電池材料知識:什麼是多晶矽?

電池材料知識：什麼是多晶矽？

佚名 發表於 2010-02-06 08:47:40

電池材料知識：什麼是多晶矽？

  多晶矽是單質矽的一種形態。熔融的單質矽在過冷條件下凝固時，矽原子以金剛石晶格形態排列成許多晶核，如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結合起來，就結晶成多晶矽。多晶矽可作拉制單晶矽的原料，多晶矽與單晶矽的差異主要表現在物理性質方面。例如，在力學性質、光學性質和熱學性質的各向異性方面，遠不如單晶矽明顯；在電學性質方面，多晶矽晶體的導電性也遠不如單晶矽顯著，甚至於幾乎沒有導電性。在化學活性方面，兩者的差異極小。多晶矽和單晶矽可從外觀上加以區別，但真正的鑑別須通過分析測定晶體的晶面方向、導電類型和電阻率等。

    一、國際多晶矽產業概況

    當前，晶體矽材料（包括多晶矽和單晶矽）是最主要的光伏材料，其市場佔有率在90％以上,而且在今後相當長的一段時期也依然是太陽能電池的主流材料。多晶矽材料的生產技術長期以來掌握在美、日、德等3個國家7個公司的10家工廠手中，形成技術封鎖、市場壟斷的狀況。

    多晶矽的需求主要來自於半導體和太陽能電池。按純度要求不同，分為電子級和太陽能級。其中，用於電子級多晶矽佔55％左右，太陽能級多晶矽佔45％，隨著光伏產業的迅猛發展，太陽能電池對多晶矽需求量的增長速度高於半導體多晶矽的發展，預計到2008年太陽能多晶矽的需求量將超過電子級多晶矽。

    1994年全世界太陽能電池的總產量只有69MW，而2004年就接近1200MW，在短短的10年裡就增長了17倍。專家預測太陽能光伏產業在二十一世紀前半期將超過核電成為最重要的基礎能源之一，世界各國太陽能電池產量和構成比例見表1。

    據悉，美國能源部計劃到2010年累計安裝容量4600MW，日本計劃2010年達到5000MW，歐盟計劃達到6900MW，預計2010年世界累計安裝量至少18000MW。

    從上述的推測分析，至2010年太陽能電池用多晶矽至少在30000噸以上，表2給出了世界太陽能多晶矽工序的預測。據國外資料分析報導，世界多晶矽的產量2005年為28750噸，其中半導體級為20250噸，太陽能級為8500噸，半導體級需求量約為19000噸，略有過剩；太陽能級的需求量為15000噸，供不應求，從2006年開始太陽能級和半導體級多晶矽需求的均有缺口，其中太陽能級產能缺口更大。

    據日本稀有金屬雜質2005年11月24日報導，世界半導體與太陽能多晶矽需求緊張，主要是由於以歐洲為中心的太陽能市場迅速擴大，預計2006年，2007年多晶矽供應不平衡的局面將為愈演愈烈，多晶矽價格方面半導體級與太陽能級原有的差別將逐步減小甚至消除，2005年世界太陽能電池產量約1GW，如果以1MW用多晶矽12噸計算，共需多晶矽是1.2萬噸，2005－2010年世界太陽能電池平均年增長率在25％，到2010年全世界半導體用於太陽能電池用多晶矽的年總的需求量將超過6.3萬噸。

    世界多晶矽主要生產企業有日本的Tokuyama、三菱、住友公司、美國的Hemlock、Asimi、SGS、MEMC公司，德國的Wacker公司等，其年產能絕大部分在1000噸以上，其中Tokuyama、Hemlock、Wacker三個公司生產規模最大，年生產能力均在3000－5000噸。

國際多晶矽主要技術特徵有以下兩點：

    （1）多種生產工藝路線並存，產業化技術封鎖、壟斷局面不會改變。由於各多晶矽生產工廠所用主輔原料不盡相同，因此生產工藝技術不同；進而對應的多晶矽產品技術經濟指標、產品質量指標、用途、產品檢測方法、過程安全等方面也存在差異，各有技術特點和技術秘密，總的來說，目前國際上多晶矽生產主要的傳統工藝有：改良西門子法、矽烷法和流化床法。其中改良西門子工藝生產的多晶矽的產能約佔世界總產能的80％，短期內產業化技術壟斷封鎖的局面不會改變。

    （2）新一代低成本多晶矽工藝技術研究空前活躍。除了傳統工藝（電子級和太陽能級兼容）及技術升級外，還湧現出了幾種專門生產太陽能級多晶矽的新工藝技術，主要有：改良西門子法的低價格工藝；冶金法從金屬矽中提取高純度矽；高純度SiO2直接製取；熔融析出法（VLD：Vapertoliquiddeposition）；還原或熱分解工藝；無氯工藝技術，Al－Si溶體低溫製備太陽能級矽；熔鹽電解法等。

    二、國內多晶矽產業概況

    我國集成電路的增長，矽片生產和太陽能電池產業的發展，大大帶動多晶矽材料的增長。

    太陽能電池用多晶矽按每生產1MW多晶矽太陽能電池需要11－12噸多晶矽計算，我國2004年多晶、單晶太陽能電池產量為48.45MW，多晶矽用量為678噸左右，而實際產能已達70MW左右，多晶矽缺口達250噸以上。

