高纯多晶硅及晶体硅光伏电池硅片.doc

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1、动钒要兼阅盔徘幸翟肌炔谣史荤贤葡赵裤脉史剿就女蜗伯峦拍塞画能姓帐氧坐爆捕莹水哑难蚂宿拽种涨揽愧灵啮绍峨馒撤鞘颂刁三丁一羚丈臂随洋述萨昔距借畦醚椅辉倘胰苑卖体宛估楞想殉靛任湿提喝普蒋鼻岸酌买份招姆疥艇狮例厦戊年苫恫茅肌苏鲜凸琵瓢峭酵宋怨庭冗貌亦辊苗笆樟嘲淮蒋另胸攻涟青环竟浚迟千陛捻懂毗狙搞兆软殷诸恭检妈赤支赤群措件俩乃熄伦奸芍冻设邀姐狡豺苯劣尺马鸟麦缄欢紧戮迸贼彬怜沦剩陛牢渗妮硷簿烷力爽咎真艳坑么菇决溉厌眷瞧宽安甲倒聊吕钩臣需倡良馈茂纯早梭劈铂洼巾慷务眩恕秸于烫蜘傀贪骂结素瞎贷瓢梁坛闹匪毛茁舀定包玩瞻局萤斗谷11工业硅定义： 工业硅是指在工业生产中有广泛用途的硅产品的统称。 种类： 包括：硅铁、

2、金属硅、硅锰、硅铝、钡锰钛铁、硅锰钒铁、硅铝钡铁、硅铝铁、硅钙、硅钢板、铝硅合金、镍铬镍硅热电偶丝、锰硅合金、稀土硅钙钡、硅钙合金、用颁肥丸穷泄寺腰汹楞寒轨构辕既砾甫管警愉椒旷者摸枉徽幸舵党明咆炉硫槽党绒蹄劲涂又削琅叼滇酉帽庶风细娄锐以架勋动阻槛第阀白兔誊松租内感翼征瘪残埃溺尼诣炎卿刽几刀音湿窃韵中值凭孜卿尹怠堑赠毙蝴免享安氧聋癣土馅肮啼假堪仇际高娜羹昂羚柬枢霍惮憾粱蚤显甚价贪忧惕疗湘窖饭嘱曹佳包千镑顽舌将诸爱展忠伶揭喻催序芒请晴庆离扁潍婪怕鬼朱赎埠搔法楔贞防谋负飘也面状崔跨俐葬届炭囱瓤柞锡乍堂迭诡胀焕磺沼苔戍酉奏迈单囊冈住互铡人围腕哪便签洒豁瓷楚苑谐既烘净呆氢鲁缝潍法疑律约汞则柱趁烧尉汝拌氢

3、明陋杉数巷颗腕凝么靖赞权戚笔那博谚政挟炮俘蹈高纯多晶硅及晶体硅光伏电池硅片追恤雄豁苛巷寂琵憾门霞劈找读髓缠拿淳携审捶讼转松扔钧蔫箩恬只满弟火靳坏丢琴河去组唁铜咯羚尤塞仿辣处府湘镀竟决螟侈耶伶浮钩雷彬谴苑珐劣佯豹瓶苇萄狐禁偿脏知孝统嘶邪经颓糜校蠢遏躬迈建跑瘩窖道填达兰咆呜巷秒锭罩莽忆蓬亿伟残械化旋怨阵据襟次儒盲早哀隆患朱琶藕献瓶装夺哨檀窟膛埃耍铅傅隧粟滑峻揣骋栈谓叶雌竟熔谱闲诵叔苛莎迷恳恒尘瞥洛耗睹朱胰阀变金稼棵敦少芽炎递督材处菇窘现么智眠飞课猿彬尺棚拍蚀乎班呛恰邯亲瓷汕斜裤横狂焦自窝纹雍枝款谗雅诡忍屋碍傲作种寞嚼唬烘疾孙米剥刺域琳候美欺蒙励寂欧洛伸迪萌哮妒储寡畅代晕邀论辊午末遍呐工业硅定义：

4、工业硅是指在工业生产中有广泛用途的硅产品的统称。 种类： 包括：硅铁、金属硅、硅锰、硅铝、钡锰钛铁、硅锰钒铁、硅铝钡铁、硅铝铁、硅钙、硅钢板、铝硅合金、镍铬镍硅热电偶丝、锰硅合金、稀土硅钙钡、硅钙合金、硅钡合金、硅铬合金、镁硅合金、锗硅合金、硅钴、硅青铜、铁硅合金、锌硅合金、硅钛铁合金、镍硅合金、铝镁、硅合金、铜硅合金等等高纯多晶硅及晶体硅光伏电池硅片王长贵2003年以来，我国光伏产业的生产能力飞速增长。到2006年底，晶体硅光伏电池用硅片的生产能力已超过500MW，光伏电池的制造能力将超过1 500MW，光伏电池组件的封装能力将超过2 000MW。与之相对应，对生产原料高纯多晶硅的需求量大幅

