電池材料知識(shí)：什么是多晶硅？

多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。熔融的單質(zhì)硅在過(guò)冷條件下凝固時(shí)，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，如這些晶核長(zhǎng)成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結(jié)合起來(lái)，就結(jié)晶成多晶硅。多晶硅可作拉制單晶硅的原料，多晶硅與單晶硅的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)方面。例如，在力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)的各向異性方面，遠(yuǎn)不如單晶硅明顯；在電學(xué)性質(zhì)方面，多晶硅晶體的導(dǎo)電性也遠(yuǎn)不如單晶硅顯著，甚至于幾乎沒(méi)有導(dǎo)電性。在化學(xué)活性方面，兩者的差異極小。多晶硅和單晶硅可從外觀上加以區(qū)別，但真正的鑒別須通過(guò)分析測(cè)定晶體的晶面方向、導(dǎo)電類(lèi)型和電阻率等。

一、國(guó)際多晶硅產(chǎn)業(yè)概況

當(dāng)前，晶體硅材料（包括多晶硅和單晶硅）是最主要的光伏材料，其市場(chǎng)占有率在90％以上,而且在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期也依然是太陽(yáng)能電池的主流材料。多晶硅材料的生產(chǎn)技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)掌握在美、日、德等3個(gè)國(guó)家7個(gè)公司的10家工廠(chǎng)手中，形成技術(shù)封鎖、市場(chǎng)壟斷的狀況。

多晶硅的需求主要來(lái)自于半導(dǎo)體和太陽(yáng)能電池。按純度要求不同，分為電子級(jí)和太陽(yáng)能級(jí)。其中，用于電子級(jí)多晶硅占55％左右，太陽(yáng)能級(jí)多晶硅占45％，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，太陽(yáng)能電池對(duì)多晶硅需求量的增長(zhǎng)速度高于半導(dǎo)體多晶硅的發(fā)展，預(yù)計(jì)到2008年太陽(yáng)能多晶硅的需求量將超過(guò)電子級(jí)多晶硅。

1994年全世界太陽(yáng)能電池的總產(chǎn)量只有69MW，而2004年就接近1200MW，在短短的10年里就增長(zhǎng)了17倍。專(zhuān)家預(yù)測(cè)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)在二十一世紀(jì)前半期將超過(guò)核電成為最重要的基礎(chǔ)能源之一，世界各國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量和構(gòu)成比例見(jiàn)表1。

據(jù)悉，美國(guó)能源部計(jì)劃到2010年累計(jì)安裝容量4600MW，日本計(jì)劃2010年達(dá)到5000MW，歐盟計(jì)劃達(dá)到6900MW，預(yù)計(jì)2010年世界累計(jì)安裝量至少18000MW。

從上述的推測(cè)分析，至2010年太陽(yáng)能電池用多晶硅至少在30000噸以上，表2給出了世界太陽(yáng)能多晶硅工序的預(yù)測(cè)。據(jù)國(guó)外資料分析報(bào)道，世界多晶硅的產(chǎn)量2005年為28750噸，其中半導(dǎo)體級(jí)為20250噸，太陽(yáng)能級(jí)為8500噸，半導(dǎo)體級(jí)需求量約為19000噸，略有過(guò)剩；太陽(yáng)能級(jí)的需求量為15000噸，供不應(yīng)求，從2006年開(kāi)始太陽(yáng)能級(jí)和半導(dǎo)體級(jí)多晶硅需求的均有缺口，其中太陽(yáng)能級(jí)產(chǎn)能缺口更大。

