太陽能級多晶硅生產技術

巨龍 (亞洲硅業 （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，能源問題已成為全球的首要問題，利用風能、太陽能等可再生資源成為了21世紀的主流趨勢，為此光伏產業發展十分迅速。太陽能電池主要有無機太陽能電池、有機太陽能電池和有機-無機雜化太陽能電池三種，后兩種的效率依然無法滿足工業需求，以多晶硅太陽能電池為主的無機太陽能電池應用最為廣泛。

多晶硅的成本約占到太陽能電池總成本的一半以上，因此較高的多晶硅價格在很大程度上阻礙了太陽能電池產業的發展。如果既能保證太陽能電池效率，又能降低多晶硅成本，則可以大大推動該產業的發展進程。所以，為了擺脫電子級多晶硅材料對光伏產業的束縛，降低太陽能級多晶硅生產成本，最大限度滿足光伏產業需求，改善多晶硅生產工藝或研發新型生產技術已成為全球各大公司的重點商業策略。本文中著重介紹了西門子法、熱分解法和冶金法生產太陽能級多晶硅的技術，并對每種方法的優缺點作了評析。通過比較生產太陽能級多晶硅不同的方法，對未來多晶硅生產技術進行了展望。

2 單晶硅生產方法介紹及評價

2.1 西門子法

西門子生產多晶硅法是由西門子公司于1945年發現的，并于1965年實現工業化生產。該方法利用氫氣還原三氯硅烷，產物主要用于半導體產業，而光伏產業所用的多晶硅一般為半導體產業所用多晶硅的邊角料。

目前應用最廣的為第三代西門子生產多晶硅技術，該技術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。這種方法生產的多晶硅純度高，可達9-11N，但是其成本高、反應程度低、操作困難，并且三氯硅烷為劇毒物質，操作不當易發生嚴重的環境污染。不過總體來說，西門子法在多晶硅生產領域占有絕對優勢，目前占全球多晶硅生產總量的七至八成。

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，應用較少。

總體來說，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，反應轉化率更高，因此熱分解法的生產成本要低于西門子法。但是，由于所用硅烷易燃易爆，所以安全系數較低，生產技術發展依然不夠成熟，不適用于工業生產多晶硅材料。

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太陽能級多晶硅的方法，主要包括冶金級硅精煉法和熔鹽電解法。

2.3.1 冶金級硅精煉法

冶金級硅精煉包括全火法和火濕聯合法，其生產原理是利用硅獨特的物理化學性質，經過酸液浸泡、真空精煉、等離子加熱、定向凝固，制備太陽能級多晶硅。全火法工藝簡潔、操作方便、環境友好，產物純度高。不過，生產過程中需使用電子束、等離子等技術，提高了生產成本。

火濕聯合法生產多晶硅分火法和濕法兩個環節，火法是指是精煉電爐煉出的冶金級硅，濕法是指將火法精煉的多晶硅經過酸液浸泡除去雜質。該法生產成本低，但是多晶硅產品純度低，單獨使用無法滿足太陽能級多晶硅要求。

2.3.2 熔鹽電解法

熔鹽電解法生產太陽能級多晶硅是于上世紀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能級二氧化硅的方法。電解槽一般以石墨為陽極，陰極為特制材料，在高溫下將二氧化硅電解，再根據熔點不同將沉積的單質硅和二氧化硅分離。這種方法得到的硅單質可達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，將硅單獨電解精煉出來。該法又被稱為三層電解法，下層為陽極合金，中層為精煉電解液，上層為制備出來的單質硅。電解過程中比Si電負性差的元素留在陽極合金中，而比Si電負性強的元素進入電解液。一般電解需要很高的溫度，且電解質、電解槽等容易對硅造成污染，目前生產的純度只能達到4N。

3 結語

本文對生產太陽能級多晶硅的方法進行了簡單介紹和評價。總體而言，無論是現在還是將來，西門子法將依然是最具前途的生產方法，但是工藝的改進還是十分必要的，若要有更廣泛的應用，西門子法還需克服其生產成本高、操作困難等缺陷。

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