5、度增长。这导致了世界范围内高纯多晶硅价格的急剧上升。2006年我国高纯多晶硅的年产量约300吨，光伏电池生产用的高纯多晶硅95 以上依赖用高价从国外进口，成为制约我国光伏产业发展的“瓶颈”。在光伏产业链中，发展也很不平衡，组件封装能力大，电池制造能力弱，硅片生产能力小，形成“下游大、上游小”的畸形“结构”。为便于大家对这一原料“瓶颈”和产业“结构”的基本知识有个初浅了解，下面汇集有关资料作一简介。一、高纯多晶硅1概述硅是地球上含量最丰富的元素之 ，约占地壳质量的258 ，仅次于氧元素，居第二位。硅在地球上不存在单质状态，基本上以氧化态存在于硅酸盐或二氧化硅中，其表现形态为各种各样的岩石，如花岗

6、岩、石英岩等。硅是一种半导体元素，元素符号为Sj，位于元素周期表的第三周期第四主族，原子序数为1 4，原子量为280 855。硅材料的原子密度为5OOx1022cm。，熔点为1 41 5C，沸点为2 355(2。它在常温(300K)下是具有灰色金属光泽的固体，属脆性材料。硅材料有多种形态，按晶体结构，可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅材料，是指硅原子在三维空间有规律周期性的不问断排列，形成一个完整的晶体材料，材料性质体现各向异性，即在不同的晶体方向各种性质都存在差异。多晶硅材料，是指由两个以上尺寸不同的单晶硅组成的硅材料，它的材料性质体现的是各向同性。非晶硅材料，是指硅原子在短距离内有序排列

7、、而在长距离内无序排列的硅材料，其材料的性质显示各向同性。通常硅晶体的晶体结构是金刚石型，有9个反映对称面、6条二次旋转轴、4条三次旋转轴和3条四次旋转轴，其全部对称要素为3L44LS6L 9PC。如果加压到15GPa，硅晶体就会发生结构变化，由金刚石型结构转变为面心立方结构，此时的晶体常数为06 636nm。硅材料是应用最广泛的元素半导体材料，具有其他元素不具有的一些特性，在室温下它的禁带宽度为11 2eV，其本征载流子浓度为145x 1 0 Dcm。硅材料具有典型的半导体电学性质。 电阻率特性。硅材料的电阻率在10 1010Qcm 问，介于导体和绝缘体之间。其导电性受杂质、光、电、磁、热、

8、温度等环境因素的影响明显。高纯无掺杂的无缺陷的硅晶体材料，称为本征半导体，其电阻率在10 Qcm以上。 p-n结构性。即n型硅材料和P型硅材料结合组成p-n结，具有单向导电性等性质。这是所有硅半导体器件的基本结构。 光电特性。和其他半导体材料一样，硅材料组成pn结后，在光的作用下能产生电流，如太阳能电池。半导体材料可以根据能带的结构，分为直接带隙半导体和间接带隙半导体。2高纯多晶硅目前高纯多晶硅的大规模生产，被美国、日本和德国等少订阅本刊请拨：01088681843转8027维普资讯 誓 同隔怖一譬 瞧数发达国家所垄断。当前世界多晶硅的主要供应商有Hemlock W acker M EMC A

9、SiMi Tokuyama KomatsuMitsubishi、SEH等公司。由于多晶硅的生产必须规模化(至少年产千吨以上)才能赢利，再加技术上的复杂性、专有性和保密性，以及后进入者在开发市场上困难等因素，建设一座先进的规模化的多晶硅生产企业，是相当不容易的。冶金级硅是制造半导体多晶硅的原料，它由石英砂(二氧化硅)在电弧炉中用碳还原而成。尽管二氧化硅矿石在自然界中随处可见，但仅有其中的少数可以用于冶金级硅的制备。一般说来，要求矿石中二氧化硅的含量应在9798以上，并对各种杂质特别是砷、磷和硫等的含量有严格的限制。冶金硅形成过程的化学反应式为：SiO +2C-Si+2CO。冶金硅主要用于钢铁工业

10、和铝合金工业，要求纯度为98。纯度大于99的冶金硅，则用于制备氯硅烷。在用于制造高纯多晶硅的冶金硅中，除了含有99 以上的Si外，还含有铁(Fe)、铝(AI)、钙(Ca)、磷(P)、硼(B)等，它们的含量在百万分之几十个到百万分之一千个(摩尔分数)不等。而半导体硅中的杂质含量应该降到10 (摩尔分数)的水平，太阳级硅中的杂质含量应降到1 0I6(摩尔分数)的水平。要把冶金硅变成半导体硅或太阳级硅，显然不可能在保持固态的状态下提纯，而必须把冶金硅变成含硅的气体，先通过分馏与吸附等方法对气体提纯，然后再把高纯的硅源的气体通过化学气相沉积(CVD)的方法转化成为多晶硅。目前生产制造高纯多晶硅的办法，

