多晶硅生產技術發展方向分析

薛濤(陜西天宏硅材料有限責任公司， 陜西 咸陽 712038)

當前，我們國家80%的多晶硅生產中都應用了改良西門子技術，并且隨著科技發展水平的提升，為了進一步滿足社會發展的需要，對于這方面的生產技術措施還應該進一步的改善，本文對相關方面的內容進行了分析與闡述，進而為有關單位及工作人員在工作中提供一定的借鑒作用。

1 多晶硅生產三種技術方法

(1)改良西門子法 在西門子法工藝的基礎上，通過增加還原尾氣干法回收系統、四氯化硅氫化工藝，實現了閉路循環，于是形成了改良西門子法――閉環式三氯氫硅氫還原法。該法包括五個主要環節：三氯氫硅合成、三氯氫硅精餾提純、三氯氫硅的氫還原、尾氣的回收和四氯化硅的氫化分離。

(2)硅烷流化床法 流化床法是美國聯合碳化合物公司早年研發的多晶硅制備工藝技術。該方法以四氯化硅、氫氣、氯化氫和工業硅為原料，在高溫高壓流化床內(沸騰床)生成三氯氫硅，將三氯氫硅再進一步歧化加氫反應生成二氯二氫硅，繼而生成硅烷氣。制得的硅烷氣通入加有小顆粒硅粉的流化床反應爐內進行連續熱分解反應，生成粒狀多晶硅產品。因為在流化床反應爐內參與反應的硅表面積大，所以該方法生產效率高、電耗低、成本低。但該方法對工藝和設備的安全性要求很高，對關鍵設備的材料也有較高要求，否則會嚴重影響產品純度，該方法比較適合大規模生產廉價太陽能級多晶硅。

(3)氣液沉積技術 最初的時候，由日本開發和掌握著氣液沉積法，在管式反應器中，在1500℃的高溫作用下將液體硅從氣體中直接生成出來，因為其有著較高的反應溫度，和現有的改良西門子法進行比較，有著較快的沉積速率。

主要流程是通過硅藻土，通過氯氣和二氧化硅反應，將四氯化硅生產出來，在分離提取了四氯化硅之后，有多晶硅液滴在氣液沉積反應器中被生成出來。工業硅不再是該流程的起始原料，其原料為二氧化硅，以流程的角度入手，將二氧化硅冶煉為工業硅粉這一步能夠有效的省去，這樣就能夠大大的縮減整個多晶硅工藝流程，四氯化硅的提純效果會更加的優越，有著極高的純度在其中。這樣不但能夠將多晶硅的生產成本有效的降低下來，還能夠將更高純度的多晶硅生產出來，因此，在未來的生產中，進一步的開發和整合此項技術是非常必要的，其關鍵是氣液沉積技術和四氯化硅技術的研發。

以上三種多晶硅制備方法中，改良西門子法和硅烷法制備多晶硅占市場總量的99%，汽液沉積法等其他工藝方法僅占市場的1%，未形成規模化生產，絕大部分處于試驗狀態。

2 改良西門子法與硅烷流化床法比較

(1)工藝技術方案比較 改良西門子法生產塊狀多晶硅具有以下優勢：由于改良西門子法采用多對棒、大直徑還原爐，可有效降低還原爐消耗的電能；改良西門子法對還原尾氣進行了有效的回收,降低物耗;由于改良西門子法是一個閉路循環系統，多晶硅生產中的各種物料得到充分的利用，排出的廢料極少，相對傳統西門子法而言，污染得到了控制，保護了環境。

硅烷流化床法生產的粒狀多晶硅具有以下優勢：生產速度快、效率高、成本低；生產過程節能，耗電量小；可連續、無間斷生產；閉路循環生產、三廢排放少；產品方案可根據市場情況調整，其中間產品三氯氫硅和硅烷可作為產品外售。

(2)產品在下游光伏產線的應用 在多晶硅下游晶體生長工序，若全部使用塊狀硅可以保障晶體的質量，為后續電池片的轉化效率提供很好的基礎，但由于裝料量少、二次加料不方便等存在潛在風險因素，對生產效率、產能和成本有較大影響。

若全部使用粒狀硅,雖然在裝料時間方面可以提高生產效率，但是由于粒狀硅相比塊狀硅體積小、質量輕在拉晶的抽真空環節導致粒狀料飛濺，可能造成生產不安全和工藝不穩定性。目前市場上粒狀多晶硅純度較低、雜質含量高，全部使用粒狀硅則產品質量無法保證。

因此在光伏下游拉晶裝料工序中，為了盡可能提高投料量、提高生產效率、降低生產成本，會在塊狀棒料中摻入粒狀多晶硅來彌補塊狀硅料之間的縫隙，裝料達到最大化，能夠極大節約成本。通過坩堝裝載測試表明與 100%全部使用西門子大塊料相比, 使用 50%的西門子大塊和50%的粒狀多晶硅混合料, 可以將初始坩堝裝料重量增加 29.3%, 同時將裝載時間縮減41%，效益顯著。

3 結語

綜上所述，隨著我國工業發展水平的提升，對于多晶硅材料的需求量也在不斷增多，但是因其生產工藝的復雜性，單純的依據傳統的技術方式是很難完成生產工作的，因此文章通過對改良西門子法、硅烷流化床技術和氣液沉積技術三種重要的技術方式進行了分析與論斷，改良西門子法和硅烷流化床法制備的多晶硅在工藝技術上并駕齊驅、各有千秋，在下游光伏產線使用上相互依存，所以在短時間內這兩種多晶硅制備工藝不可替代，將共同發展。

[1]顧小云，王正凱，祝洪良等.硅化鎂法生產硅烷的副產物六氨氯化鎂[J].浙江理工大學學報，2009，(08).

[2]黃國強，石秋玲，王紅星.多晶硅生產中三氯氫硅精餾節能工藝[J].化工進展，2011，(04).

[3]馬秋平.利用循環伏安法研究 SiCl4電化學還原及多晶硅特征[D].太原：太原理工大學，2010.