太阳能级多晶硅生产工艺的现状与发展
⇨⇦
【摘 要】随着我国太阳能技术不断发展，多晶硅生产是光伏产业当中的一个核心技术，其越来越被人们所重视。因此，本文详细探讨了太阳能级多晶硅生产工艺现状和发展趋势，并且针对当前太阳能级多晶硅生产过程中存在的问题提出科学测量，力求进一步推动太能能级多晶硅生产持续健康的发展。
【关键词】太阳能级;多晶硅生产工艺;现状;发展
随着地球上的化石燃料逐渐枯竭以及人们能源需求不断增长，太阳能是可再生的清洁能源，其受到人们更多的喜爱。太阳能的开发也推动了光伏产业持续健康的发展。当前，世界各太阳能电池生产的厂商产能越来越高，其对硅材料需求量也变多。本文详细探讨了太阳能级多晶硅生产工艺现状和发展趋势，并且针对当前太阳能级多晶硅生产过程中存在的问题提出科学测量，力求进一步推动太能能级多晶硅生产持续健康的发展。
一、太阳能级多晶硅的生产工艺
1.1冶金法
冶金法最早是由川崎制铁（KawasakiSteelCorp）于1996年起，在NEDO的支持下开发的由工业硅生产太阳能级硅的方法。冶金法中对冶金级硅的精炼主要是利用Si与杂质元素物理与化学性质的差别，联合多种新型制备技术，如电子束真空熔炼炼、区域悬浮熔炼、等离子弧精炼等制备太阳能级多晶硅，并可分为全火法与火法湿法联合两类工艺。
全火法由日本JFE公司最先提出，因此也叫JFE工艺，主要步骤为：（1）真空下利用电子束将冶金级硅加热熔融除P，然后进行定向凝固;（2）在非真空的Ar气氛围下，采用等离子枪加热，并通入氧、水蒸气除B和C，然后进行第二次定向凝固得到太阳能级多晶硅。
火湿联合工艺则由挪威的Elkem公司提出，首先是对电炉练出的冶金级硅直接进行火法精炼，即造渣精炼和定向凝固，然后将得到的硅腚进行破碎后进行湿法酸浸除杂。用此法生产的多晶硅主要与电子级的多晶硅进行一定比例的掺配后制备太阳能电池。
1.2改良的西门子法
西门子法是由德国西门子公司于1954年发明，从上世纪60年代起西门子法一直在生产高纯硅的领域里占据统治地位，西门子法所生产的硅从质量到数量上都能适应半导体器件发展的需要，同样，西门法也被大量的用于生产太阳能级的多晶硅。西门子法经历了一代、二代，最终演变成为现在的第三代生产方法，也称为改良西门子法，早期西门子法生产过程中产生大量的SiCl4，H2和HCl，不能对这些副产物进行有效利用，而改良的西门子法在第二代的基础上增加了尾气干法回收系统和四氯化硅氢化工艺，完全实现了闭环生产，基本不排出废物。改良西门子法主要分为四个步骤：第一，三氯氢硅的合成与精馏提纯;第二，三氯氢硅的氢还原;第三，四氯化硅的氢化分离;第四，还原和氢化尾气—汽气混合物的干法回收。
1.3硅烷法
硅烷法顾名思义，是以中间产物硅烷作为气源，对硅烷进行热分解来制备多晶硅。硅烷法的主要步骤即为硅烷的制备。按照硅烷的制备方法的不同，可以将硅烷法分为日本Komatsu公司发明的硅化镁法、美国UnionCarbide公司发明的歧化法和美国MEMC发明的新硅烷法。
硅烷法反应温度较低，将硅烷法中所使用的硅烷与西门子法的三氯氢硅比较，硅烷含硅量高、分解速率快，分解率高，分解温度低，能耗低，生成的多晶硅的能耗仅为40kW·h/kg，且硅烷法具有转化率高，生成副产物少，生成的多晶硅纯度高优点。为进一步降低成本，流化床技术被用于硅烷的热分解，使用流化床后，显著的提高了硅烷的分解速率和硅沉积速率。REC公司在歧化法中引入流化床式分解炉，先在流化床床内生成SiHCl3，后通过歧化反应制得硅烷，硅烷经纯化后在流化床分解炉内进行热分解生成粒状多晶硅。
