高純多晶硅是電子工業(yè)和太陽能光伏產業(yè)的基礎原料.doc

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多晶硅產業(yè)簡介 一、性質 多晶硅具有半導體性質，是極為重要的優(yōu)良半導體材料，但微量的雜質即可大大影響其導電性。電子工業(yè)中廣泛用于制造半導體收音機、錄音機、電冰箱、彩電、錄像機、電子計算機等的基礎材料。由干燥硅粉與干燥氯化氫氣體在一定條件下氯化，再經冷凝、精餾、還原而得。 　　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，遠不如單晶硅明顯；在電學性質方面，多晶硅晶體的導電性也遠不如單晶硅顯著，甚至于幾乎沒有導電性。在化學活性方面，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分析測定晶體的晶面方向、導電類型和電阻率等。 　　多晶硅是生產單晶硅的直接原料，是當代人工智能、自動控制、信息處理、光電轉換等半導體器件的電子信息基礎材料。被稱為“微電子大廈的基石”。 二、利用價值 在太陽能利用上，單晶硅和多晶硅也發(fā)揮著巨大的作用。雖然從目前來講，要使太陽能發(fā)電具有較大的市場，被廣大的消費者接受，就必須提高太陽電池的光電轉換效率，降低生產成本。從目前國際太陽電池的發(fā)展過程可以看出其發(fā)展趨勢為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。 三、工業(yè)發(fā)展 從工業(yè)化發(fā)展來看，重心已由單晶向多晶方向發(fā)展，主要原因為；[1]可供應太陽電池的頭尾料愈來愈少；[2] 對太陽電池來講，方形基片更合算，通過澆鑄法和直接凝固法所獲得的多晶硅可直接獲得方形材料；[3]多晶硅的生產工藝不斷取得進展，全自動澆鑄爐每生產周期（50小時）可生產200公斤以上的硅錠，晶粒的尺寸達到厘米級；[4]由于近十年單晶硅工藝的研究與發(fā)展很快，其中工藝也被應用于多晶硅電池的生產，例如選擇腐蝕發(fā)射結、背表面場、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細金屬柵電極，采用絲網印刷技術可使柵電極的寬度降低到50微米，高度達到15微米以上，快速熱退火技術用于多晶硅的生產可大大縮短工藝時間，單片熱工序時間可在一分鐘之內完成，采用該工藝在100平方厘米的多晶硅片上作出的電池轉換效率超過14％。據(jù)報道，目前在50～60微米多晶硅襯底上制作的電池效率超過16％。利用機械刻槽、絲網印刷技術在100平方厘米多晶上效率超過17％，無機械刻槽在同樣面積上效率達到16％，采用埋柵結構，機械刻槽在130平方厘米的多晶上電池效率達到15.8％。 四、國際多晶硅產業(yè)概況 當前，晶體硅材料（包括多晶硅和單晶硅）是最主要的光伏材料，其市場占有率在90％以上,而且在今后相當長的一段時期也依然是太陽能電池的主流材料。多晶硅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。 多晶硅的需求主要來自于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，用于電子級多晶硅占55％左右，太陽能級多晶硅占45％，隨著光伏產業(yè)的迅猛發(fā)展，太陽能電池對多晶硅需求量的增長速度高于半導體多晶硅的發(fā)展，預計到2008年太陽能多晶硅的需求量將超過電子級多晶硅。 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年里就增長了17倍。專家預測太陽能光伏產業(yè)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。 據(jù)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硅至少在30000噸以上，表2給出了世界太陽能多晶硅工序的預測。據(jù)國外資料分析報道，世界多晶硅的產量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硅需求的均有缺口，其中太陽能級產能缺口更大。 據(jù)日本稀有金屬雜志2005年11月24日報道，世界半導體與太陽能多晶硅需求緊張，主要是由于以歐洲為中心的太陽能市場迅速擴大，預計2006年，2007年多晶硅供應不平衡的局面將為愈演愈烈，多晶硅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用多晶硅12噸計算，共需多晶硅是1.2萬噸，2005－2010年世界太陽能電池平均年增長率在25％，到2010年全世界半導體用于太陽能電池用多晶硅的年總的需求量將超過6.3萬噸。 