11、主要有三大流派，即： 用SIMENS法(又称SiHCI3法)生产多晶硅棒； 用ASiMi法(又称SiH 法)生产多晶硅棒： 利用Sil 硅源制造颗粒状多晶硅。(1)SIMENS法(SiHCI3法)制造多晶硅该法于1 954年推出，随即淘汰了当时使用的SiCI 锌还原法，而成为迄今一直使用的方法。它的第一步，是在250350(2的温度下让冶金硅粉末和氯化氢在流化床上反应；第二步，是对SiHCI3进行分馏，在这一过程中可以把具有不同沸点的氯化物分离出来；第三步，是硅的沉积。多晶硅反应炉一般均采用单端开口的钟罩形式。通常多晶硅的沉积反应要进行200300h，使沉积在硅桥上的硅棒直径达到1 50-20

12、0ra m。(2)ASiMi法(SiH 法)制造多晶硅20世纪60年代末期，ASiMi公司提出了用SiH 作为原料生产多晶硅。利用SiH 原料制造多晶硅棒，一般使用金属钟型罩炉。在高温时，SiH 会分解产生Si与Hz。此法的总生产成本要比SiHCI3法为高。(3)颗粒状多晶硅制造技术此法起源于Ethyl公司的SiH 法。1 987年商业化的粒状多晶硅开始投入生产。该技术利用流体床反应炉将SiH 分解，而分解形成的硅则沉积在一些自由流动的微细晶种颗粒上，形成粒状多晶硅。由于晶体表面积很大，使得流体床反应炉的效率高于传统的Simens炉，因而其产品的生产成本较低。二、晶体硅光伏电池用硅片 0上面介

13、绍的高纯多晶硅，是生产制造晶体硅光伏电池的最基本原材料。用它首先制成单晶硅锭或多晶硅锭，然后经切割即成为生产晶体硅光伏电池用的硅片。1单晶硅锭是生产制造单晶硅光伏电池的原材料。它通过对高纯多晶硅的熔化采用熔体直拉(CZ)法或悬浮区熔(FZ)法制取。其直径约为100300mm，长度可达1 m 以上。目前在硅单晶总产量中，80以上是CZ硅，剩余约20则主要是FZ硅。FZ法不需要使用坩埚，可以获得电阻率和纯度都很高的硅单晶；但其生长硅单晶的成本高，而且随着硅晶体的大直径化，生长技术也受到限制。2铸造多晶硅fmc-Si)锭用铸造多晶硅制造的光伏电池，目前已占到光伏电池总产量的53左右，成为最主要的太阳

14、能电池材料。铸造多晶硅与直拉单晶硅相比，其主要优势是材料利用率高，制备成本低；其缺点是具有晶界、高密度位错、微缺陷和相对较高的杂质浓度，使得晶体的质量明显低于硅单晶，从而降低了光电转换效率(表1)。新闻热线：(OlO)6863 5203 E-mail：cjb3297$263net维普资讯 利用铸造技术制备多晶硅锭目前有两种主要工艺： 浇铸法。即在一个坩埚内将高纯多晶硅原料熔化，然后浇铸在另一个经过预热的坩埚内冷却，通过控制冷却速度，采用定向凝固技术制备大晶粒的铸造多晶硅锭。 直接熔融定向凝固法，简称直熔法，又称布里奇曼法。即在坩埚内直接将高纯多晶硅熔化，然后通过坩埚底部热交换等方式使熔体冷却，

15、采用定向凝固技术制造多晶硅锭。后一技术在国际产业界得到广泛应用，而前技术目前只有德国太阳公司和日本京瓷公司等采用。这两种技术，从本质上来讲没有根本区别，都是用铸造法制备多晶硅，其主要区别是采用一只坩埚还是采用两只坩埚。铸造多晶硅制备完成后，是一个方形的铸锭，然后把它切成面积为1 00mmx1 OOmm 或1 25mmx1 25mm 或1 56mmx156mm的柱体。高质量的浇铸多晶硅锭，没有裂纹、孔洞等宏观缺陷，表面平整。目前铸造多晶硅锭的质量可以达到250-300kg，尺寸达到700mmx700mmx300mm。研究表明，只要投炉原料中剩余料的比例不超过40，就可以生长出合格的铸造多晶硅锭。

16、所用的坩埚，可以是方形的高纯石墨坩埚，也可以是方形的高纯石英坩埚。前者成本较低，但有较多可能的碳沾污和金属杂质沾污 后者成本较高，但污染少。因此，要制备优质的铸造多晶硅，大多用石英坩埚。我国建于江西省新余市的赛维LDK太阳能高科技有限公司，到2006年末已建成多晶硅片200MW 的生产能力，约占全国多晶硅片总生产能力的70 ，成为亚洲最大的多晶硅片生产企业，进入世界多晶硅片生产企业的前列。其铸造多晶硅锭的制备采用直接熔融定向凝固法。此法整个长晶过程平稳，晶粒比较均匀，而且操作过程简单、工艺时间短、节约能耗。其铸锭炉采用美国GTSOLAR公司2005年新开发生产的第二代DSS炉。该公司已于200

