太陽(yáng)能級(jí)多晶硅生產(chǎn)技術(shù)

巨龍 (亞洲硅業(yè) （青海）有限公司，青海 西寧 810007)

1 概述

隨著石油、煤炭等不可再生資源的消耗，能源問(wèn)題已成為全球的首要問(wèn)題，利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生資源成為了21世紀(jì)的主流趨勢(shì)，為此光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速。太陽(yáng)能電池主要有無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池和有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池三種，后兩種的效率依然無(wú)法滿足工業(yè)需求，以多晶硅太陽(yáng)能電池為主的無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池應(yīng)用最為廣泛。

多晶硅的成本約占到太陽(yáng)能電池總成本的一半以上，因此較高的多晶硅價(jià)格在很大程度上阻礙了太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如果既能保證太陽(yáng)能電池效率，又能降低多晶硅成本，則可以大大推動(dòng)該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。所以，為了擺脫電子級(jí)多晶硅材料對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的束縛，降低太陽(yáng)能級(jí)多晶硅生產(chǎn)成本，最大限度滿足光伏產(chǎn)業(yè)需求，改善多晶硅生產(chǎn)工藝或研發(fā)新型生產(chǎn)技術(shù)已成為全球各大公司的重點(diǎn)商業(yè)策略。本文中著重介紹了西門子法、熱分解法和冶金法生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的技術(shù)，并對(duì)每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)作了評(píng)析。通過(guò)比較生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅不同的方法，對(duì)未來(lái)多晶硅生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了展望。

2 單晶硅生產(chǎn)方法介紹及評(píng)價(jià)

2.1 西門子法

西門子生產(chǎn)多晶硅法是由西門子公司于1945年發(fā)現(xiàn)的，并于1965年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。該方法利用氫氣還原三氯硅烷，產(chǎn)物主要用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，而光伏產(chǎn)業(yè)所用的多晶硅一般為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)所用多晶硅的邊角料。

目前應(yīng)用最廣的為第三代西門子生產(chǎn)多晶硅技術(shù)，該技術(shù)主要包括三氯硅烷的制備、三氯硅烷的精餾、三氯硅烷的還原、尾氣回收及四氯化硅的分離五方面工藝。這種方法生產(chǎn)的多晶硅純度高，可達(dá)9-11N，但是其成本高、反應(yīng)程度低、操作困難，并且三氯硅烷為劇毒物質(zhì)，操作不當(dāng)易發(fā)生嚴(yán)重的環(huán)境污染。不過(guò)總體來(lái)說(shuō)，西門子法在多晶硅生產(chǎn)領(lǐng)域占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，目前占全球多晶硅生產(chǎn)總量的七至八成。

2.2 熱分解法

熱分解法是指將四氫化硅熱解制備多晶硅的方法，根據(jù)硅烷制備方法不同可分為歧化法、氫化鋁鈉和四氟化硅反應(yīng)法以及硅化鎂法。其中硅化鎂法由于其高危、高投資等缺陷，應(yīng)用較少。

總體來(lái)說(shuō)，與西門子法相比，熱分解法所用的硅烷中含硅的比重較高，且四氫化硅與三氯化硅相比更易分解，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率更高，因此熱分解法的生產(chǎn)成本要低于西門子法。但是，由于所用硅烷易燃易爆，所以安全系數(shù)較低，生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展依然不夠成熟，不適用于工業(yè)生產(chǎn)多晶硅材料。

2.3 冶金法

冶金法是利用硅冶煉或硅精煉的方法直接生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的方法，主要包括冶金級(jí)硅精煉法和熔鹽電解法。

2.3.1 冶金級(jí)硅精煉法

冶金級(jí)硅精煉包括全火法和火濕聯(lián)合法，其生產(chǎn)原理是利用硅獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，經(jīng)過(guò)酸液浸泡、真空精煉、等離子加熱、定向凝固，制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅。全火法工藝簡(jiǎn)潔、操作方便、環(huán)境友好，產(chǎn)物純度高。不過(guò)，生產(chǎn)過(guò)程中需使用電子束、等離子等技術(shù)，提高了生產(chǎn)成本。

火濕聯(lián)合法生產(chǎn)多晶硅分火法和濕法兩個(gè)環(huán)節(jié)，火法是指是精煉電爐煉出的冶金級(jí)硅，濕法是指將火法精煉的多晶硅經(jīng)過(guò)酸液浸泡除去雜質(zhì)。該法生產(chǎn)成本低，但是多晶硅產(chǎn)品純度低，單獨(dú)使用無(wú)法滿足太陽(yáng)能級(jí)多晶硅要求。

2.3.2 熔鹽電解法

熔鹽電解法生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅是于上世紀(jì)80年代興起的，主要包括硅石熔鹽電解法和粗硅電解精煉法。

硅石熔鹽電解法是在冰晶石熔體中電解硅酸鹽或太陽(yáng)能級(jí)二氧化硅的方法。電解槽一般以石墨為陽(yáng)極，陰極為特制材料，在高溫下將二氧化硅電解，再根據(jù)熔點(diǎn)不同將沉積的單質(zhì)硅和二氧化硅分離。這種方法得到的硅單質(zhì)可達(dá)99.8%以上。

粗硅的電解精煉是利用硅與其它金屬在電解液中電極電位的不同，將硅單獨(dú)電解精煉出來(lái)。該法又被稱為三層電解法，下層為陽(yáng)極合金，中層為精煉電解液，上層為制備出來(lái)的單質(zhì)硅。電解過(guò)程中比Si電負(fù)性差的元素留在陽(yáng)極合金中，而比Si電負(fù)性強(qiáng)的元素進(jìn)入電解液。一般電解需要很高的溫度，且電解質(zhì)、電解槽等容易對(duì)硅造成污染，目前生產(chǎn)的純度只能達(dá)到4N。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹和評(píng)價(jià)?？傮w而言，無(wú)論是現(xiàn)在還是將來(lái)，西門子法將依然是最具前途的生產(chǎn)方法，但是工藝的改進(jìn)還是十分必要的，若要有更廣泛的應(yīng)用，西門子法還需克服其生產(chǎn)成本高、操作困難等缺陷。

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