世界多晶硅主要生產企業(yè)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(guī)模最大，年生產能力均在3000－5000噸。 五、國際多晶硅主要技術特征有以下兩點 （1）多種生產工藝路線并存，產業(yè)化技術封鎖、壟斷局面不會改變。由于各多晶硅生產工廠所用主輔原料不盡相同，因此生產工藝技術不同；進而對應的多晶硅產品技術經濟指標、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，目前國際上多晶硅生產主要的傳統(tǒng)工藝有：改良西門子法、硅烷法和流化床法。其中改良西門子工藝生產的多晶硅的產能約占世界總產能的80％，短期內產業(yè)化技術壟斷封鎖的局面不會改變。 （2）新一代低成本多晶硅工藝技術研究空前活躍。除了傳統(tǒng)工藝（電子級和太陽能級兼容）及技術升級外，還涌現(xiàn)出了幾種專門生產太陽能級多晶硅的新工藝技術，主要有：改良西門子法的低價格工藝；冶金法從金屬硅中提取高純度硅；高純度SiO2直接制??；熔融析出法（VLD：Vaper to liquid deposition）；還原或熱分解工藝；無氯工藝技術，Al－Si溶體低溫制備太陽能級硅；熔鹽電解法等。 六、國內多晶硅產業(yè)概況 中國多晶硅工業(yè)起步于20世紀50年代，60年代中期實現(xiàn)了產業(yè)化，到70年代，生產廠家曾經發(fā)展到20多家。但由于工藝技術落后，消耗大，成本高等原因，絕大部分企業(yè)虧損而相繼停產或轉產。 　　進入21世紀以來，強大的需求和豐厚的利潤刺激著多晶硅產業(yè)的迅速膨脹。多晶硅現(xiàn)貨價7年內上漲了10倍，高峰時利潤率超過800%。截至2008年12月，國內已有超過10家上市公司投資多晶硅項目，已公告的投資額近60億元，總投資額高達300多億元。 　　2009年初，修訂后的《能源法》已經提交到國務院法制辦，這將直接影響“十二五”期間國家能源政策的整體規(guī)劃。隨后，無錫尚德、賽維LDK、常州天合、林洋新能源、CSI阿特斯、南京冠亞等在內的太陽能電池生產巨頭們將“1元/度”光伏發(fā)電成本的方案上交國家科技部。這標志著光伏發(fā)電入網已經不再遙遠，這兩大利好無疑給多晶硅-光伏企業(yè)帶來了新的發(fā)展契機。 中國多晶硅的自主供貨存在著嚴重的缺口，95%以上多晶硅材料需要進口，供應長期受制于人，再加上價格的暴漲，已經危及到多晶硅下游眾多企業(yè)的發(fā)展，成為制約中國信息產業(yè)和光伏產業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。2009年1月，國家發(fā)改委已正式批復，同意在洛陽中硅建設多晶硅材料制備技術國家工程實驗室，并安排1500萬元國家投資補助資金，這表明海外對中國高純多晶硅產業(yè)的技術壁壘正在被一一打破，對緩解中國多晶硅需求主要依賴進口現(xiàn)狀、促進光伏產品成本降低都具有標志性意義。 近年來，在中央政府大力推廣新能源政策的支持下，各地方省份也是積極跟進，培養(yǎng)優(yōu)勢產業(yè)。江西省抓住機遇，憑借粉石英（硅材料主要原料）儲量全國第一的資源優(yōu)勢，出臺多方面措施保障光伏產業(yè)發(fā)展。短短3、4年間，使得一大批光伏產業(yè)上下游項目迅速在江西集聚，成為我國重要的光伏產業(yè)基地。以新余為主產地、以賽維LDK和盛豐能源為核心企業(yè)的產業(yè)帶具有較強的生產能力，初步建立了從硅料、硅片到太陽能電池組件及配套產品的完整產業(yè)鏈，擁有了對外合作的有效途徑和一批關鍵人才，在國內已具有較明顯的規(guī)模優(yōu)勢和市場競爭力。 2008年江西省光伏產業(yè)發(fā)展迅速，實現(xiàn)銷售收入128.9億元。另外該省生產的多晶硅片已占全球總產量的四分之一，龍頭企業(yè)賽維2008年的產能超過1400MW。 2009年初，經省政府同意，由江西省發(fā)改委牽頭編制的《江西省光伏產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》正式下發(fā)，為江西光伏產業(yè)發(fā)展確定了大的方向。規(guī)劃中提到，力爭到2012年將江西打造成為全球重要的光伏產業(yè)生產基地。按照規(guī)劃，未來數(shù)年，新余、豐城、南昌產業(yè)帶將建成全省光伏產業(yè)主要集聚區(qū)。 七、多晶硅產業(yè)發(fā)展預測 高純多晶硅是電子工業(yè)和太陽能光伏產業(yè)的基礎原料，在未來的50年里，還不可能有其他材料能夠替代硅材料而成為電子和光伏產業(yè)主要原材料。 隨著信息技術和太陽能產業(yè)的飛速發(fā)展，全球對多晶硅的需求增長迅猛，市場供不應求。世界多晶硅的產量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15600噸，供不應求。近年來，全球太陽能電池產量快速增加，直接拉動了多晶硅需求的迅猛增長。