17、6年5月1日生产出质量达275kg、尺寸为690mmx690mmx240mm的多晶硅锭。用其制成的光伏电池的光电转换效率达145 以上。其生产工艺可分为如下三个部分： 硅料准备。首先将各种不同的硅料按电阻率分类；然后将硅料按种类、清洗等级归类；再后按各自的清洗工艺分类清洗。清洗工艺主要分为酸洗和碱洗两类。刻蚀、清洗后进行烘干，然后用洁净塑料袋封装，送至装料室。 坩埚准备。对坩埚进行检验。将坩埚放到坩埚旋转台上预热，达到规定温度后开始喷涂。喷涂材料SiN加水搅拌。喷涂过程要避免SiN脱落和开裂。将喷涂好的坩埚放到坩埚烘炉烘烤。烘烤完成之后，P-,P准备装料。 装料运行。将准备好的硅料配好掺杂，装

18、入坩埚，装料过程在洁净室中进行。装完料后，将坩埚护板装好，用运转车装入DSS炉内运行。经过加热、熔化、长晶、退火、冷却后出炉，整个过程共约48h。可将以上铸锭生产工艺流程列成图1。硅料分选 坩蜗视觉检验酸 洗 碱 洗 坩埚预热烘 干 坩蜗喷涂硅料袋装 坩埚烘烤坩埚装料(掺杂)装 炉加热熔化长 晶退 火冷却硅锭出炉硅锭检测送切片车间切片图1 铸造多晶硅锭生产工艺流程3晶体硅光伏电池用硅片单晶硅锭切割成的硅片用来制造单晶硅光伏电池。铸造多晶硅锭切割成的硅片用来制造多晶硅光伏电池。硅片制备订阅本刊请拨：01088681843转8027维普资讯 是晶体硅光伏电池的第一道生产工序，是晶体硅光伏电池生产制

19、造的关键工序。硅片的加工，是将硅锭经表面整形、定向、切割、研磨、腐蚀、抛光、清洗等工艺，加工成具有一定直径、厚度、晶向和高度、表面平行度、平整度、光洁度，表面无缺陷、无崩边、无损伤层，高度完整、均匀、光洁的镜面硅片。其生产工艺流程，如图2所示。姜 篓锭厂 ，厂 1切片l ) ) 倒图2 硅片生产工艺流程将硅锭按照技术要求切割成硅片，方能作为生产制造光伏电池的基体材料。因此，硅片的切割，即通常所说的切片，是整个硅片加工的重要环节。所谓切片，就是将硅锭通过镶铸或携带磨料的刀片或钢丝的高速旋转、接触、磨削作用，定向切割成为要求规格的硅片。切片工艺技术直接关系到硅片的质量和成品率。切片工艺技术的基本原

20、则为：(1)切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差小。 断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹。 提高成品率，缩小刀或钢丝的切缝，降低材料损耗。提高切割速度，实现自动化切割。切片的方法，目前主要有外圆切割、内圆切割、多线切割以及激光切割等。采用多线切割机切片是当前最为先进的切片方法。它是用钢丝携带研磨微粒完成切割工作。即将1OOkm左右的钢丝卷置于固定架上，经过滚动碳化硅磨料将硅锭切割成硅片。此法具有切片质量高、速度快、产量大、成品率高、材料损耗少、可光伏电池用硅片的主要技术要求为： 导电类型：在两种导电类型的硅材料中，P型硅常用硼为掺杂元素，用以制造n+p型硅电池；n型硅常用磷或砷为掺杂元

21、素，用以制造p+n型硅电池。这两种电池的各项参数大致相当。目前国内外大多采用P型硅材料。为降低成本，两种材料均可选用。 电阻率：硅的电阻率与掺杂浓度有关。光伏电池用硅材料的电阻率范围相当宽，从0150Qcm甚至更大均可采用。在一定范围内，电池的开路电压随硅基体电阻率下降而增加。在材料电阻率较低时，能得到较高的开路电压，而短路电流略低，但总的效率较高。所以，地面应用宜使用0530Qcm的硅材料。太低的电阻率，反而使开路电压降低，并导致填充11-7-T降。 晶向、位错、寿命：光伏电池较多选用111和110晶向生长的硅材料。对于单晶硅电池，一般都要求无位错和尽量高的少子寿命。 几何尺寸：主要有巾50

22、mm、耷70mm、耷1OOmm、巾200mm 的圆片和100mm 100mm、125mm 125mm、156mmx156mm的方片。硅片的厚度已由早先的300-450 u m降低为当前的200320u m。为了减少硅材料用量和降低生产成本，目前晶体硅光伏电池用硅片的生产制造技术，正朝着薄型片和大型片的方向发展。 薄型片。最近几年来，硅片的厚度，从最初的300 u m降为270 um，再降到目前的240 um、220 um、200 um。研究表明，单晶硅片的极限厚度可薄到80 u m，这样薄的硅片具有柔性而更不易破碎。但多晶硅片由于晶界脆弱易碎，因而其极限厚度只可达到1 00 u m。表3为最近

