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        太陽能級多晶硅生產(chǎn)工藝的現(xiàn)狀與發(fā)展

        2019-12-26 07:35:00郝連喜
        智富時代 2019年11期
        關(guān)鍵詞:現(xiàn)狀發(fā)展

        郝連喜

        【摘 要】隨著我國太陽能技術(shù)不斷發(fā)展,多晶硅生產(chǎn)是光伏產(chǎn)業(yè)當(dāng)中的一個核心技術(shù),其越來越被人們所重視。因此,本文詳細(xì)探討了太陽能級多晶硅生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,并且針對當(dāng)前太陽能級多晶硅生產(chǎn)過程中存在的問題提出科學(xué)測量,力求進(jìn)一步推動太能能級多晶硅生產(chǎn)持續(xù)健康的發(fā)展。

        【關(guān)鍵詞】太陽能級;多晶硅生產(chǎn)工藝;現(xiàn)狀;發(fā)展

        隨著地球上的化石燃料逐漸枯竭以及人們能源需求不斷增長,太陽能是可再生的清潔能源,其受到人們更多的喜愛。太陽能的開發(fā)也推動了光伏產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康的發(fā)展。當(dāng)前,世界各太陽能電池生產(chǎn)的廠商產(chǎn)能越來越高,其對硅材料需求量也變多。本文詳細(xì)探討了太陽能級多晶硅生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,并且針對當(dāng)前太陽能級多晶硅生產(chǎn)過程中存在的問題提出科學(xué)測量,力求進(jìn)一步推動太能能級多晶硅生產(chǎn)持續(xù)健康的發(fā)展。

        一、太陽能級多晶硅的生產(chǎn)工藝

        1.1冶金法

        冶金法最早是由川崎制鐵(KawasakiSteelCorp)于1996年起,在NEDO的支持下開發(fā)的由工業(yè)硅生產(chǎn)太陽能級硅的方法。冶金法中對冶金級硅的精煉主要是利用Si與雜質(zhì)元素物理與化學(xué)性質(zhì)的差別,聯(lián)合多種新型制備技術(shù),如電子束真空熔煉煉、區(qū)域懸浮熔煉、等離子弧精煉等制備太陽能級多晶硅,并可分為全火法與火法濕法聯(lián)合兩類工藝。

        全火法由日本JFE公司最先提出,因此也叫JFE工藝,主要步驟為:(1)真空下利用電子束將冶金級硅加熱熔融除P,然后進(jìn)行定向凝固;(2)在非真空的Ar氣氛圍下,采用等離子槍加熱,并通入氧、水蒸氣除B和C,然后進(jìn)行第二次定向凝固得到太陽能級多晶硅。

        火濕聯(lián)合工藝則由挪威的Elkem公司提出,首先是對電爐練出的冶金級硅直接進(jìn)行火法精煉,即造渣精煉和定向凝固,然后將得到的硅腚進(jìn)行破碎后進(jìn)行濕法酸浸除雜。用此法生產(chǎn)的多晶硅主要與電子級的多晶硅進(jìn)行一定比例的摻配后制備太陽能電池。

        1.2改良的西門子法

        西門子法是由德國西門子公司于1954年發(fā)明,從上世紀(jì)60年代起西門子法一直在生產(chǎn)高純硅的領(lǐng)域里占據(jù)統(tǒng)治地位,西門子法所生產(chǎn)的硅從質(zhì)量到數(shù)量上都能適應(yīng)半導(dǎo)體器件發(fā)展的需要,同樣,西門法也被大量的用于生產(chǎn)太陽能級的多晶硅。西門子法經(jīng)歷了一代、二代,最終演變成為現(xiàn)在的第三代生產(chǎn)方法,也稱為改良西門子法,早期西門子法生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的SiCl4,H2和HCl,不能對這些副產(chǎn)物進(jìn)行有效利用,而改良的西門子法在第二代的基礎(chǔ)上增加了尾氣干法回收系統(tǒng)和四氯化硅氫化工藝,完全實現(xiàn)了閉環(huán)生產(chǎn),基本不排出廢物。改良西門子法主要分為四個步驟:第一,三氯氫硅的合成與精餾提純;第二,三氯氫硅的氫還原;第三,四氯化硅的氫化分離;第四,還原和氫化尾氣—汽氣混合物的干法回收。

        1.3硅烷法

        硅烷法顧名思義,是以中間產(chǎn)物硅烷作為氣源,對硅烷進(jìn)行熱分解來制備多晶硅。硅烷法的主要步驟即為硅烷的制備。按照硅烷的制備方法的不同,可以將硅烷法分為日本Komatsu公司發(fā)明的硅化鎂法、美國UnionCarbide公司發(fā)明的歧化法和美國MEMC發(fā)明的新硅烷法。

        硅烷法反應(yīng)溫度較低,將硅烷法中所使用的硅烷與西門子法的三氯氫硅比較,硅烷含硅量高、分解速率快,分解率高,分解溫度低,能耗低,生成的多晶硅的能耗僅為40kW·h/kg,且硅烷法具有轉(zhuǎn)化率高,生成副產(chǎn)物少,生成的多晶硅純度高優(yōu)點。為進(jìn)一步降低成本,流化床技術(shù)被用于硅烷的熱分解,使用流化床后,顯著的提高了硅烷的分解速率和硅沉積速率。REC公司在歧化法中引入流化床式分解爐,先在流化床床內(nèi)生成SiHCl3,后通過歧化反應(yīng)制得硅烷,硅烷經(jīng)純化后在流化床分解爐內(nèi)進(jìn)行熱分解生成粒狀多晶硅。

