多晶硅材料.ppt的生产过程

硅材料科学与技术讲师: 刘毅科单位: 新余科技学院太阳能科学与工程系高纯多晶硅的生产太阳能电池的分类（1）硅太阳能电池； （2）多组分复合薄膜太阳能电池； （3）有机太阳能电池； （4）纳米晶太阳能电池. 硅太阳能电池分为单晶硅，多晶硅，带状晶体和硅基薄膜太阳能电池等. 在上述四种太阳能电池中，硅太阳能电池一直是光伏市场的主导产品. 由于硅太阳能电池具有原料丰富，制造技术成熟，转换效率高，性能稳定的特点，是近二十年来太阳能电池研究，开发和生产的主要原料. 单晶硅和多晶硅太阳能电池的产量一直占太阳能电池的90％以上. 在2004年，如果考虑单晶硅，多晶硅和硅基电池，则2004年晶体硅电池的比例超过了94％. 人们普遍认为，硅太阳能电池在未来很长一段时间内仍将占据太阳能电池的主导地位，尤其是多晶硅太阳能电池，人们普遍认为其比例将会增加，这势必会推动对多晶硅原材料的需求. 它将变得越来越大，太阳能级多晶硅的生产将对整个太阳能电池的发展产生至关重要的影响. 多晶硅的定义多晶硅是元素硅的一种形式. 当熔融的元素硅在过冷条件下固化时，硅原子以菱形晶格的形式排列在许多晶核中. 如果这些晶核长成具有不同晶面取向的晶粒，这些晶粒就会结合在一起，结晶成多晶硅.

国外的多晶硅，目前，晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最重要的光伏材料，市场份额超过90％，并将继续成为太阳能电池的主流材料. 未来一段时间. 长期以来，多晶硅材料的生产技术一直掌握在美国，日本和德国三个国家/地区的7家公司的10家工厂中，造成了技术封锁和市场垄断. 世界主要的多晶硅生产公司包括日本的德山，三菱，住友，铁杉，阿西米·德山，铁杉和美国的瓦克. 这三个公司的生产规模最大，年生产能力为3000-8000吨多晶硅料制造，并且生产能力正在不断扩大. 表中显示了全球主要的高纯度多晶硅制造商2004-2008的产量和生产能力: 多晶硅的需求主要来自半导体和太阳能电池. 根据纯度要求不同，分为电子级和太阳能级. 其中，电子级多晶硅约占55％，太阳能级多晶硅约占45％. 随着光伏产业的快速发展，太阳能电池对多晶硅的需求增长快于半导体多晶硅的发展. 预计到2009年太阳能多晶硅的需求将超过电子级多晶硅. 1994年，全球太阳能电池的总产量仅为69MW，但2004年接近1200MW，在短短10年中增长了17倍. 专家预测，在21世纪上半叶，太阳能光伏产业将超越核能成为最重要的基础能源之一.

据报道，美国能源部计划到2010年累计装机容量为4,600兆瓦，日本计划到2010年达到装机容量5,000兆瓦，欧盟计划达到6,900兆瓦. 据估计，2010年全球累计装机容量将至少为18,000 MW. 根据上述推测，到2010年，太阳能电池用多晶硅将至少达到30,000吨. 根据国外数据分析和报道，2005年全球多晶硅产量为28,750吨，其中半导体级20,250吨，太阳能级8,500吨，对半导体级的需求约为19,000吨，略有过剩；太阳能级需求量为15,000吨供不应求，自2006年以来，太阳能级和半导体级多晶硅的需求一直存在缺口，太阳能级产能的缺口更大. 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005生产能力22600 23300 26100 26700 26700 28800 35500需求16700 18380 17650 20350 23100 27000 38000供需平衡+5900 +4920 +8450 +6350 +3600 +1800 -2500表1-2世界多晶硅产量近年来产能，供需一览表（单位: 吨）国际多晶硅的主要技术特征有以下两点: （1）多种生产工艺路线并存，工业化技术的封锁和垄断不会改变.

