多晶硅

多晶硅簡介

性質(zhì)：灰色金屬光澤。密度2.32~2.34。熔點1410℃。沸點2355℃。溶于氫氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和鹽酸。硬度介于鍺和石英之間，室溫下質(zhì)脆，切割時易碎裂。加熱至800℃以上即有延性，1300℃時顯出明顯變形。常溫下不活潑，高溫下與氧、氮、硫等反應(yīng)。高溫熔融狀態(tài)下，具有較大的化學(xué)活潑性，能與幾乎任何材料作用。具有半導(dǎo)體性質(zhì)，是極為重要的優(yōu)良半導(dǎo)體材料，但微量的雜質(zhì)即可大大影響其導(dǎo)電性。電子工業(yè)中廣泛用于制造半導(dǎo)體收音機、錄音機、電冰箱、彩電、錄像機、電子計算機等的基礎(chǔ)材料。由干燥硅粉與干燥氯化氫氣體在一定條件下氯化，再經(jīng)冷凝、精餾、還原而得。

多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。熔融的單質(zhì)硅在過冷條件下凝固時，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結(jié)合起來，就結(jié)晶成多晶硅。多晶硅可作拉制單晶硅的原料，多晶硅與單晶硅的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)方面。例如，在力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)的各向異性方面，遠不如單晶硅明顯；在電學(xué)性質(zhì)方面，多晶硅晶體的導(dǎo)電性也遠不如單晶硅顯著，甚至于幾乎沒有導(dǎo)電性。在化學(xué)活性方面，兩者的差異極小。多晶硅和單晶硅可從外觀上加以區(qū)別，但真正的鑒別須通過分析測定晶體的晶面方向、導(dǎo)電類型和電阻率等。

多晶硅是生產(chǎn)單晶硅的直接原料，是當代人工智能、自動控制、信息處理、光電轉(zhuǎn)換等半導(dǎo)體器件的電子信息基礎(chǔ)材料。被稱為“微電子大廈的基石”。

在太陽能利用上，單晶硅和多晶硅也發(fā)揮著巨大的作用。雖然從目前來講，要使太陽能發(fā)電具有較大的市場，被廣大的消費者接受，就必須提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本。從目前國際太陽電池的發(fā)展過程可以看出其發(fā)展趨勢為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。

從工業(yè)化發(fā)展來看，重心已由單晶向多晶方向發(fā)展，主要原因為；[1]可供應(yīng)太陽電池的頭尾料愈來愈少；[2] 對太陽電池來講，方形基片更合算，通過澆鑄法和直接凝固法所獲得的多晶硅可直接獲得方形材料；[3]多晶硅的生產(chǎn)工藝不斷取得進展，全自動澆鑄爐每生產(chǎn)周期（50小時）可生產(chǎn)200公斤以上的硅錠，晶粒的尺寸達到厘米級；[4]由于近十年單晶硅工藝的研究與發(fā)展很快，其中工藝也被應(yīng)用于多晶硅電池的生產(chǎn)，例如選擇腐蝕發(fā)射結(jié)、背表面場、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細金屬柵電極，采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)可使柵電極的寬度降低到50微米，高度達到15微米以上，快速熱退火技術(shù)用于多晶硅的生產(chǎn)可大大縮短工藝時間，單片熱工序時間可在一分鐘之內(nèi)完成，采用該工藝在100平方厘米的多晶硅片上作出的電池轉(zhuǎn)換效率超過14％。據(jù)報道，目前在50～60微米多晶硅襯底上制作的電池效率超過16％。利用機械刻槽、絲網(wǎng)印刷技術(shù)在100平方厘米多晶上效率超過17％，無機械刻槽在同樣面積上效率達到16％，采用埋柵結(jié)構(gòu)，機械刻槽在130平方厘米的多晶上電池效率達到15.8％。
 

國際多晶硅產(chǎn)業(yè)概況

當前，晶體硅材料（包括多晶硅和單晶硅）是最主要的光伏材料，其市場占有率在90％以上,而且在今后相當長的一段時期也依然是太陽能電池的主流材料。多晶硅材料的生產(chǎn)技術(shù)長期以來掌握在美、日、德等3個國家7個公司的10家工廠手中，形成技術(shù)封鎖、市場壟斷的狀況。