二、多晶硅生产中面临的问题及对策
在我国多晶硅生产中，改良西门子法面临的两大问题即能耗和大量副产物排放污染问题，如何有效解决这两个问题关乎到多晶硅的生产成本，更关系到环境友好。
2.1多晶硅生产能耗
以钟罩式还原炉反应器为例，在多晶硅生产的还原工序，还原炉的电耗主要由热辐射损失，反应所需能耗及对流损失这几部分组成。据统计，热辐射损失占到整个还原炉能耗的70%。针对这一情况，Coso提出了通过增大反应器的直径和硅棒的数量和增加反应器内壁的反射率能够有效的降低热辐射损失，另外，由于还原炉冷却水带走的热量占到了还原炉能耗的80%，对这部分能量进行有效的利用同样能够大大降低还原炉的能耗。
2.2副产物SiCl4的再利用
由于在我国受到工艺条件的限制，生产1t的多晶硅会产生10-15t左右的四氯化硅，四氯化硅是一种有毒而且具有高腐蚀性的化学品，如果直接排放会对环境造成污染，并且直接排放四氯化硅也是对硅源极大的浪费，对大量的四氯化硅进行转化利用也能够大大降低多晶硅的生产成本，目前对四氯化硅的处理主要途径为气相法生产高纯SiO2和氢化转化为三氯氢硅重复利用。四川大学陈涵斌提出等离子氢化法，实现了四氯化硅到三氯氢硅的快速、高效转化。实验表明：控制反应条件，四氯化硅的最高转化率达到74%，三氯氢硅选择性为85%，单程收率超过60%。针对能耗及副产物利用转化的问题，丘克强提出应将流化床反应器应用于现有西门子工艺中，通过强化传质传热来降低能耗，另一方面，采用低成本的Zn还原法处理副产物四氯氢硅，将多晶硅生产和反应产物的利用转化有机结合起来。
三、太阳能级多晶硅生产工艺发展趋势
3.1增加科研经费的投入
为了提升硅材料工业竞争力，需要加强科研方面的投入，其含有国家和企业方面的投入，是是发展硅材料的关键。加强研究多晶硅工艺以及设备，特别为新工艺以及新流程方面的研究，进而实现降低消耗和成本，提升质量，确保生态环境的基本要求。另外，还需要构建经济规模的有着自主知识产权的现代化多晶硅厂。
3.2通过市场为导向，对设备和资源进行优化
硅材料需要走专业化和产业化的发展道路，进而对当前存在分散现状进行改变。要通过市场作为導向，冲破行业以及地区方面的制约，进而要好的对资源和设备充足。
3.3大力鼓励中外合资建厂
构建多晶硅厂需要现代化的技术以及大量的资金。合资建厂不仅能够更好的解决资金共享现代化技术等问题，并且能够通过国际品牌来进入到国家市场。在比较短的时间当中提高竞争水平。所以，国家需要按照多晶硅的市场需求，对中外合资建设多晶硅厂进行扶持和鼓励。
四、结束语
随着市场对多晶硅需求的不断增长，多晶硅的生产工艺逐步趋于成熟，与此同时新的生产工艺也在不断涌现，但低成本，低能耗，和高效率及环境友好始终是人们追求的目标，在这个前提下，一方面通过优化操作条件和反应参数，采用高效率的反应器及设计合理的工艺流程来降低现有生产成本。另一方面，在技术成熟的情况下更多的采用低成本的生产工艺如Zn还原法，VLD法等。可以预料到，多晶硅生产成本下降将极大的推动光伏发电的普及，如果我国能顺应当前发展的趋势，探索出一条具有中国特色的低成本太阳能级多晶硅的工艺路线，中国的光伏产业将会赢得极好的发展机遇和战略优势，在世界光伏行业奏出华丽的乐章。
【参考文献】
[1]周鸿军，张泰生，李红波，等.锌还原四氯化硅的产业化应用研究[J].新材料产业，2018（11）：59.
[2]周鸿军，陈鸣波.锌还原四氯化硅的产业化应用研究进展[J].新材料产业，2019（8）：15.