據(jù)日本稀有金屬雜質(zhì)2005年11月24日?qǐng)?bào)道，世界半導(dǎo)體與太陽(yáng)能多晶硅需求緊張，主要是由于以歐洲為中心的太陽(yáng)能市場(chǎng)迅速擴(kuò)大，預(yù)計(jì)2006年，2007年多晶硅供應(yīng)不平衡的局面將為愈演愈烈，多晶硅價(jià)格方面半導(dǎo)體級(jí)與太陽(yáng)能級(jí)原有的差別將逐步減小甚至消除，2005年世界太陽(yáng)能電池產(chǎn)量約1GW，如果以1MW用多晶硅12噸計(jì)算，共需多晶硅是1.2萬(wàn)噸，2005－2010年世界太陽(yáng)能電池平均年增長(zhǎng)率在25％，到2010年全世界半導(dǎo)體用于太陽(yáng)能電池用多晶硅的年總的需求量將超過(guò)6.3萬(wàn)噸。

世界多晶硅主要生產(chǎn)企業(yè)有日本的Tokuyama、三菱、住友公司、美國(guó)的Hemlock、Asimi、SGS、MEMC公司，德國(guó)的Wacker公司等，其年產(chǎn)能絕大部分在1000噸以上，其中Tokuyama、Hemlock、Wacker三個(gè)公司生產(chǎn)規(guī)模最大，年生產(chǎn)能力均在3000－5000噸。

國(guó)際多晶硅主要技術(shù)特征有以下兩點(diǎn)：

（1）多種生產(chǎn)工藝路線(xiàn)并存，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)封鎖、壟斷局面不會(huì)改變。由于各多晶硅生產(chǎn)工廠(chǎng)所用主輔原料不盡相同，因此生產(chǎn)工藝技術(shù)不同；進(jìn)而對(duì)應(yīng)的多晶硅產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)、用途、產(chǎn)品檢測(cè)方法、過(guò)程安全等方面也存在差異，各有技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)秘密，總的來(lái)說(shuō)，目前國(guó)際上多晶硅生產(chǎn)主要的傳統(tǒng)工藝有：改良西門(mén)子法、硅烷法和流化床法。其中改良西門(mén)子工藝生產(chǎn)的多晶硅的產(chǎn)能約占世界總產(chǎn)能的80％，短期內(nèi)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)壟斷封鎖的局面不會(huì)改變。

（2）新一代低成本多晶硅工藝技術(shù)研究空前活躍。除了傳統(tǒng)工藝（電子級(jí)和太陽(yáng)能級(jí)兼容）及技術(shù)升級(jí)外，還涌現(xiàn)出了幾種專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的新工藝技術(shù)，主要有：改良西門(mén)子法的低價(jià)格工藝；冶金法從金屬硅中提取高純度硅；高純度SiO2直接制?。蝗廴谖龀龇ǎ╒LD：VapertoliquiddeposiTIon）；還原或熱分解工藝；無(wú)氯工藝技術(shù)，Al－Si溶體低溫制備太陽(yáng)能級(jí)硅；熔鹽電解法等。

二、國(guó)內(nèi)多晶硅產(chǎn)業(yè)概況

我國(guó)集成電路的增長(zhǎng)，硅片生產(chǎn)和太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大大帶動(dòng)多晶硅材料的增長(zhǎng)。

太陽(yáng)能電池用多晶硅按每生產(chǎn)1MW多晶硅太陽(yáng)能電池需要11－12噸多晶硅計(jì)算，我國(guó)2004年多晶、單晶太陽(yáng)能電池產(chǎn)量為48.45MW，多晶硅用量為678噸左右，而實(shí)際產(chǎn)能已達(dá)70MW左右，多晶硅缺口達(dá)250噸以上。

到2005年底國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池產(chǎn)能達(dá)到300MW，實(shí)際能形成的產(chǎn)量約為110MW，需要多晶硅1400噸左右，預(yù)測(cè)到2010年太陽(yáng)能電池產(chǎn)量達(dá)300MW，需要多晶硅保守估計(jì)約4200噸，因此太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)將大大帶動(dòng)多晶硅需求的增加，見(jiàn)表3。