多晶硅的需求主要來自于半導(dǎo)體和太陽能電池。按純度要求不同，分為電子級和太陽能級。其中，用于電子級多晶硅占55％左右，太陽能級多晶硅占45％，純度在99.9999%，也就是我們常說的6N級。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，太陽能電池對多晶硅需求量的增長速度高于半導(dǎo)體多晶硅的發(fā)展，預(yù)計到2008年太陽能多晶硅的需求量將超過電子級多晶硅。

1994年全世界太陽能電池的總產(chǎn)量只有69MW，而2004年就接近1200MW，在短短的10年里就增長了17倍。專家預(yù)測太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在二十一世紀前半期將超過核電成為最重要的基礎(chǔ)能源之一。

據(jù)悉，美國能源部計劃到2010年累計安裝容量4600MW，日本計劃2010年達到5000MW，歐盟計劃達到6900MW，預(yù)計2010年世界累計安裝量至少18000MW。從上述的推測分析，至2010年太陽能電池用多晶硅至少在30000噸以上，表2給出了世界太陽能多晶硅工序的預(yù)測。據(jù)國外資料分析報道，世界多晶硅的產(chǎn)量2005年為28750噸，其中半導(dǎo)體級為20250噸，太陽能級為8500噸，半導(dǎo)體級需求量約為19000噸，略有過剩；太陽能級的需求量為15000噸，供不應(yīng)求，從2006年開始太陽能級和半導(dǎo)體級多晶硅需求的均有缺口，其中太陽能級產(chǎn)能缺口更大。

據(jù)日本稀有金屬雜志2005年11月24日報道，世界半導(dǎo)體與太陽能多晶硅需求緊張，主要是由于以歐洲為中心的太陽能市場迅速擴大，預(yù)計2006年，2007年多晶硅供應(yīng)不平衡的局面將為愈演愈烈，多晶硅價格方面半導(dǎo)體級與太陽能級原有的差別將逐步減小甚至消除，2005年世界太陽能電池產(chǎn)量約1GW，如果以1MW用多晶硅12噸計算，共需多晶硅是1.2萬噸，2005－2010年世界太陽能電池平均年增長率在25％，到2010年全世界半導(dǎo)體用于太陽能電池用多晶硅的年總的需求量將超過6.3萬噸。

世界多晶硅主要生產(chǎn)企業(yè)有日本的Tokuyama、三菱、住友公司、美國的Hemlock、Asimi、SGS、MEMC公司，德國的Wacker公司等，其年產(chǎn)能絕大部分在1000噸以上，其中Tokuyama、Hemlock、Wacker三個公司生產(chǎn)規(guī)模最大，年生產(chǎn)能力均在3000－5000噸。
 

國際多晶硅主要技術(shù)特征

（1）多種生產(chǎn)工藝路線并存，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)封鎖、壟斷局面不會改變。由于各多晶硅生產(chǎn)工廠所用主輔原料不盡相同，因此生產(chǎn)工藝技術(shù)不同；進而對應(yīng)的多晶硅產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟指標、產(chǎn)品質(zhì)量指標、用途、產(chǎn)品檢測方法、過程安全等方面也存在差異，各有技術(shù)特點和技術(shù)秘密，總的來說，目前國際上多晶硅生產(chǎn)主要的傳統(tǒng)工藝有：改良西門子法、硅烷法和流化床法。其中改良西門子工藝生產(chǎn)的多晶硅的產(chǎn)能約占世界總產(chǎn)能的80％，短期內(nèi)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)壟斷封鎖的局面不會改變。
 