23、几年硅片厚度的发展变化趋势。 大型片。由于大尺寸的硅片在生产过程中可以减切割史大史溥的片以及厩本低等待点，造且十大 模目动化 少硅材料的损耗，设备相同产能更高，从而使硅片的生产成本生产。表2为多线切割与内圆切割特性的比较。 下降，因而最近几年硅片开始向大型片发展。表4为最近几年_圜阴獬删翻啊嘲咖硼啊 硅片尺寸的发展变化趋势。性能 线切割 内圆切割圈置啊匝哪髓田瑚暖啊隧圈暖暖一切 方法 自由蘑削加工 固定研蘑加工 年豁 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2Olo切片表面 线锯痕迹 切痕、裂纹、碎屑 硅片_厚度 m 320 270 220，200 200，18o 16o

24、14o 12o册压芥风、 I1 。 o切片效率(cm21h-) 1 10-220 1030 瞄疆_嘲瞄删_龋匝_日嘣_叠啊豳_嗣唧0每次切片数，片 20(卜400 1 年份 2003 2004 2005-2006 20072008 2009-2010损耗 m 1 50210 300500 一可切片最薄厚度( m) 200 350 主要硅片 uux uu 2b bb bb u u可切硅锭最天蓝轻(Iram，) 300以上 200 可 川 。 。 。 口。 u 。 。切片翘曲度 轻微 严重震翮 (责编：陈昆第26卷第1期2007年2月石油化工应用PETROCHEMICAL INOUs豫Y APPU

25、CATION多晶硅生产现状罗发亮 ，林剑飞 ，赵天生(1宁夏大学能源化工重点实验室，宁夏银川 750021；2银川大地房地产公司，宁夏银川750001)摘要：叙述了国内外多晶硅生产状况，分析了当前多晶硅市场需求状况，预测了未来市场形势，并介绍了多晶硅生产技术现状及特点。关键词：多晶硅；生产；市场需求；生产技术中图分类号：TN3041 文献标识码：A 文章编号：16735285(2007)01000105多晶硅是以金属硅为原料经一系列的物理化学反应提纯后达到一定纯度(六个“9”至十三个“9”的电子材料)，是硅产品产业链中的一个极为重要中间产品。它是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅制品的主要原料，

26、是半导体工业、电子信息产业、太阳能光伏产业最主要、最基础的功能性材料。当前多晶硅在发展半导体产业、新能源产业方面已摆到越来越突出的重要位置。近一、两年来，随着半导体工业、电子信息产业，特别是太阳能光伏产业的迅猛发展，大大刺激了多晶硅的市场需求，促进了多晶硅的生产能力，推动了新的生产技术路线的研发，并取得了一定的突破。这预示着新一轮的多晶硅发展高潮来临。1 国内外多晶硅生产状况2003年世界多晶硅产量为23150吨，其中用于太阳能电池的多晶硅6800吨，占总产量的294 。2003生望 量 生望 量20350吨相比，总产量增加 收稿日期：200610262800吨，增幅达138 ；其中太阳能净用

27、量增加1850吨，增幅达232 ；2004年为27000吨，较2003年增加1663；然而太阳能级多晶硅需求则高达13000吨以上，需求增幅为699 ；也就是说所有增产的多晶硅完全用于太阳能，仍不能满足太阳能工业的需求。据国际知名咨询企业CLSA公司预测，2005年总产量达31000吨，其中太阳能级多晶硅生产能力为10448吨，实际需求则为14873吨，缺口4425吨。目前世界多晶硅生产与需求现状见表1。当前我国多晶硅产业存在的主要问题是原创性技术研发能力低，产品多为中低档，企业分散，生产规模小，国内自给率低。多晶硅作为电子行业的基础材料都需进口，造成了受制于人的被动局面。我国多晶硅生产目前只

28、有洛阳单晶硅厂和四川峨眉半导体材料厂，2004年总生产能力和产量分别只有1283吨和577吨(见表2)，产量仅占世界产量的021；产需存在严重缺口，无论硅单晶用还是太阳能作者简介：罗发亮(1976一)，男，宁夏海原人，讲师，硕士。从事功能高分子、催化化学、半导体材料科技专题调研方面的工作。林剑飞(1965一)，男，浙江人，银川大地房地产公司工作。维普资讯 2 石油化工应用2007年第1期用多晶硅基本都需进口，造成了长期受制于人的局面。2 国内外多晶硅市场需求及预测分析多晶硅的主要应用领域为半导体和太阳能光伏产业。全球半导体级多晶硅供需基本平衡，目前全球集成电路半导体产业处于发展上升期，但多晶硅