全球多晶硅由供過于求轉向供不應求。受此影響，作為太陽能電池主要原料的多晶硅價格快速上漲。 中國多晶硅工業(yè)起步于20世紀50年代，60年代中期實現(xiàn)了產業(yè)化，到70年代，生產廠家曾經發(fā)展到20多家。但由于工藝技術落后，環(huán)境污染嚴重，消耗大，成本高等原因，絕大部分企業(yè)虧損而相繼停產或轉產。到目前為止，國內有多晶硅生產條件的單位有洛陽中硅高科技有限公司、峨嵋半導體材料廠（所）、四川新光硅業(yè)科技有限責任公司3家企業(yè)。 中國集成電路和太陽能電池對多晶硅的需求快速增長，2005年集成電路產業(yè)需要電子級多晶硅約1000噸，太陽能電池需要多晶硅約1400噸；到2010年，中國電子級多晶硅年需求量將達到約2000噸，光伏級多晶硅年需求量將達到約4200噸。而中國多晶硅的自主供貨存在著嚴重的缺口，95%以上多晶硅材料需要進口，供應長期受制于人，再加上價格的暴漲，已經危及到多晶硅下游眾多企業(yè)的發(fā)展，成為制約中國信息產業(yè)和光伏產業(yè)產業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。 由于多晶硅需求量繼續(xù)加大，在市場缺口加大、價格不斷上揚的刺激下，國內涌現(xiàn)出一股搭上多晶硅項目的熱潮。多晶硅項目的投資熱潮，可以說是太陽能電池市場迅猛發(fā)展的必然結果，但中國硅材料產業(yè)一定要慎重發(fā)展，不能一哄而上；關鍵是要掌握核心技術，否則將難以擺脫受制于人的局面。 作為高科技產業(yè)，利用硅礦開發(fā)多晶硅，產業(yè)耗能大，電力需求高。目前電價已成為中國大多數(shù)硅礦企業(yè)亟待突破的瓶頸之一。因此中國大力發(fā)展多晶硅產業(yè)，亟需在條件成熟的地方制定電價優(yōu)惠政策，降低成本。 由于需求增加快速，但供給成長有限，預估多晶硅料源的供應2007年將是最嚴重缺乏的一年，預計到2009年，全世界多晶硅的年需求量將達到6.5萬噸。在未來的3至5年間，也就是在中國的“十一五”期間，將是中國多晶硅產業(yè)快速發(fā)展的黃金時期。 八、多晶硅行業(yè)發(fā)展的主要問題 問題 　　同國際先進水平相比，國內多晶硅生產企業(yè)在產業(yè)化方面的差距主要表現(xiàn)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硅企業(yè)開工率在20％－30％，半導體用單 晶硅企業(yè)開工率在80％－90％，無法實現(xiàn)滿負荷生產，多晶硅技術和市場仍牢牢掌握在美、日、德國的少數(shù)幾個生產廠商中，嚴重制約我國產業(yè)發(fā)展。 2、生產規(guī)模小?，F(xiàn)在公認的最小經濟規(guī)模為1000噸/年，最佳經濟規(guī)模在2500噸/年，而我國現(xiàn)階段多晶硅生產企業(yè)離此規(guī)模仍有較大的距離。 3、工藝設備落后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，國內多晶硅生產物耗能耗高出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(tǒng)的相互匹配性都有待生產運行驗證，并需要進一步完善和改進。 5、國內多晶硅生產企業(yè)技術創(chuàng)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(fā)制造能力差。 6、地方政府和企業(yè)項目投資多晶硅項目，存在低水平重復建設的隱憂。 7、產生大量污染。 九、多晶硅行業(yè)發(fā)展的對策與建議 1、發(fā)展壯大我國多晶硅產業(yè)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硅產業(yè)技術研發(fā)，科技創(chuàng)新、工藝完善、項目建設的支持力度，抓住有利時機發(fā)展壯大我國的多晶硅產業(yè)。 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硅產業(yè)化關鍵技術，形成從材料生產工藝、裝備、自動控制、回收循環(huán)利用的多晶硅產業(yè)化生產線，材料性能接近國際同類產品指標；建成節(jié)能、低耗、環(huán)保、循環(huán)、經濟的多晶硅材料生產體系，提高我們多晶硅在國際上的競爭力。 3、依托高校以及研究院所，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硅研究開發(fā)的知識及技術創(chuàng)新體系，獲得具有自主知識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(yè)管理，避免低水平項目的重復投資建設，保證產業(yè)的有序、可持續(xù)發(fā)展。