（2）新一代低成本多晶硅工藝技術(shù)研究空前活躍。除了傳統(tǒng)工藝（電子級和太陽能級兼容）及技術(shù)升級外，還涌現(xiàn)出了幾種專門生產(chǎn)太陽能級多晶硅的新工藝技術(shù)，主要有：改良西門子法的低價格工藝；冶金法從金屬硅中提取高純度硅；高純度SiO2直接制?。蝗廴谖龀龇ǎ╒LD：Vaper to liquid deposition）；還原或熱分解工藝；無氯工藝技術(shù)，Al－Si溶體低溫制備太陽能級硅；熔鹽電解法等。
 

國內(nèi)多晶硅產(chǎn)業(yè)概況

目前，我國在建項目多晶硅項目總數(shù)逾20個，總投資額逾700億。較高的利潤率是驅(qū)使大量資本進入多晶硅行業(yè)的主要推動力。光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈從上游到下游，主要包括的產(chǎn)業(yè)鏈條包括多晶硅、硅片、電池片以及電池組件。整個光伏產(chǎn)業(yè)鏈的利潤主要集中在上游的多晶硅生產(chǎn)環(huán)節(jié)，上游企業(yè)的盈利能力明顯優(yōu)于下游。

目前，中國大陸多晶硅生產(chǎn)獲取的利潤在最終電池組件產(chǎn)品利潤總額中的比例最高，約達到52%；電池組件生產(chǎn)的利潤占比約為18%；而電池片和硅片生產(chǎn)的利潤占比分別約為17%和13%。

多晶硅產(chǎn)能擴張速度過快，而需求增長相對緩慢，將導(dǎo)致多晶硅價格大幅下跌。長期來看，價格下跌將有利于大多數(shù)中國大陸和臺灣地區(qū)的太陽能企業(yè)；但從中期來看，過剩供給將導(dǎo)致供應(yīng)鏈的價格下跌和更多庫存減記的風(fēng)險惡化。

多晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展預(yù)測

高純多晶硅是電子工業(yè)和太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)原料，在未來的50年里，還不可能有其他材料能夠替代硅材料而成為電子和光伏產(chǎn)業(yè)主要原材料。

隨著信息技術(shù)和太陽能產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，全球?qū)Χ嗑Ч璧男枨笤鲩L迅猛，市場供不應(yīng)求。世界多晶硅的產(chǎn)量2005年為28750噸，其中半導(dǎo)體級為20250噸，太陽能級為8500噸。半導(dǎo)體級需求量約為19000噸，略有過剩；太陽能級的需求量為15600噸，供不應(yīng)求。近年來，全球太陽能電池產(chǎn)量快速增加，直接拉動了多晶硅需求的迅猛增長。全球多晶硅由供過于求轉(zhuǎn)向供不應(yīng)求。受此影響，作為太陽能電池主要原料的多晶硅價格快速上漲。

中國多晶硅工業(yè)起步于20世紀50年代，60年代中期實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，到70年代，生產(chǎn)廠家曾經(jīng)發(fā)展到20多家。但由于工藝技術(shù)落后，環(huán)境污染嚴重，消耗大，成本高等原因，絕大部分企業(yè)虧損而相繼停產(chǎn)或轉(zhuǎn)產(chǎn)。到目前為止，國內(nèi)有多晶硅生產(chǎn)條件的單位有洛陽中硅高科技有限公司、峨嵋半導(dǎo)體材料廠（所）、四川新光硅業(yè)科技有限責(zé)任公司3家企業(yè)。

中國集成電路和太陽能電池對多晶硅的需求快速增長，2005年集成電路產(chǎn)業(yè)需要電子級多晶硅約1000噸，太陽能電池需要多晶硅約1400噸；到2010年，中國電子級多晶硅年需求量將達到約2000噸，光伏級多晶硅年需求量將達到約4200噸。而中國多晶硅的自主供貨存在著嚴重的缺口，95%以上多晶硅材料需要進口，供應(yīng)長期受制于人，再加上價格的暴漲，已經(jīng)危及到多晶硅下游眾多企業(yè)的發(fā)展，成為制約中國信息產(chǎn)業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。

