多晶硅产业概况及建议

一、中国多晶硅产业概况
　　随着信息技术和太阳能产业的飞速发展，全球对多晶硅的需求增长迅猛，市场供不应求。世界多晶硅的产量2005年为28750吨，其中半导体级为20250吨，太阳能级为8500吨。半导体级需求量约为19000吨，略有过剩；太阳能级的需求量为15600吨，供不应求。近年来，全球太阳能电池产量快速增加，直接拉动了多晶硅需求的迅猛增长。全球多晶硅由供过于求转向供不应求。受此影响，作为太阳能电池主要原料的多晶硅价格快速上涨。
　　中国多晶硅工业起步于20世纪50年代，60年代中期实现了产业化，到70年代，生产厂家曾经发展到20多家。但由于工艺技术落后，环境污染严重，消耗大，成本高等原因，绝大部分企业亏损而相继停产或转产。到目前为止，国内有多晶硅生产条件的单位有洛阳中硅高科技有限公司、峨嵋半导体材料厂（所）、四川新光硅业科技有限责任公司3家企业。
　　中国集成电路和太阳能电池对多晶硅的需求快速增长，2005年集成电路产业需要电子级多晶硅约1000吨，太阳能电池需要多晶硅约1400吨；到2010年，中国电子级多晶硅年需求量将达到约2000吨，光伏级多晶硅年需求量将达到约4200吨。而中国多晶硅的自主供货存在着严重的缺口，95%以上多晶硅材料需要进口，供应长期受制于人，再加上价格的暴涨，已经危及到多晶硅下游众多企业的发展，成为制约中国信息产业和光伏产业产业发展的瓶颈问题。
　　由于多晶硅需求量继续加大，在市场缺口加大、价格不断上扬的刺激下，国内涌现出一股搭上多晶硅项目的热潮。多晶硅项目的投资热潮，可以说是太阳能电池市场迅猛发展的必然结果，但中国硅材料产业一定要慎重发展，不能一哄而上；关键是要掌握核心技术，否则将难以摆脱受制于人的局面。
　　作为高科技产业，利用硅矿开发多晶硅，产业耗能大，电力需求高。目前电价已成为中国大多数硅矿企业亟待突破的瓶颈之一。因此中国大力发展多晶硅产业，亟需在条件成熟的地方制定电价优惠政策，降低成本。
由于需求增加快速，但供给成长有限，预估多晶硅料源的供应2007年将是最严重缺乏的一年，预计到2009年，全世界多晶硅的年需求量将达到6.5万吨。在未来的3至5年间，也就是在中国的“十一五”期间，将是中国多晶硅产业快速发展的黄金时期。
二、多晶硅生产工艺技术分析
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，而在长距离内无序排列的硅材料，其材料的性质也显示各向同性。
目前高纯多晶硅的大规模生产，被美国、日本和德国等少数发达国家所垄断。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，以及后进入者开发市场困难等因素，建设一座先进且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。一般来说，要求矿石中二氧化硅的含量应在97%-98%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。在用于制造高纯多晶硅的冶金硅中，除了含有99%以上的硅（Si）外，还含有铁（Fe）、铝(Al)、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10-9（摩尔分数）的水平，太阳级硅中的杂质含量应降到10-6（摩尔分数）的水平。要把冶金硅变成半导体硅或者太阳能硅，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方法，主要有3大流派，即：用SIMENS法（又称SiHCl3法）生产多晶硅棒；用AsiMi法(又称SiH4法)生产多晶硅棒；利用SiH4硅源制造颗粒状多晶硅。
1．SIMENS法（SiHCl3法）生产多晶硅
     该法于1954年推出，随即淘汰了当时使用的SiCl4锌还原法，而成为迄今一直使用的方法。它的第一步，是在250-350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SiHCl3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200-300h,使沉积在硅桥上的硅棒直径达到150-200mm.。
2. AsiMi法(SiH4法)制造多晶硅
     20世纪60年代末期，AsiMi公司提出了用SiH4作为原料生产多晶硅。利用SiH4原料制造多晶硅棒，一般使用金属钟型罩炉。在高温时，SiH4会分解产生Si与H2，此法的总生产成本要比SiHCl3法为高。
3．颗粒状多晶硅制造技术
     此法起源于Ethyl公司的SiH4法。1987年商业化的颗粒状多晶硅开始投入生产。该技术利用流体床反应炉将SiH4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。
上面介绍的高纯多晶硅，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．单硅硅锭
      单硅硅锭是生产和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，采用熔体直拉法（CZ）或悬浮区熔法（FZ）制取。其直径约为100～300㎜，长度可达1m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，但其生产硅单晶的成本高，而且随着硅晶体的大直径化，生产技术也受到限制。
2．铸造多晶硅（mc-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，成为最主要的光伏电池材料。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。   
利用铸造技术制备多晶硅锭目前有两种主要工艺:
1.浇铸法
即在一个坩蜗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。
2．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，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，而前一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两只坩埚。
三、多晶硅发展的主要问题
在我国多晶硅产业中虽然出现了可喜的发展势头，但也存在着风险和隐忧。
　　一是多晶硅产能发展规划过大。据不完全统计，目前，国内已有10多个省市，20多家企业在酝酿或者申报多晶硅项目，所公布的设计产能将达到6万吨，超过世界产量的总和。根据2006年12月国家发改委第43号令，批复的17个新能源高技术项目中，仅光伏发电项目就达7个。如果全部达产后，多晶硅产量将会出现供大于求的局面，市场价格难免会一落千丈，相关产业将面临着产业风险。
二是多晶硅的用量相对有限。国内只有少数偏远地区少量使用多晶硅太阳能电池，而大量的太阳能电池及组件，主要销售市场在国外。在德国，他们推广使用太阳能清洁能源，但是市场也是有限的。我国如果超量发展则有滞销的危险。
　　三是国内没有掌握多晶硅核心技术。在这一领域，目前多晶硅的核心技术仍掌握在美、德、日等少数国家手中，我国太阳能厂家并没有竞争优势。我国规划那么多的多晶硅项目，如果没有技术支撑，也只能是有数量而没有质量。据了解，目前国外对我国采取技术封闭策略，不与中国企业合资、合作，只卖产品。中国多晶硅项目想在短时间内大规模生产，尚不会成为现实。国外的技术封锁虽不能扼杀我国自主开发，但至少将延缓中国硅产业的发展。可见，中国太阳能电池制造产业仍然受制于多晶硅的供应。
　　四是多晶硅成本高利润空间较小。目前，在多晶硅到单晶硅的产业链中，单晶硅有两种产品，一种是重量级的电路级硅片，一种是轻量级的太阳能级硅片，但是，不管是太阳能级硅片还是电路级硅片生产，多晶硅的成本都占总成本的70％以上，多晶硅价格奇高，就直接影响着下游生产商的利润。