由于每个多晶硅生产厂所使用的主要和辅助原料都不相同，因此生产工艺技术不同；反过来，相应的多晶硅产品的技术和经济指标，产品质量指标，用途，产品测试方法，过程安全性等方面也存在差异. 有技术特征和技术秘密. 通常，世界上主要的传统多晶硅生产方法是: 改进的西门子法，硅烷法和流化床法. 其中，通过改进的西门子工艺生产的多晶硅产能约占世界总产能的80％，工业化技术的垄断封锁状况在短期内不会改变. （2）新一代低成本多晶硅工艺技术的研究空前活跃. 除了传统工艺（电子和太阳能兼容工艺）和技术升级外，还出法是从金属硅中提取的高纯硅；直接制备高纯度SiO2;熔融沉淀法（VLD: Vaper液体沉积）；还原或热分解过程；无氯工艺技术，铝硅熔体低温制备太阳能级硅；熔融盐电解法等（新工艺）国内多晶硅产业中国的多晶硅产业始于1950年代中期和1960年代中期，拥有20多个生产工厂. 由于生产技术的困难，生产规模小，技术落后，环境污染严重，能源消耗大，成本高等原因，多数企业亏损，停产，接连换产. 到1996年，只剩下四个，分别是峨眉半导体材料厂（研究所），洛阳单晶硅厂，天元化工厂和棱柱形工业公司. 是102.2吨，生产能力和生产工艺与国外有很大差距.

1995年后，棱镜工业公司和重庆天元化工厂停产. 目前，国内主要的多晶硅生产商是洛阳中硅高技术公司，四川峨眉半导体厂和四川新光硅业公司. 截止2005年底，洛阳中硅高科技公司300吨生产线正式投产，1000吨多晶硅生产线二期扩建同时开工. ，河南省计划将其扩大到3000吨，以建立该国最大的硅产业基地. 四川峨眉半导体材料厂是国内最早采用多晶硅生产技术的公司. 2005年，太阳能电池用户投资了一条扩建的220吨多晶硅生产线，该生产线将于2006年上半年投入运营. 两家工厂的年产量估计不到500吨. 2007年，四川新光硅业公司已建成投产，并将逐步扩大生产能力. 据估计，2007年中国三座工厂的多晶硅产能可能约为1000吨. 此外，云南，扬州，上海，黑河，锦州，青海，内蒙古，宜昌，广西，重庆，辽宁，邯郸，保定，浙江等地也有计划建设生产线. 根据中国各种多晶硅项目的实际进度，正在考虑国际多晶硅巨头的生产经验，该项目应在18-24个月内建成投产，并发布预期的多晶硅生产线产品截至2008年底，2009年太阳能电池多晶硅每生产1MW多晶硅太阳能电池需要11-12吨. 根据多晶硅的计算，2004年中国多晶硅和单晶硅太阳能电池的产量为48.45MW，多晶硅的消耗为约678吨，实际产能达到约70MW，多晶硅缺口超过250吨.

到2005年底，国内太阳能电池产能将达到300MW，实际产能将达到100MW左右，这将需要约1400吨多晶硅. 据预测，到2010年，多晶硅的保守估计约为4200吨. 太阳能电池的生产将极大地推动国内对多晶硅的需求. 增加. 这表明在未来的5至10年中，中国多晶硅的供应缺口仍将超过3,000吨. 2005年，我国太阳能电池单晶硅企业的开工率为20％-30％，半导体单晶硅企业的开工率为80％-90％，无法满负荷生产. 主要原因是多晶硅供应不足. . 预计扩建后的多晶硅生产企业的产量仍不能满足快速增长的需要. 形势比较与国际先进水平相比，国内多晶硅生产企业的工业化差距主要表现在以下几个方面: 1.产能低下，供需矛盾突出. 2005年，中国太阳能单晶硅企业的开工率在20％至30％之间，半导体单晶硅企业的开工率在80％至90％之间，无法实现生产. 实现. 多晶硅技术和市场在美国仍然牢固，在日本和德国为数不多的制造商中，它严重制约了中国多晶硅产业的发展. 2，生产规模小，目前公认的最低经济规模为1000吨/年，最佳经济规模为2500吨/年. 但是，中国目前的多晶硅生产企业距离这一规模还很遥远. 3.工艺设备落后，同类产品的材料和功耗过大，存在三废三多的问题. 与国际水平相比，国内多晶硅的生产消耗了两倍的能源消耗，产品成本没有竞争力.

