多晶硅是制造晶體硅太陽能電池的重要原材料，目前，晶體硅太陽能電池在所有光伏電池中所占比例約為85%。在2008年國際金融危機到來之前，由于多晶硅現貨價格創下近500美元/千克的“天價”，很多業內人士對晶體硅太陽能電池乃至多晶硅材料的應用前景產生懷疑。隨著近兩年多晶硅價格回歸理性，尤其是中國多晶硅企業異軍突起，晶體硅太陽能電池的主導地位得以鞏固。不過，環保、能耗問題一直是多晶硅生產的瓶頸，不同的工藝路線也在多晶硅產業內部展開了競爭。
多晶硅仍將維持主流地位
2003年以來，隨著中國光伏產業的高速增長，中國多晶硅產業也迎來繁榮期。洛陽中硅高科技有限公司副總經理、多晶硅制備技術國家工程實驗室主任嚴大洲在接受《中國電子報》記者采訪時表示，2005年，我國年產多晶硅產量僅80噸，占世界年總產量的0.5%，且技術水平低，在國家發改委組織實施的《高純硅材料高技術產業化重大專項》支持下，我國多晶硅產量突飛猛進，2006年產量達到287噸，2007年達到1156噸，2008年達到4300噸，2009年達到20230噸。多晶硅作為光伏產業的基礎材料，在短短的5年內，從打破技術封鎖和市場壟斷，到產業規模僅次于美國，完成了過去計劃經濟時代幾十年要做而一直都未實現的事情，使我國成為世界多晶硅生產大國之一。“經過最近三五年的努力，中國多晶硅產業超越了此前30多年的成果，一舉解決了太陽能和電子產業原料長期受制于人的被動局面。這一輪的太陽能產業爆發式增長機會千載難逢，中國的多晶硅企業抓住了發展機遇，令歐美同行刮目相看。”江蘇中能硅業科技發展有限公司副總經理呂錦標也感慨道。
成都蜀菱科技發展有限公司技術總裁沈祖祥表示：“地殼中的硅資源非常豐富，目前被大多數公司采用的改良西門子法技術很成熟，晶體硅太陽能電池的光電轉換率比較高，因此，在技術不斷進步的前提下，今后30-50年，多晶硅光伏電池仍然可以保持對薄膜非晶硅電池的優勢。”
改良西門子工藝面臨挑戰
盡管薄膜非晶硅電池在短期內還無法撼動晶體硅電池的主流地位，但在多晶硅領域內，目前居于主導地位的改良西門子法也面臨其他工藝路線的挑戰。
六九硅業有限公司總經理張月和在接受《中國電子報》記者采訪時表示：“在多晶硅生產領域，改良西門子法是目前占絕對優勢的工藝路線，其產量占世界總量的80%左右。但我國很多廠家所采用的改良西門子技術尚處于第一代工藝，其缺點是能耗高、有害廢棄物多。”據張月和介紹，六九硅業采用新硅烷法生產多晶硅，與改良西門子法所采用的三氯氫硅工藝相比，其原材料豐富易得、耗電量小、生產率高，同時還不會對環境產生污染。
冶金法(又稱“物理法”)則是多晶硅生產領域的另一個挑戰者，其最大的優勢在于低成本，但其純度要滿足光伏電池所需的6N(即99.9999%)級，技術難度還是很高。冶金法太陽級多晶硅產業技術創新戰略聯盟理事長史博士告訴記者，2008年前，冶金法多晶硅只在私下被大多數光伏企業用來與西門子法多晶硅進行摻料生產，以降低成本,除了阿特斯和QCell等寥寥幾家公司外，幾乎沒有人對外宣布自己在使用冶金法多晶硅；不過，冶金法工藝也在開始走向成熟，在2009年，包括賽維、尚德、常州天合等在內的多家光伏巨頭，紛紛宣布自己采用了冶金法多晶硅。
在國內，采用冶金法多晶硅生產的太陽能電池也已經投入使用。據史介紹，2009年12月，全部用寧夏銀星生產的冶金法多晶硅材料制作的10MW光伏電站在寧夏太陽山并網發電；2010年5月，上海普羅采用自己生產的冶金法多晶硅生產的全多晶硅電池光伏電站業并網發電，容量為1MW；寧夏發電集團2010年將在紅寺堡、高沙窩等地再建100MW的全部采用冶金法多晶硅的光伏電站；此外，國內也有不少機場、移動基站、廠房屋頂開始采用冶金法多晶硅生產的太陽能電池。“無論采用哪種工藝路線，能否實現產業化才是多晶硅生產的出發點和落腳點。”沈祖祥說，“作為一種成熟的工藝，改良西門子法也還有繼續改良的余地。即便是美國、德國、日本的多晶硅廠家，他們對技術進步的探索也還在繼續，改良西門子法的道路還沒有走到盡頭。”
副產物處理也需做選擇題
對生產過程中副產物的重復利用就是“繼續改良”的課題之一。在用改良西門子法生產多晶硅的過程中，主要副產物為四氯化硅。每生產1千克多晶硅將產生10-15千克四氯化硅。可以說，對副產物四氯化硅的處理是多晶硅產業的一個瓶頸問題。“在改革開放之初，我國曾經有數十個多晶硅項目，但后來紛紛下馬，一個重要原因是四氯化硅的問題沒有得到解決。”沈祖祥說。
據四川新光硅業科技有限責任公司總經理陳紹章介紹，國際上，四氯化硅副產物的綜合利用主要有兩個方向，一個發展方向是用四氯化硅作原材料生產其他化工產品，包括白炭黑、硅酸乙酯、光纖預制棒和有機硅等；另一個發展方向就是在多晶硅生產過程中把四氯化硅轉化為三氯氫硅，對四氯化硅進行循環利用。
對于前一個發展方向，由于中國的多晶硅產業還處于起步階段，還沒有形成副產物加工處理的產業鏈條，同時，在生產其他化工產品的過程中不可避免地還會產生新的副產物，如鹽酸，因此，這種處理方式還面臨很多難題。“近幾年來，中國多晶硅產業呈幾何級數發展，預計今年的產量將超過4萬噸，因此，將產生40萬噸～60萬噸四氯化硅副產物。采用生產其他化工產品的方法無論如何都無法容納如此巨量的四氯化硅。”陳紹章說。
目前，我國對四氯化硅進行循環利用的氫化技術已經成熟。對四氯化硅進行循環利用也存在兩條技術路線。一條路線是冷氫化技術，就是在高壓和低溫(550℃)的條件下用硅粉、氫氣和氯化氫與四氯化硅進行反應；另一條路線是熱氫化技術，就是在1200℃的溫度下用氫氣與四氯化硅進行反應。
陳紹章對熱氫化和冷氫化兩種工藝進行了比較，他說；“在實際生產中，四氯化硅熱氫化的一次轉換率達到20%，循環過程中每產生1千克三氯氫硅耗電量約為3.5千瓦時，氫化過程中產生的三氯氫硅和氯化氫都將全部直接回收到系統之中，不需要對三氯氫硅再次進行精餾。通過四氯化硅的熱氫化，每千克多晶硅的生產成本將降低40元。冷氫化工藝的操作壓力很高，并且在氫化過程中要加入硅粉。由于硅粉的硬度遠遠大于鋼材，因此對設備的磨損也會很大。此外，加入硅粉會對氫化以后的三氯氫硅的質量產生影響，還需要對其進行精餾處理。相比之下，熱氫化工藝的反應完全是氣相的過程，生成的三氯氫硅純度很高，并且便于計算機進行流程控制，其唯一的缺點是能耗會高于冷氫化工藝。”
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