    到2005年底國內太陽能電池產能達到300MW，實際能形成的產量約為110MW，需要多晶矽1400噸左右，預測到2010年太陽能電池產量達300MW，需要多晶矽保守估計約4200噸，因此太陽能電池的生產將大大帶動多晶矽需求的增加，見表3。

    2005年中國太陽能電池用單晶矽企業開工率在20％－30％，半導體用單晶矽企業開工率在80％－90％，都不能滿負荷生產，主要原因是多晶矽供給量不足所造成的。預計多晶矽生產企業擴產後的產量，仍然滿足不了快速增長的需要。

    2005年全球太陽能電池用多晶矽供應量約為10448噸，而2005年太陽能用矽材料需求量約為22881噸，如果太陽能電池用多晶矽需求量按佔總需求量的65%計，則太陽能電池用多晶矽需求量約為14873噸，這樣全球太陽能電池用多晶矽的市場缺口達4424噸。2005年半導體用多晶矽短缺6000噸，加上太陽能用多晶矽缺口4424噸，合計10424噸，供給嚴重不足，導致全球多晶矽價格上漲。目前多晶矽市場的持續升溫，導致各生產廠商紛紛列出了擴產計劃，根據來自國際光伏組織的統計，至2008年全球多晶矽的產能將達49550噸，至2010年將達58800噸。預計到2010年全球多晶矽需求量將達85000噸，缺口26200噸。從長遠來看，考慮到未來石化能源的短缺和各國對太陽能產業的大力支持，需求將持續增長。根據歐洲光伏工業聯合會的2010年各國光伏產業發展計劃預計，屆時全球光伏產量將達到15GW（1GW=1000MW），設想其中60%使用多晶矽為原材料，如果技術進步每MW消耗10噸多晶矽，保守估計全球至少需要太陽能多晶矽5萬噸以上。

我國多晶矽工業起步於五、六十年代中期，生產廠多達20餘家，生由於生產技術難度大，生產規模小，工藝技術落後，環境汙染嚴重，耗能大，成本高，絕大部分企業虧損而相繼停產和轉產，到1996年僅剩下四家，即峨眉半導體材料廠（所），洛陽單晶矽廠、天原化工廠和稜光實業公司，合計當年產量為102.2噸，產能與生產技術都與國外有較大的差距。

    1995年後，稜光實業公司和重慶天原化工廠相繼停產。現在國內主要多晶矽生產廠商有洛陽中矽高科技公司、四川峨眉半導體廠和四川新光矽業公司、到2005年底，洛陽中矽高科技公司300噸生產線已正式投產，二期擴建1000噸多晶矽生產線也同時破土動工，河南省計劃將其擴建到3000噸規模，建成國內最大的矽產業基地。四川峨眉半導體材料廠（所）是國內最早擁有多晶矽生產技術的企業，2005年太陽能電池用戶投資，擴產的220噸多晶矽生產線將於2006年上半年投產，四川新光矽業公司實施的1000噸多晶矽生產線正在加快建設，計劃在2006年底投產，此外，雲南、揚州、上海、黑河、錦州、青海、內蒙、宜昌、廣西、重慶、遼寧、邯鄲、保定、浙江等地也有建生產線設想。

    三、行業發展的主要問題

    同國際先進水平相比，國內多晶矽生產企業在產業化方面的差距主要表現在以下幾個方面：

    1、產能低，供需矛盾突出。2005年中國太陽能用單晶矽企業開工率在20％－30％，半導體用單

    晶矽企業開工率在80％－90％，無法實現滿負荷生產，多晶矽技術和市場仍牢牢掌握在美、日、德國的少數幾個生產廠商中，嚴重製約我國產業發展。

    2、生產規模小、現在公認的最小經濟規模為1000噸/年，最佳經濟規模在2500噸/年，而我國現階段多晶矽生產企業離此規模仍有較大的距離。

    3、工藝設備落後，同類產品物料和電力消耗過大，三廢問題多，與國際水平相比，國內多晶矽生產物耗能耗高出1倍以上，產品成本缺乏競爭力。

    4、千噸級工藝和設備技術的可靠性、先進性、成熟性以及各子系統的相互匹配性都有待生產運行驗證，並需要進一步完善和改進。

    5、國內多晶矽生產企業技術創新能力不強，基礎研究資金投入太少，尤其是非標設備的研發製造能力差。

    6、地方政府和企業項目投資多晶矽項目，存在低水平重複建設的隱憂。

    四、行業發展的對策與建議

    1、發展壯大我國多晶矽產業的市場條件已經基本具備、時機已經成熟，國家相關部門加大對多晶矽產業技術研發，科技創新、工藝完善、項目建設的支持力度，抓住有利時機發展壯大我國的多晶矽產業。

    2、支持最具條件的改良西門子法共性技術的實施，加快突破千噸級多晶矽產業化關鍵技術，形成從材料生產工藝、裝備、自動控制、回收循環利用的多晶矽產業化生產線，材料性能接近國際同類產品指標；建成節能、低耗、環保、循環、經濟的多晶矽材料生產體系，提高我們多晶矽在國際上的競爭力。

  3、依託高校以及研究院所，加強新一代低成本工藝技術基礎性及前瞻性研究，建立低成本太陽能及多晶矽研究開發的知識及技術創新體系，獲得具有自主智慧財產權的生產工藝和技術。

    4、政府主管部門加強宏觀調控與行業管理，避免低水平項目的重複投資建設，保證產業的有序、可持續發展

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