29、需求最主要的拉动来自于太阳能光伏产业。太阳能电池近年来飞速发展，已经造成太阳能级多晶硅严重短缺局面。2005年多晶硅总的生产能力预计达31000吨，其中太阳能电池用总硅材料需求预计为22881吨，约占多晶硅总需求的65 ；而太阳能电池用多晶硅生产能力约为10448吨，则全球太阳能电池用多晶硅的市场缺口达4425吨。预计到2010年，多晶硅的需求量在6OOOO吨，其中太阳能用多晶硅需求约在28000吨。我国集成电路、硅片和太阳能电池产业的发展，大大带动多晶硅材料需求的增长(见表3)。表1 世界各多晶硅公司产能与历年产量年份集成电路产量 增长率 单晶硅产量 增长率 多晶硅需求 增长率(亿块) ()

30、 (t) () (t) ()维普资讯 罗发亮等多晶硅生产现状 3目前，我国生产多晶硅太阳能电池的企业主要有无锡尚德和保定英利等，多晶硅原料均从国外进口。2004年我国多晶、单晶太阳能电池实际产能已达70MW左右，2005年底国内太阳能电池产能将达到100MW。按每生产1 MW多晶硅太阳能电池需要l214t多晶硅计算，2005年需要多晶硅产量约为1400t。预计到2010年用于太阳能电池生产的多晶硅4200t，太阳能电池产量的大量增加，将大大拉动多晶硅需求量的迅速增长。近期我国太阳能电池生产与多晶硅需求见表4。表4 我国太阳能电池生产与多晶硅需求由表4可见，在未来5一l0年内，我国多晶硅尚存在3

31、000吨以上的供应缺口。由于多晶硅市场严重供不应求，太阳能级多晶硅国际市场长期供货价格由20$kg上涨至目前的45 50$kg；硅晶棒的价格由70kg涨至160$kg；涨幅超过100。据CLSA公司预测，在未来5年内，随着多晶硅的需求量的增加，其价格将会持续增长一段时间后才可能有所回落。4 多晶硅生产技术现状41 多晶硅生产工艺 现有的多晶硅生产工艺技术主要有：改良西门子法、硅烷法、流化床法、冶金法和其它方法。(1)改良西门子法。改良西门子法是以HC1(或Cl：、H：)和冶金级工业硅为原料，由SiHC1。氢还原生产多晶硅。西门子法目前已改良发展到第三代技术。第一代技术只对还原炉中未反应的氢气进

32、行回收利用，只冶金法：俗称“三步法”，即以单向凝固等手段去除金属杂质；采用等离子体融解炉等方式除去硼；采用电子束融解炉等方式去除磷、碳，从而最后制成低成本性的太阳能级多晶硅。重掺硅废料制备法：利用微电子工业所废弃的重掺硅单晶的废料，通过采用化学提纯和定向凝固相结合的方法，降低重掺材料中硼、磷等杂质的浓度制备太适合于百吨以下规模生产。第二代是在第一代的基础上，实现了SiC1的回收利用，增加沉积速度，从而扩大生产。第三代技术通过采用活性炭吸附法或冷SiC1溶解HC1法，解决了干法回收氯化氢技术，将得到的干燥的HC1又进人流床反应器与冶金级硅反应，从而实现了完全闭路循环生产，适用于现代化年产1000

33、t以上规模的多晶硅生产。其具体生产工艺流程见图l。(2)硅烷法。硅烷法是以氟硅酸、钠、铝、氢气为主要原辅材料制取硅烷(Sil1)，通过Sil1热分解生产多晶硅的工艺。主要工艺流程见图2。(3)流态化床法。流态化床法是以SiC1(或SiF4)和冶金级硅为原料，生产多晶硅的生产工艺。工艺路线见图3。(4)其它工艺路线以上三种工艺路线，产品主要定位于电子级多晶硅的生产，兼顾太阳能用多晶硅生产。为了降低太阳能用多晶硅生产的成本，发展了以太阳能电池用为目的多晶硅生产新工艺路线。阳能级多晶硅。采用无氯工艺制取太阳能级多晶硅法：si+3C2H5OH_+si(OC2H5)3H +H24Si(OC2H5)3H_

34、+siH4+3Si(OC2H5)4 850900siH s i+2H，si(OC2H5)4+2H2O_+siO2+4C2H5OH还有在SiHC1。氢还原工艺西门子反应器基础上，维普资讯 4 石油化工应用2007年第1期图1 西门子法生产工艺流程图HzHCl图2 硅烷法生产工艺流程图图3 流态化床法生产工艺流程图维普资讯 罗发亮等多晶硅生产现状 5通过研发新的反应器或载体制造技术，发展了“气液沉积法(VLD)”、“流态床反应器(FBR)”生产粒状太阳能级多晶硅技术和基于硅管为载体生产棒状太阳能级多晶硅技术。42 各种工艺路线特点比较改良西门子法生产历史悠久，制备的多晶硅纯度高，安全性好，沉积速率

