 2008. (7). 2
多晶硅生产与产业发展概述
□郑春蕊李艳陈志耕王程
【摘要】本文首先对多晶硅的基本定义、生产工艺技术和国内外多晶硅产业现状进行了介绍,然后通过分析国内外多晶硅市
场的情况对多晶硅产业的市场前景进行了预测。最后介绍我国多晶硅产业发展的情况,并指出了多晶硅产业发展中
需要调整的一些问题。
【关键词】多晶硅;生产工艺;产业
【作者单位】郑春蕊、李艳、陈志耕、王程,石家庄经济学院材料科学与工程研究所多晶硅是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅制品的主
要原料,是半导体工业、电子信息产业、太阳能光伏电池产业
的最主要、最基础的功能性材料,是硅产业链中极其重要的一
个中间产品。
一、多晶硅概述
多晶硅的定义: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不同的
晶粒,则形成多晶硅。多晶硅按纯度分类可以分为冶金级
(金属硅)、太阳能级、电子级。
多晶硅产品的主要用途: (1)可做成太阳能电池,将辐射
能转变为电能; (2)高纯的晶体硅是重要的半导体材料; (3)
金属陶瓷、宇宙航行的重要材料; (4)光导纤维通信,最新的
现代通信手段; (5)性能优异的硅有机化合物。
二、多晶硅的生产工艺
(一)冶金级硅的生产工艺简介。在当前世界应用最多
的传统电弧炉过程中,块状的硅石与作为还原剂的碳(它可
以是煤、焦炭或活性炭)起化学反应,这些还原剂中杂质的含
量至少比氧化硅中的杂质高出一个数量级。它的总反应式:
SiO2+ 2C = Si + 2CO;实际上在炉内各温区的反应顺序复
杂得多。
(二)高纯多晶硅的生产工艺简介。从冶金级硅生产半
导体级多晶硅有两个主要的方法:用氯硅烷(主要是SHi Cl3)
或硅烷(SHi4)。
1·改良西门子法。1955年,西门子公司成功开发了利用
H2还原SHi Cl3,在硅芯发热体上沉积硅的工艺技术,这就是通
常所说的西门子法。改良西门子法是目前生产多晶硅最为成
熟、投资风险最小、最容易扩建的工艺,所生产的多晶硅占当今
世界生产总量的70~80%。改良西门子法生产多晶硅属高能
耗的产业,其中电力成本约占总成本的70%左右。
2·硅烷法。硅烷法与改良西门子法接近,只是中间产品
不同,改良西门子法的中间产品是SHi Cl3,而硅烷法的中间产
品是SHi4。SHi4是以SiCl4氢化法、硅合金分解法、氢化物还
原法、硅的直接氢化法等方法来制取,然后将制得的硅烷气提
纯后在热分解炉中生产纯度较高的棒状多晶硅。
3·流态化床法。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SHi Cl3,将SHi Cl3
再进一步歧化加氢反应生成SHi2Cl2,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。因此该方法比较适合大规
模生产太阳能级多晶硅。
4·冶金法。冶金法的主要工艺是:选择纯度较好的工业
硅进行水平区熔单向凝固成硅锭,除去硅锭中金属杂质聚集
的部分和外表部分后,进行粗粉碎与清洗,在等离子体融解炉
中除去硼杂质,再进行第二次水平区熔单向凝固成硅锭,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
粗粉碎与清洗后,在电子束融解炉中除去磷和碳杂质,直接生
成出太阳能级多晶硅。
除此之外还有区域熔化提纯法、汽—液沉积法、铝热还原法、常压碘化学气相传输净化法和碳热还原反应法等。
三、国内外多晶硅市场供求现状及趋势预测
从国际市场上来看,生产方面,未来多晶硅增加的产量来
源于以下几个方面:传统大厂的扩产、新进入厂商的产量、物理法等新技术增加的产量。
(一)对传统七大厂具体分析。除了Mitisubishi基本没有
扩产外,其他各厂均有一定程度的扩产。REC(以前的Asi-
MI)2007年基本没有产能扩张,但在2008年产能增加一倍,
从1, 500 t扩到3, 000 t;Hemlock的Michigan工厂产能分两步扩至每年3, 500 t,一期2008年1月完成, 2009年完工开始生产;Wacker的太阳能级硅料产能从2, 800 t增加到5, 500 t;勃
格豪森厂投资两亿欧元,产能每年2, 500 t, 2006年开始, 2007 年底投产; SGS,从2, 200 t扩展到8, 500 t,且全部是太阳能级
硅材料,在2008年将是全球最大的太阳能级硅料供应商;从2009年和2010年的情况看,老牌企业Helmlock则分别以9, 500 t和14, 000 t的产能位踞榜首。预计传统大厂太阳能级
硅料产能在2008年翻番, 2010年达到40, 350 t。
(二)新技术增加的产能。鉴于硅料价格的高涨,不少企·55·产业与科技论坛2008年第7卷第2期
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业开始尝试用冶金法等新方法生产硅料。从整理的数据看,
包括冶金法、流态化床法、硅烷法等各种新技术的计划产能也已经超过10, 000 t。只要这些产能中的一部分释放,对市场
的冲击都非常大。
(三)新厂商增加产能。除去原有大厂和采用新技术的
企业,采用西门子法的新厂规模亦相当大。其中,中国的规划
产能最高,超过2. 5万吨。韩国、俄罗斯、西班牙等国的新厂计划产能总和也超过5, 000 t。
