多晶硅生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展方向分析

薛濤(陜西天宏硅材料有限責(zé)任公司， 陜西 咸陽(yáng) 712038)

當(dāng)前，我們國(guó)家80%的多晶硅生產(chǎn)中都應(yīng)用了改良西門(mén)子技術(shù)，并且隨著科技發(fā)展水平的提升，為了進(jìn)一步滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展的需要，對(duì)于這方面的生產(chǎn)技術(shù)措施還應(yīng)該進(jìn)一步的改善，本文對(duì)相關(guān)方面的內(nèi)容進(jìn)行了分析與闡述，進(jìn)而為有關(guān)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(chǎn)三種技術(shù)方法

(1)改良西門(mén)子法 在西門(mén)子法工藝的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加還原尾氣干法回收系統(tǒng)、四氯化硅氫化工藝，實(shí)現(xiàn)了閉路循環(huán)，于是形成了改良西門(mén)子法――閉環(huán)式三氯氫硅氫還原法。該法包括五個(gè)主要環(huán)節(jié)：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(guó)聯(lián)合碳化合物公司早年研發(fā)的多晶硅制備工藝技術(shù)。該方法以四氯化硅、氫氣、氯化氫和工業(yè)硅為原料，在高溫高壓流化床內(nèi)(沸騰床)生成三氯氫硅，將三氯氫硅再進(jìn)一步歧化加氫反應(yīng)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(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行連續(xù)熱分解反應(yīng)，生成粒狀多晶硅產(chǎn)品。因?yàn)樵诹骰卜磻?yīng)爐內(nèi)參與反應(yīng)的硅表面積大，所以該方法生產(chǎn)效率高、電耗低、成本低。但該方法對(duì)工藝和設(shè)備的安全性要求很高，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的材料也有較高要求，否則會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品純度，該方法比較適合大規(guī)模生產(chǎn)廉價(jià)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅。

(3)氣液沉積技術(shù) 最初的時(shí)候，由日本開(kāi)發(fā)和掌握著氣液沉積法，在管式反應(yīng)器中，在1500℃的高溫作用下將液體硅從氣體中直接生成出來(lái)，因?yàn)槠溆兄^高的反應(yīng)溫度，和現(xiàn)有的改良西門(mén)子法進(jìn)行比較，有著較快的沉積速率。

主要流程是通過(guò)硅藻土，通過(guò)氯氣和二氧化硅反應(yīng)，將四氯化硅生產(chǎn)出來(lái)，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(yīng)器中被生成出來(lái)。工業(yè)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(yè)硅粉這一步能夠有效的省去，這樣就能夠大大的縮減整個(gè)多晶硅工藝流程，四氯化硅的提純效果會(huì)更加的優(yōu)越，有著極高的純度在其中。這樣不但能夠?qū)⒍嗑Ч璧纳a(chǎn)成本有效的降低下來(lái)，還能夠?qū)⒏呒兌鹊亩嗑Ч枭a(chǎn)出來(lái)，因此，在未來(lái)的生產(chǎn)中，進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和整合此項(xiàng)技術(shù)是非常必要的，其關(guān)鍵是氣液沉積技術(shù)和四氯化硅技術(shù)的研發(fā)。

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

2 改良西門(mén)子法與硅烷流化床法比較

(1)工藝技術(shù)方案比較 改良西門(mén)子法生產(chǎn)塊狀多晶硅具有以下優(yōu)勢(shì)：由于改良西門(mén)子法采用多對(duì)棒、大直徑還原爐，可有效降低還原爐消耗的電能；改良西門(mén)子法對(duì)還原尾氣進(jìn)行了有效的回收,降低物耗;由于改良西門(mén)子法是一個(gè)閉路循環(huán)系統(tǒng)，多晶硅生產(chǎn)中的各種物料得到充分的利用，排出的廢料極少，相對(duì)傳統(tǒng)西門(mén)子法而言，污染得到了控制，保護(hù)了環(huán)境。

硅烷流化床法生產(chǎn)的粒狀多晶硅具有以下優(yōu)勢(shì)：生產(chǎn)速度快、效率高、成本低；生產(chǎn)過(guò)程節(jié)能，耗電量小；可連續(xù)、無(wú)間斷生產(chǎn)；閉路循環(huán)生產(chǎn)、三廢排放少；產(chǎn)品方案可根據(jù)市場(chǎng)情況調(diào)整，其中間產(chǎn)品三氯氫硅和硅烷可作為產(chǎn)品外售。

(2)產(chǎn)品在下游光伏產(chǎn)線(xiàn)的應(yīng)用 在多晶硅下游晶體生長(zhǎng)工序，若全部使用塊狀硅可以保障晶體的質(zhì)量，為后續(xù)電池片的轉(zhuǎn)化效率提供很好的基礎(chǔ)，但由于裝料量少、二次加料不方便等存在潛在風(fēng)險(xiǎn)因素，對(duì)生產(chǎn)效率、產(chǎn)能和成本有較大影響。

若全部使用粒狀硅,雖然在裝料時(shí)間方面可以提高生產(chǎn)效率，但是由于粒狀硅相比塊狀硅體積小、質(zhì)量輕在拉晶的抽真空環(huán)節(jié)導(dǎo)致粒狀料飛濺，可能造成生產(chǎn)不安全和工藝不穩(wěn)定性。目前市場(chǎng)上粒狀多晶硅純度較低、雜質(zhì)含量高，全部使用粒狀硅則產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)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(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，會(huì)在塊狀棒料中摻入粒狀多晶硅來(lái)彌補(bǔ)塊狀硅料之間的縫隙，裝料達(dá)到最大化，能夠極大節(jié)約成本。通過(guò)坩堝裝載測(cè)試表明與 100%全部使用西門(mén)子大塊料相比, 使用 50%的西門(mén)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(shí)將裝載時(shí)間縮減41%，效益顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)工業(yè)發(fā)展水平的提升，對(duì)于多晶硅材料的需求量也在不斷增多，但是因其生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性，單純的依據(jù)傳統(tǒng)的技術(shù)方式是很難完成生產(chǎn)工作的，因此文章通過(guò)對(duì)改良西門(mén)子法、硅烷流化床技術(shù)和氣液沉積技術(shù)三種重要的技術(shù)方式進(jìn)行了分析與論斷，改良西門(mén)子法和硅烷流化床法制備的多晶硅在工藝技術(shù)上并駕齊驅(qū)、各有千秋，在下游光伏產(chǎn)線(xiàn)使用上相互依存，所以在短時(shí)間內(nèi)這兩種多晶硅制備工藝不可替代，將共同發(fā)展。

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[2]黃國(guó)強(qiáng)，石秋玲，王紅星.多晶硅生產(chǎn)中三氯氫硅精餾節(jié)能工藝[J].化工進(jìn)展，2011，(04).

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