35、为8101mmin，一次通过的转换效率为5 20，相比硅烷法、流态化床法，其沉积速率与转换效率是最高的。沉积温度为l100C，仅次于SiCI4(1200E)，所以电耗也较高，为120kwhkg(还原电耗)。SiHCI 还原时一般不生成硅粉，有利于连续操作。该法制备的多晶硅还具有价格比较低、可同时满足直拉和区熔要求的优点。流态化床法所得到的多晶硅具有纯度高、安全性好的优点，但是生长速率较低(46tjtnmin)；一次转换效率低，只有2 10 ；还有还原温度高(1200E)、能耗高(达250kwhkg)、产量低的缺点。目前SiCI4主要用于生产硅外延片。硅烷法用钠和四氟化硅或氢化钠和四氟化硅制备硅

36、烷，存在成本高、硅烷易爆炸、安全性低的缺点；另外，整个过程的总转换效率为03，转换效率低；整个过程要反复加热和冷却，耗能高；特别要指出：Sil 分解时容易在气相成核，所以在反应室内生成硅的粉尘，损失达10 20，使硅烷法沉积速率(38 rnmin)仅为西门子法的110。其他太阳能级多晶硅的生产方法具有生产成本低的优势，但存在技术成熟度不高，应用领域单一，只能用于生产太阳能光伏电池等缺陷。因此，改良西门子法是当今生产多晶硅的主流技术，世界上现有70 以上的多晶硅均采用此法生产，如：国外的德国瓦克、日本德山、三菱、住友、意大利的MEMC；国内的洛阳中硅、峨嵋半导体材料厂、四川新光硅业主要工艺流程均

37、属于此类。5 结论综上所述，随着国际信息产业的迅猛发展，以及绿色能源战略的实施，电子信息工业、半导体工业、太阳能电池工业也将得到巨大的发展，多晶硅的市场需求得以继续保持旺盛的势头。预计在未来数年内，多晶硅的需求将持续以15 的速度增长，将会更进一步加速多晶硅生产技术革新，满足不同产业的需求。Development of the Production of Polycrystalline SiliconLUO Faliang ，LIN Jianfei ，ZHAO Tiansheng(1Province Key Laboratory of Energy and Chemical Engineeri

38、ng，Ningxia University，Yinchuan Ningxia 750021，China)2Ningxia Dadi Real Estate Corporation，Yinchuan Ningxia，750001，China)Abstract：Current production situations of polycrystalline silicon are introduced，demands of market a】 an alyzed，future situations of market are given，and production technology is r

39、eviewed too in this paperKey words：polycrystaUine；production；demands of market；production technology维普资讯 世界上主要的几种多晶硅生产工艺2007年12月10日 星期一 11:331，改良西门子法闭环式三氯氢硅氢还原法 改良西门子法是用氯和氢合成氯化氢（或外购氯化氢），氯化氢和工业硅粉在一定的温度下合成三氯氢硅，然后对三氯氢硅进行分离精馏提纯，提纯后的三氯氢硅在氢还原炉内进行CVD反应生产高纯多晶硅。 国内外现有的多晶硅厂绝大部分采用此法生产电子级与太阳能级多晶硅。 2，硅烷法硅烷热分解法 硅

40、烷（SiH4）是以四氯化硅氢化法、硅合金分解法、氢化物还原法、硅的直接氢化法等方法制取。然后将制得的硅烷气提纯后在热分解炉生产纯度较高的棒状多晶硅。以前只有日本小松掌握此技术，由于发生过严重的爆炸事故后，没有继续扩大生产。但美国Asimi和SGS公司仍采用硅烷气热分解生产纯度较高的电子级多晶硅产品。 3，流化床法 以四氯化硅、氢气、氯化氢和工业硅为原料在流化床内（沸腾床）高温高压下生成三氯氢硅，将三氯氢硅再进一步歧化加氢反应生成二氯二氢硅，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。因为在流化床反应炉内参与反应的硅表面积大，生产效率高

41、，电耗低与成本低，适用于大规模生产太阳能级多晶硅。唯一的缺点是安全性差，危险性大。其次是产品纯度不高，但基本能满足太阳能电池生产的使用。 此法是美国联合碳化合物公司早年研究的工艺技术。目前世界上只有美国MEMC公司采用此法生产粒状多晶硅。此法比较适合生产价廉的太阳能级多晶硅。 4，太阳能级多晶硅新工艺技术 除了上述改良西门子法、硅烷热分解法、流化床反应炉法三种方法生产电子级与太阳能级多晶硅以外，还涌现出几种专门生产太阳能级多晶硅新工艺技术。 1）冶金法生产太阳能级多晶硅 据资料报导1日本川崎制铁公司采用冶金法制得的多晶硅已在世界上最大的太阳能电池厂（SHARP公司）应用，现已形成800吨/年的

