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改良西门子法成主流,国内多晶硅产能加速扩张

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liaojh-hgxcl 发表于 2018-11-5 09:54:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
导语1955年,德国西门子公司成功开发出“西门子法”多晶硅生产工艺:三氯硅烷(TCS)在氢气氛围下,在炙热的硅芯/硅棒表面上沉积硅的工艺技术,并于 1957 年开始工业化生产。但西门子法多晶硅转化率低,四氯化硅(STC)等副产品污染严重。因而,改良西门子法得以提出,新方法增加了尾气回收和STC氢化工艺。

生产工艺

目前多晶硅主要有两种生产工艺:改良西门子法和硅烷流化床法
改良西门子法实现了多晶硅生产过程的闭路循环。工艺流程为:氯气和氢气合成氯化氢(或外购氯化氢);工业硅粉与氯化氢在合成流化床中合成TCS气体;将 TCS 与高纯氢气送入还原炉中,经化学气相沉积反应生产高纯多晶硅。改良西门子法的闭路循环体现在:将还原炉还原过程中产生的污染副产品四氯化硅送到氢化反应环节将其转化为 TCS,进而实现循环利用。改良西门子法中,多晶硅还原炉是最重要的核心设备。改良西门子法可通过采用大型还原炉,降低单位产品的能耗。详见图1。
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图1 多晶硅改良西门子法生产工艺示意图
多晶硅生产的另一种方法是硅烷流化床法,该工艺的核心是硅烷气体在流化床反应器中直接分解为颗粒状的多晶硅产品。具体流程为先通过系列反应制备硅烷(SiH4),之后通入流化床反应器中;反应器中有加热至一定温度的多晶硅晶种颗粒床层,硅烷在该床层中发生分解,在晶种颗粒表面沉积,颗粒硅长大到一定尺寸后,排出流化床形成颗粒状多晶硅产品。详见图2。
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图2 多晶硅硅烷流化床法制备工艺流程
与改良西门子法相比,硅烷法热解时温度低,同时流化床反应器可增大反应面积、提高生产效率,所以还原电耗低于改良西门子法。另外,由于不需要更换硅芯、配臵碳电极,硅烷法可实现连续化生产。但是,硅烷法建设成本高,导致其在综合成本方面不占优势。另外,硅烷法对安全性要求高,且生产的多晶硅纯度较差。目前全球龙头企业中主要有挪威 REC 公司采用硅烷法。详见表1。
表1 两种多晶硅生产工艺对比
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目前全球多晶硅仍以改良西门子法生产为主,2017年我国改良西门子法市场占比在 95%以上,未来仍将是主流生产工艺。但同时流化床法生产工艺也不断受到重视,目前江苏中能已具备万吨级硅烷流化床产能,同时全球硅烷法龙头企业 REC 与陕西有色合资成立陕西天宏硅业从事颗粒多晶硅生产,目前正在积极推进。详见图3。
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图3 多晶硅生产技术市场占比变化趋势
国内多晶硅进口依赖度高,产能加速扩张
2017年我国多晶硅产量为 24.20万吨,由于市场需求更大,仍需进口多晶硅以满足国内需求,进口依赖度高。近年来我国多晶硅进口量增速虽整体低于产量增速,但仍以两位数增长,2017 年我国多晶硅进口量为 15.89 万吨,同比增长13%。详见图4。
图4 2009~2017年多晶硅产量及进口量同比变化
从进口国家及地区占比来看,韩国是我国第一大多晶硅进口国,占我国进口总量的 45%左右,而且由于 OCI、Hankook 等企业进口关税相对较低,近年来进口量占比呈扩大趋势;德国是第二大进口国,进口量占 30%左右。详见图5。
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图5 我国多晶硅进口国及地区占比
全球多晶硅供应集中度较高,国内产能加速扩张。据统计,截至 2017 年底,全球多晶硅生产企业中,产能达到万吨级以上的不足 20 家企业,其中瓦克、OCI分别拥有 8.0、7.4 和 6.58 万吨/年产能,位于行业前三位;行业前10企业合计拥有产能 38.48 万吨/年,市场集中度较高。至 2017 年底,我国在产多晶硅企业有 22 家,同比增加 5 家,有效产能共计 27.6 万吨/年,同比增长 6.6 万吨/年。详见表2。
表 2 2017 年全球万吨级多晶硅生产企业产能情况
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从扩产情况看,未来多晶硅扩产产能集中于国内,几大龙头企业均有万吨级扩产计划,而国外龙头企业仅 OCI 马来西亚工厂有 1.32万吨/年扩产计划。详见表3。
表 3 全球万吨级多晶硅扩产计划
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发展趋势
未来全球光伏级多晶硅将保持持续增长态势。根据国际光伏技术路线图(ITRPV)中对单片硅片耗硅量变化的预计,结合对未来光伏转换效率的预计,得出了多晶硅需求量与光伏装机量之间的换算关系。预计,2018~2020 年,一般情形下全球光伏装机量将分别达到103、131 和 156GW,乐观情形下分别为113、147 和 175GW。届时,一般情形下,2018~2020 年全球光伏级多晶硅需求分别为 40.1、48.1和 54.5 万吨;乐观情形下分别为 44.2、53.7 和 61.1 万吨。而目前全球万吨级多晶硅生产企业产能合计约 47万吨/年,考虑到高成本产能竞争力下降以及电子级多晶硅产能占一定比例,认为光伏级多晶硅需求将会持续增长,全球供需相对偏紧
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图6 单片硅片用多晶硅数量变化情况(克/片)

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图7对未来三年全球光伏新增装机预测(GW)


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