2005年中國(guó)太陽(yáng)能電池用單晶硅企業(yè)開(kāi)工率在20％－30％，半導(dǎo)體用單晶硅企業(yè)開(kāi)工率在80％－90％，都不能滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn)，主要原因是多晶硅供給量不足所造成的。預(yù)計(jì)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)后的產(chǎn)量，仍然滿(mǎn)足不了快速增長(zhǎng)的需要。

2005年全球太陽(yáng)能電池用多晶硅供應(yīng)量約為10448噸，而2005年太陽(yáng)能用硅材料需求量約為22881噸，如果太陽(yáng)能電池用多晶硅需求量按占總需求量的65%計(jì)，則太陽(yáng)能電池用多晶硅需求量約為14873噸，這樣全球太陽(yáng)能電池用多晶硅的市場(chǎng)缺口達(dá)4424噸。2005年半導(dǎo)體用多晶硅短缺6000噸，加上太陽(yáng)能用多晶硅缺口4424噸，合計(jì)10424噸，供給嚴(yán)重不足，導(dǎo)致全球多晶硅價(jià)格上漲。目前多晶硅市場(chǎng)的持續(xù)升溫，導(dǎo)致各生產(chǎn)廠(chǎng)商紛紛列出了擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，根據(jù)來(lái)自國(guó)際光伏組織的統(tǒng)計(jì)，至2008年全球多晶硅的產(chǎn)能將達(dá)49550噸，至2010年將達(dá)58800噸。預(yù)計(jì)到2010年全球多晶硅需求量將達(dá)85000噸，缺口26200噸。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，考慮到未來(lái)石化能源的短缺和各國(guó)對(duì)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的大力支持，需求將持續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù)歐洲光伏工業(yè)聯(lián)合會(huì)的2010年各國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃預(yù)計(jì)，屆時(shí)全球光伏產(chǎn)量將達(dá)到15GW（1GW=1000MW），設(shè)想其中60%使用多晶硅為原材料，如果技術(shù)進(jìn)步每MW消耗10噸多晶硅，保守估計(jì)全球至少需要太陽(yáng)能多晶硅5萬(wàn)噸以上。

我國(guó)多晶硅工業(yè)起步于五、六十年代中期，生產(chǎn)廠(chǎng)多達(dá)20余家，生由于生產(chǎn)技術(shù)難度大，生產(chǎn)規(guī)模小，工藝技術(shù)落后，環(huán)境污染嚴(yán)重，耗能大，成本高，絕大部分企業(yè)虧損而相繼停產(chǎn)和轉(zhuǎn)產(chǎn)，到1996年僅剩下四家，即峨眉半導(dǎo)體材料廠(chǎng)（所），洛陽(yáng)單晶硅廠(chǎng)、天原化工廠(chǎng)和棱光實(shí)業(yè)公司，合計(jì)當(dāng)年產(chǎn)量為102.2噸，產(chǎn)能與生產(chǎn)技術(shù)都與國(guó)外有較大的差距。

1995年后，棱光實(shí)業(yè)公司和重慶天原化工廠(chǎng)相繼停產(chǎn)?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)主要多晶硅生產(chǎn)廠(chǎng)商有洛陽(yáng)中硅高科技公司、四川峨眉半導(dǎo)體廠(chǎng)和四川新光硅業(yè)公司、到2005年底，洛陽(yáng)中硅高科技公司300噸生產(chǎn)線(xiàn)已正式投產(chǎn)，二期擴(kuò)建1000噸多晶硅生產(chǎn)線(xiàn)也同時(shí)破土動(dòng)工，河南省計(jì)劃將其擴(kuò)建到3000噸規(guī)模，建成國(guó)內(nèi)最大的硅產(chǎn)業(yè)基地。四川峨眉半導(dǎo)體材料廠(chǎng)（所）是國(guó)內(nèi)最早擁有多晶硅生產(chǎn)技術(shù)的企業(yè)，2005年太陽(yáng)能電池用戶(hù)投資，擴(kuò)產(chǎn)的220噸多晶硅生產(chǎn)線(xiàn)將于2006年上半年投產(chǎn)，四川新光硅業(yè)公司實(shí)施的1000噸多晶硅生產(chǎn)線(xiàn)正在加快建設(shè)，計(jì)劃在2006年底投產(chǎn)，此外，云南、揚(yáng)州、上海、黑河、錦州、青海、內(nèi)蒙、宜昌、廣西、重慶、遼寧、邯鄲、保定、浙江等地也有建生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)想。