从需求来看,据有关预测, 2007年到2010年全球PV需
求量分别为2, 337mw、3, 433mw、4, 647mw和6, 409mw(数据来源:国金证券研究所报告)。假设每瓦硅料平均用料降低
至9克/瓦水平,再假设无多晶硅材料供应的限制, 2010年全
球太阳能电池多晶硅材料需求量达到约60, 000 t。另加半导
体消耗约30, 000 t,总消耗约90, 000 t。
从供求状况来看,到2010年世界多晶硅市场供求基本平
衡。
从我国市场情况看,生产方面,近两年有十几个多晶硅大
项目宣布动工或投产。具体见表1:
表1我国多晶硅生产分布
投资方地点目标
产量
一期
产量
一期投
产时间
新光硅业四川乐山4260 1260 2007. 2
洛阳中硅河南洛阳2000 1000 2008
东汽乐山硅材料厂四川乐山4500 1500 2008年中
深圳南玻湖北宜昌5000 1500 2007年中
亚洲硅业西宁6000 1000 2008
宁夏阳光宁夏石嘴山4500 1500 2008年底
江苏顺大扬州1500 1500 2008年中
江苏中能徐州10000 1500 2007. 7
超磊实业四川新津5000 1500 2008年底
爱信硅科技云南曲靖10000 3000 2009
通威巨星四川乐山10000 1000 2008年中
北京顺大新业能源四川眉山3000 1500 2008年底
绿色能源投资四川眉山5000 1500 2009
上海工投集团黑龙江牡丹江3000 1000 2010
辽宁凌海辽宁1000 1000———
大宝集团重庆万州6000 3000 2008. 6
讯天宇河南洛阳方城1000 1000———
除此之外,各省还有一些规模较小的项目,根据有关资料
整理计算,它们的产能(按照一期工程计算)初步统计已达
2. 5万多吨。
从需求角度看,预计到2010年,中国电子级多晶硅年需求
量将达到约2,000 t,光伏级多晶硅年需求量将达到约4,200 t。尽管现在我国建设的多晶硅项目很多,但目前我国尚未
完全掌握西门子法的大生产技术,即使这些项目按时建成,
也需要2~3年才能正常达产。而非西门子法生产技术,国
内尚在研究开发阶段。因此,我们对国内多晶硅工业产能只
能进行保守测算,在2010年预计基本能达到供需平衡。
四、我国多晶硅产业的发展状况
我国的多晶硅产业发展较慢,至2005年国内多晶硅的实
际产量仅有160 t。到2006年产能达到了400 t。所需的多晶硅有95%要依靠国外高价进口。受供需矛盾影响,在2005
年、2006年的两年间,国内建设了一大批多晶硅项目。但也
应同时看到,当前我国多晶硅工程投资过热,多晶硅产能将有
可能面临严重过剩的局面。
多晶硅是高投入、高耗能、高风险、回收期长的产业,在发
展多晶硅产业时应注意以下几个问题:
(一)避免低水平重复建设。目前,由于多晶硅市场价格
的巨额涨幅而吸引了很多的投资。近两年以来,我国有十几
个多晶硅大项目宣布动工或投产。根据统计,截止到2006年
底国内共有17个省上马和筹建约35个多晶硅项目。它们的
产能(按照一期工程计)初步统计已达5. 5万多吨,预计投
放的资金多达400亿元以上。近几年国内多晶硅实际需求量
在1万吨左右,对已有基础条件的多晶硅生产企业,应加大
产业化新技术的突破,避免低水平的重复建设。
(二)大力发展我国多晶硅技术。尽管国内很多企业都
开始涉及这一领域,或进一步扩大产能,然而由于技术的落
后,发展多晶硅也面临诸多问题。中科院多晶硅材料专家表示,目前多晶硅生产的核心技术还掌握在国外企业手中。大
规模生产及副产品回收一直是中国企业的最大难题。大部分
企业都没有化工产业的背景,有些企业一开始就要搞万吨级
项目,很难克服规模化生产中的技术难题。而多晶硅精密度
要求非常高,生产过程中又有大量易燃易爆气体存在,如果回
收工艺不成熟,三氯氢硅、四氯化硅、氯化氢、氯气等有害物质极有可能外溢,存在重大的安全和环境隐患。因此,要打破国
外技术封锁,自力更生发展多晶硅产业,首先要保证工厂的先
进装备和工艺技术水平,以及产品的高质量和低成本。为了
实现这一目标,国家有关部门应组织国内硅工业生产的科技
力量,尽快对以下关键技术组织重点攻关: (1)先进的三氯氢
硅生产技术; (2)多级精馏技术和设备; (3)大型节能还原炉
技术; (4)生产过程废弃物的循环利用技术; (5)贯穿生产线
节能和清洁生产技术。并在全生产过程中实现闭环清洁生
产,应达到降低电耗和硅、氢、氯等原料消耗,降低成本,使产
品具有国际竞争能力,质量应符合目前和未来超大规模集成
电路和太阳能电池的要求。
(三)结合产业链现状建设多晶硅生产项目。多晶硅是
高投入、高耗能产业,项目选址必须兼顾硅、煤炭和氯碱资源。大规模的太阳能级多晶硅生产线不宜走孤立建设之路,应该
在已形成太阳能电池产品链雏形的地区或具备大力发展光伏
产业的地区,实施3, 000 t以上的多晶硅项目,形成以工业硅
为基础,多晶硅生产基地→单晶硅生产线→太阳能电池组件
封装的太阳能电池产品链。
【参考文献】
1.郭瑾,李积和.国内外多晶硅工业现状[J].上海有色金属, 2007,3:20~25
2.于站良,马文会,戴永年等.太阳能级硅制备新工艺研究进展.轻金属,2006,3:43~47
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