4. 1000吨工艺和设备技术的可靠性，先进性，成熟性以及每个子系统的相互兼容性尚需通过生产和运营来验证，因此有待进一步改进. 5，国内多晶硅生产企业的技术创新能力不强，基础研究经费过少，特别是非标设备的研发和制造能力差. 6.投资多晶硅项目的地方政府和企业项目具有低水平重复建设的隐患. 利益驱动. 由于太阳能多晶硅目前处于极度短缺的状况，因此当前市场基本上没有竞争. 基本上，只要有满足要求的多晶硅，订单就会蜂拥而至. 一些大型供应商与大型太阳能或半导体制造商有长期订单，因此价格不及某些新制造商的价格. 例如，目前MEMC的长单销售价格约为70美元/公斤，而许多国内太阳能电池厂的进价已经达到360美元/公斤. 2007年，最新的国内多晶硅交易价格已经达到340万元/吨！费用呢？即使采用成本更高的化学方法，洛阳中硅的成本也据称不到40万元. 当然，这是将有毒气体直接排放到大气中而没有任何污染回收的成本. 如果加上环保回收投资，每吨成本约为60万元，这意味着仍有80％以上的巨额利润！如果采用物理方法，河南迅天宇称成本不到15万元，利润率可以达到97％！ （有利行业）多晶硅的生产存在许多障碍. 首先，多晶硅的提纯技术壁垒很高.

如上所述，熔炼多晶硅最重要的技术是西门子法，该方法基本上由七家主要的国际公司垄断. 大多数中国项目旨在直接或间接引入技术. 但是，目前的产能仅限于产量为100吨的技术. 到目前为止，甚至本身都没有达到1000吨生产能力的最低经济规模（最佳经济规模应达到2500吨/年）. 同时，技术的能耗大大高于国际技术，每公斤硅材料可产生300度电，国际水平仅为100度. 其次，多晶硅的提纯需要经过专门培训的技术人员和工业人员. 工人. 如此多的国内多晶硅项目是否有足够的人力资源供应也令人怀疑. 总而言之，只有那些具有可靠技术来源或长期技术积累的项目才能最终成功投产. 这实际上回到了上面的第一点，即缺乏技术资源. 正是由于技术壁垒，现在被要求保护的大多数多晶硅项目仍死了. 多晶硅的主要生产方法和工艺3.流化床硅提纯为了将粗硅提纯至太阳能级电子级硅所需的纯度，必须对硅进行化学或物理提纯. 硅的所谓化学纯化是将低纯度硅化学转化为硅的中间体化合物，然后将中间体化合物纯化至所需的高纯度，然后将其还原并分解为高纯度硅元素. 通常选择易于合成，化学分离和纯化中间产物的中间化合物.

已研究的中间化合物包括四氯化硅，四碘化硅和硅烷. 级硅. 冶金级硅是通过在高温下用焦炭还原石英石（SiO2）制成的. 三氯硅烷还原法以冶金级硅和氯化氢（HCl）为起点，催化合成硅粉和氯化氢（HCl 300和0.45MPa），形成三氯硅烷还原法的中间原料-三氯硅烷. 被称为氯化粗硅. 三氯硅烷也称为三氯硅烷或氯仿硅. 在化学工业中，它是制造一系列有机硅材料的中间体. 在半导体工业中，它是生产多晶硅的最重要原料之一.

三氯硅烷是一种无色透明液体，在空气中会散发出浓烟. 它极易挥发和可水解，可溶于，易燃易爆，具有刺激性气味，对人体有毒. 三氯硅烷还原法的工艺流程图三​​氯硅烷合成三氯硅烷由硅粉和氯化氢合成. 化学反应为Si + 3HClSiHCl3 + H2. 上述反应必须加热到所需的温度才能进行. 并且由于它是放热反应，因此在反应开始后它可以自动继续. 但是，如果无法及时输出能量，则温度升高会影响产品的产量. 影响产率的重要因素是反应温度和氯化氢的水含量. 另外，硅粉的厚度也对反应有影响. 三氯硅烷的纯化主要是化学过程中的两步精馏过程，即粗蒸馏和精馏，这会降低总杂质的含量并将其降低到10 -7〜10 -10左右. 蒸馏和吸附是硅提纯中最常用的两种提纯技术. 蒸馏是现代化学工程中一种有效的纯化方法，可以获得很好的纯化效果. 三氯硅烷的纯化通常分为两个阶段. 前阶段通常称为粗蒸馏，后阶段称为精馏. 整流原理将在后面讨论. 用于Si + 3HCl还原的氢气必须纯化至更高的纯度，以避免污染产品. 如果氢与三氯化硅的摩尔比基于理论比，则反应速率慢，并且硅的产率太低. 氢与三氯化硅的生产率通常选择为20-30. 在还原过程中，氢气会鼓入SiHCl3液体中，使其挥发，并作为SiHCl3的载气.

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