三、行業(yè)發(fā)展的主要問(wèn)題

同國(guó)際先進(jìn)水平相比，國(guó)內(nèi)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)業(yè)化方面的差距主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、產(chǎn)能低，供需矛盾突出。2005年中國(guó)太陽(yáng)能用單晶硅企業(yè)開(kāi)工率在20％－30％，半導(dǎo)體用單

晶硅企業(yè)開(kāi)工率在80％－90％，無(wú)法實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn)，多晶硅技術(shù)和市場(chǎng)仍牢牢掌握在美、日、德國(guó)的少數(shù)幾個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)商中，嚴(yán)重制約我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2、生產(chǎn)規(guī)模小、現(xiàn)在公認(rèn)的最小經(jīng)濟(jì)規(guī)模為1000噸/年，最佳經(jīng)濟(jì)規(guī)模在2500噸/年，而我國(guó)現(xiàn)階段多晶硅生產(chǎn)企業(yè)離此規(guī)模仍有較大的距離。

3、工藝設(shè)備落后，同類(lèi)產(chǎn)品物料和電力消耗過(guò)大，三廢問(wèn)題多，與國(guó)際水平相比，國(guó)內(nèi)多晶硅生產(chǎn)物耗能耗高出1倍以上，產(chǎn)品成本缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。

4、千噸級(jí)工藝和設(shè)備技術(shù)的可靠性、先進(jìn)性、成熟性以及各子系統(tǒng)的相互匹配性都有待生產(chǎn)運(yùn)行驗(yàn)證，并需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)。

5、國(guó)內(nèi)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力不強(qiáng)，基礎(chǔ)研究資金投入太少，尤其是非標(biāo)設(shè)備的研發(fā)制造能力差。

6、地方政府和企業(yè)項(xiàng)目投資多晶硅項(xiàng)目，存在低水平重復(fù)建設(shè)的隱憂(yōu)。

四、行業(yè)發(fā)展的對(duì)策與建議

1、發(fā)展壯大我國(guó)多晶硅產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)條件已經(jīng)基本具備、時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，國(guó)家相關(guān)部門(mén)加大對(duì)多晶硅產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)，科技創(chuàng)新、工藝完善、項(xiàng)目建設(shè)的支持力度，抓住有利時(shí)機(jī)發(fā)展壯大我國(guó)的多晶硅產(chǎn)業(yè)。

2、支持最具條件的改良西門(mén)子法共性技術(shù)的實(shí)施，加快突破千噸級(jí)多晶硅產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，形成從材料生產(chǎn)工藝、裝備、自動(dòng)控制、回收循環(huán)利用的多晶硅產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線(xiàn)，材料性能接近國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品指標(biāo)；建成節(jié)能、低耗、環(huán)保、循環(huán)、經(jīng)濟(jì)的多晶硅材料生產(chǎn)體系，提高我們多晶硅在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力。

3、依托高校以及研究院所，加強(qiáng)新一代低成本工藝技術(shù)基礎(chǔ)性及前瞻性研究，建立低成本太陽(yáng)能及多晶硅研究開(kāi)發(fā)的知識(shí)及技術(shù)創(chuàng)新體系，獲得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)。

4、政府主管部門(mén)加強(qiáng)宏觀調(diào)控與行業(yè)管理，避免低水平項(xiàng)目的重復(fù)投資建設(shè)，保證產(chǎn)業(yè)的有序、可持續(xù)發(fā)展