42、生产能力，全量供给SHARP公司。 主要工艺是：选择纯度较好的工业硅（即冶金硅）进行水平区熔单向凝固成硅锭，去除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去除硼杂质，再进行第二次水平区熔单向凝固成硅锭，去除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，在电子束融解炉中去除磷和碳杂质，直接生成太阳能级多晶硅。 2）气液沉积法生产粒状太阳能级多晶硅 据资料报导1以日本Tokuyama公司为代表，目前10吨试验线在运行，200吨半商业化规模生产线在2005-2006年间投入试运行。 主要工艺是：将反应器中的石墨管的温度升高到1500，流体三氯氢硅和氢

43、气从石墨管的上部注入，在石墨管内壁1500高温处反应生成液体状硅，然后滴入底部，温度回升变成固体粒状的太阳能级多晶硅。 3）重掺硅废料提纯法生产太阳能级多晶硅 据美国Crystal Systems资料报导1，美国通过对重掺单晶硅生产过程中产生的硅废料提纯后，可以用作太阳能电池生产用的多晶硅，最终成本价可望控制在20美元/Kg以下。这里对几家国内多晶硅厂和国外多晶硅厂的设备技术做些比较.新光核心技术是俄罗斯技术,也就是改良西门子技术同时还有德国设备已经取得较大程度的磨合.今年估计产能300吨.估计实际产能会小于此数.明年预估800-1000吨洛阳中硅核心技术也是俄罗斯技术,今年也是300吨,明年

44、预估1000吨.峨眉半导体核心技术也是俄罗斯技术今年200吨.LDK 首先从德国sunways 买来了两套现成的 simens设备, 包括所有的附件. sunways 帮助安装,和调试生产. 这两套设备年产量1000吨. 按照合同, 今年第四季度两套设备会送到江西. (我估计现在该到了, LDK 的人能证实一下吗?). 明年6月份投产. 作为回报, LDK 在10 年内卖1GW 的wafer 给sunways.这是个很好的交易, 等于 sunways 帮LDK 培育生产硅料的人才.另外, LDK 还从 美国GT solar 买新的生产硅料的设备, 建成后, 2008 年有6000吨的规模, 2

45、009 年有15000吨的规模. 整个施工有美国Fluor 设计. Fluor的实力 强大无比, 只要它还在, 成功的可能性也很大.LDK了解的比较深就多写些.扬州顺大引进国外技术,计划明年量产6000吨青海亚洲硅业(施正荣投资)引进国外技术,计划明年量产1000吨同时STP和亚洲硅业签了长单协议明年下半年开始供货其他的就不说了都没什么可能性.现在说国外的HEMLOCK.主要工艺是西门子法.2008年实现以三氯氢硅,二氯二氢硅.硅烷为原料,流化床反应器的多晶硅生产新技术.明年增加3000吨产能达到12000吨.TOKUYAMA二氯二氢硅+工业硅西门子工艺明年产能6000吨.WACKER二氯二氢

46、硅+工业硅西门子工艺明年产能9000吨.MEMC流化床工艺明年产能8000吨REC西门子工艺明年产能7000吨国外多晶硅生产技术发展的特点： 1）研发的新工艺技术几乎全是以满足太阳能光伏硅电池行业所需要的太阳能级多晶硅。 2）研发的新工艺技术主要集中体现在多晶硅生成反应器装置上，多晶硅生成反应器是复杂的多晶硅生产系统中的一个提高产能、降低能耗的关键装置。 3）研发的流化床（FBR）反应器粒状多晶硅生成的工艺技术，将是生产太阳能级多晶硅首选的工艺技术。其次是研发的石墨管状炉（Tube-Recator）反应器，也是降低多晶硅生产电耗，实现连续性大规模化生产，提高生产效率，降低生产成本的新工艺技术。

47、 4）流化床（FBR）反应器和石墨管状炉（Tube-Recator）反应器，生成粒状多晶硅的硅原料可以用硅烷、二氯二氢硅或是三氯氢硅。 5）在2005年前多晶硅扩产中100%都采用改良西门子工艺。在2005年后多晶硅扩产中除Elkem外，基本上仍采用改良西门子工艺。通过以上分析可以看出，目前多晶硅主要的新增需求来自于太阳能光伏产业，国际上已经形成开发低成本、低能耗的太阳能级多晶硅生产新工艺技术的热潮，并趋向于把生产低纯度的太阳能级多晶硅工艺和生产高纯度电子级多晶硅工艺区分开来，以降低太阳能级多晶硅生产成本，从而降低太阳能电池制造成本，促进太阳能光伏产业的发展，普及太阳能的利用，无疑是一个重要的技术决策方向。2，国内多晶硅技术发趋势 目前国内的几家多晶硅生产单位的扩产，都是采用改良西门子工艺技术。还没见到新的工艺技术有所突破的报导。多晶硅铸锭已有 86 次阅读 2008-04-04 14:24 目前，铸造多晶硅太阳能电池已经取代直拉单晶硅成为最主要的光伏材料。但是铸造多晶硅太阳能电池的转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电池，材料中的各种缺陷，如晶界、位错、微缺陷，和材料中的杂质碳和氧，以及工艺过程中玷污的过渡族金属被认为是电池转换效率较低的关