        二、多晶硅生產(chǎn)中面臨的問題及對策

        在我國多晶硅生產(chǎn)中,改良西門子法面臨的兩大問題即能耗和大量副產(chǎn)物排放污染問題,如何有效解決這兩個問題關(guān)乎到多晶硅的生產(chǎn)成本,更關(guān)系到環(huán)境友好。

        2.1多晶硅生產(chǎn)能耗

        以鐘罩式還原爐反應(yīng)器為例,在多晶硅生產(chǎn)的還原工序,還原爐的電耗主要由熱輻射損失,反應(yīng)所需能耗及對流損失這幾部分組成。據(jù)統(tǒng)計,熱輻射損失占到整個還原爐能耗的70%。針對這一情況,Coso提出了通過增大反應(yīng)器的直徑和硅棒的數(shù)量和增加反應(yīng)器內(nèi)壁的反射率能夠有效的降低熱輻射損失,另外,由于還原爐冷卻水帶走的熱量占到了還原爐能耗的80%,對這部分能量進(jìn)行有效的利用同樣能夠大大降低還原爐的能耗。

        2.2副產(chǎn)物SiCl4的再利用

        由于在我國受到工藝條件的限制,生產(chǎn)1t的多晶硅會產(chǎn)生10-15t左右的四氯化硅,四氯化硅是一種有毒而且具有高腐蝕性的化學(xué)品,如果直接排放會對環(huán)境造成污染,并且直接排放四氯化硅也是對硅源極大的浪費,對大量的四氯化硅進(jìn)行轉(zhuǎn)化利用也能夠大大降低多晶硅的生產(chǎn)成本,目前對四氯化硅的處理主要途徑為氣相法生產(chǎn)高純SiO2和氫化轉(zhuǎn)化為三氯氫硅重復(fù)利用。四川大學(xué)陳涵斌提出等離子氫化法,實現(xiàn)了四氯化硅到三氯氫硅的快速、高效轉(zhuǎn)化。實驗表明:控制反應(yīng)條件,四氯化硅的最高轉(zhuǎn)化率達(dá)到74%,三氯氫硅選擇性為85%,單程收率超過60%。針對能耗及副產(chǎn)物利用轉(zhuǎn)化的問題,丘克強(qiáng)提出應(yīng)將流化床反應(yīng)器應(yīng)用于現(xiàn)有西門子工藝中,通過強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱來降低能耗,另一方面,采用低成本的Zn還原法處理副產(chǎn)物四氯氫硅,將多晶硅生產(chǎn)和反應(yīng)產(chǎn)物的利用轉(zhuǎn)化有機(jī)結(jié)合起來。

        三、太陽能級多晶硅生產(chǎn)工藝發(fā)展趨勢

        3.1增加科研經(jīng)費的投入

        為了提升硅材料工業(yè)競爭力,需要加強(qiáng)科研方面的投入,其含有國家和企業(yè)方面的投入,是是發(fā)展硅材料的關(guān)鍵。加強(qiáng)研究多晶硅工藝以及設(shè)備,特別為新工藝以及新流程方面的研究,進(jìn)而實現(xiàn)降低消耗和成本,提升質(zhì)量,確保生態(tài)環(huán)境的基本要求。另外,還需要構(gòu)建經(jīng)濟(jì)規(guī)模的有著自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)代化多晶硅廠。

        3.2通過市場為導(dǎo)向,對設(shè)備和資源進(jìn)行優(yōu)化

        硅材料需要走專業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展道路,進(jìn)而對當(dāng)前存在分散現(xiàn)狀進(jìn)行改變。要通過市場作為導(dǎo)向,沖破行業(yè)以及地區(qū)方面的制約,進(jìn)而要好的對資源和設(shè)備充足。

        3.3大力鼓勵中外合資建廠

        構(gòu)建多晶硅廠需要現(xiàn)代化的技術(shù)以及大量的資金。合資建廠不僅能夠更好的解決資金共享現(xiàn)代化技術(shù)等問題,并且能夠通過國際品牌來進(jìn)入到國家市場。在比較短的時間當(dāng)中提高競爭水平。所以,國家需要按照多晶硅的市場需求,對中外合資建設(shè)多晶硅廠進(jìn)行扶持和鼓勵。

        四、結(jié)束語

        隨著市場對多晶硅需求的不斷增長,多晶硅的生產(chǎn)工藝逐步趨于成熟,與此同時新的生產(chǎn)工藝也在不斷涌現(xiàn),但低成本,低能耗,和高效率及環(huán)境友好始終是人們追求的目標(biāo),在這個前提下,一方面通過優(yōu)化操作條件和反應(yīng)參數(shù),采用高效率的反應(yīng)器及設(shè)計合理的工藝流程來降低現(xiàn)有生產(chǎn)成本。另一方面,在技術(shù)成熟的情況下更多的采用低成本的生產(chǎn)工藝如Zn還原法,VLD法等??梢灶A(yù)料到,多晶硅生產(chǎn)成本下降將極大的推動光伏發(fā)電的普及,如果我國能順應(yīng)當(dāng)前發(fā)展的趨勢,探索出一條具有中國特色的低成本太陽能級多晶硅的工藝路線,中國的光伏產(chǎn)業(yè)將會贏得極好的發(fā)展機(jī)遇和戰(zhàn)略優(yōu)勢,在世界光伏行業(yè)奏出華麗的樂章。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]周鴻軍,張?zhí)┥?,李紅波,等.鋅還原四氯化硅的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究[J].新材料產(chǎn)業(yè),2018(11):59.

        [2]周鴻軍,陳鳴波.鋅還原四氯化硅的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè),2019(8):15.

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