由于多晶硅需求量繼續(xù)加大，在市場缺口加大、價格不斷上揚的刺激下，國內(nèi)涌現(xiàn)出一股搭上多晶硅項目的熱潮。多晶硅項目的投資熱潮，可以說是太陽能電池市場迅猛發(fā)展的必然結(jié)果，但中國硅材料產(chǎn)業(yè)一定要慎重發(fā)展，不能一哄而上；關(guān)鍵是要掌握核心技術(shù)，否則將難以擺脫受制于人的局面。

作為高科技產(chǎn)業(yè)，利用硅礦開發(fā)多晶硅，產(chǎn)業(yè)耗能大，電力需求高。目前電價已成為中國大多數(shù)硅礦企業(yè)亟待突破的瓶頸之一。因此中國大力發(fā)展多晶硅產(chǎn)業(yè)，亟需在條件成熟的地方制定電價優(yōu)惠政策，降低成本。

由于需求增加快速，但供給成長有限，預(yù)估多晶硅料源的供應(yīng)2007年將是最嚴重缺乏的一年，預(yù)計到2009年，全世界多晶硅的年需求量將達到6.5萬噸。在未來的3至5年間，也就是在中國的“十一五”期間，將是中國多晶硅產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的黃金時期。
 

多晶硅行業(yè)發(fā)展的主要問題

同國際先進水平相比，國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)業(yè)化方面的差距主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1、產(chǎn)能低，供需矛盾突出。2005年中國太陽能用單晶硅企業(yè)開工率在20％－30％，半導(dǎo)體用單晶硅企業(yè)開工率在80％－90％，無法實現(xiàn)滿負荷生產(chǎn)，多晶硅技術(shù)和市場仍牢牢掌握在美、日、德國的少數(shù)幾個生產(chǎn)廠商中，嚴重制約我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2、生產(chǎn)規(guī)模小、現(xiàn)在公認的最小經(jīng)濟規(guī)模為1000噸/年，最佳經(jīng)濟規(guī)模在2500噸/年，而我國現(xiàn)階段多晶硅生產(chǎn)企業(yè)離此規(guī)模仍有較大的距離。

3、工藝設(shè)備落后，同類產(chǎn)品物料和電力消耗過大，三廢問題多，與國際水平相比，國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)物耗能耗高出1倍以上，產(chǎn)品成本缺乏競爭力。

4、千噸級工藝和設(shè)備技術(shù)的可靠性、先進性、成熟性以及各子系統(tǒng)的相互匹配性都有待生產(chǎn)運行驗證，并需要進一步完善和改進。

5、國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力不強，基礎(chǔ)研究資金投入太少，尤其是非標設(shè)備的研發(fā)制造能力差。

6、地方政府和企業(yè)項目投資多晶硅項目，存在低水平重復(fù)建設(shè)的隱憂。
 

7、產(chǎn)生大量污染。
 

多晶硅行業(yè)發(fā)展的對策與建議

1、發(fā)展壯大我國多晶硅產(chǎn)業(yè)的市場條件已經(jīng)基本具備、時機已經(jīng)成熟，國家相關(guān)部門加大對多晶硅產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)，科技創(chuàng)新、工藝完善、項目建設(shè)的支持力度，抓住有利時機發(fā)展壯大我國的多晶硅產(chǎn)業(yè)。

2、支持最具條件的改良西門子法共性技術(shù)的實施，加快突破千噸級多晶硅產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，形成從材料生產(chǎn)工藝、裝備、自動控制、回收循環(huán)利用的多晶硅產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線，材料性能接近國際同類產(chǎn)品指標；建成節(jié)能、低耗、環(huán)保、循環(huán)、經(jīng)濟的多晶硅材料生產(chǎn)體系，提高我們多晶硅在國際上的競爭力。

3、依托高校以及研究院所，加強新一代低成本工藝技術(shù)基礎(chǔ)性及前瞻性研究，建立低成本太陽能及多晶硅研究開發(fā)的知識及技術(shù)創(chuàng)新體系，獲得具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)。

4、政府主管部門加強宏觀調(diào)控與行業(yè)管理，避免低水平項目的重復(fù)投資建設(shè)，保證產(chǎn)業(yè)的有序、可持續(xù)發(fā)展。