太阳能电池用硅的发展现状

太阳能电池用硅的发展现状

《京都宣言》于2005年2月16日正式举行。西方发达国家为履行控制温室气体排放的义务,不得不寻找一种可再生能源来减少CO2等气体的排放。这是由于可再生能源不但是重要的后续能源,而且对未来减排CO2将发挥重要作用。太阳电池发电具有无污染、无可动部件、资源的普遍性和永不枯竭等特点,符合当今世界的环境保护和可持续发展的要求和趋势。太阳能电池材料硅因其高转换效率,较小的生态影响和长时间不降解等优点,使得其自从太阳能电池发明至今还是太阳能发电装置的主要材料。目前,太阳能电池的原料没有一个独立的供应系统,而是来自于半导体级硅的废料,这在过去保障和推动了太阳能电池产业的发展。随着近年来太阳能电池产业的不断迅速发展以及对未来几年的发展预测表明,半导体工业的废料已不能满足太阳能电池产业发展的需要,原料供应已经成为太阳能电池产业发展的瓶颈之一。为了满足日益增长的太阳能产业对硅材料的需要,有必要建立一个不依赖半导体工业的太阳能电池产业的原料供应系统。1晶体生产概论1.1在大型反应炉内加热金属丝目前,多晶硅的生产工艺有多种,但最常见的多晶硅生产工艺有改良西门子法和硅烷热分解法,二者相比之下改良西门子法稍具优势。这种方法的主要技术是:(1)在大型反应炉内同时加热许多根金属丝,减小炉壁辐射所造成的热损失;(2)炉的内壁加工成镜面,使辐射热反射,减少散热;(3)提高炉内压力,提高反应速度等措施;(4)在大型不锈钢金属反应炉内使用100根以上的金属丝,单位电耗由过去每公斤300kWh降低到80kWh,多晶硅产量由改良前每炉次100～200公斤提高到5～6吨。其显著特点是加强尾气回收,在-15～-90℃对尾气加压多级冷凝分离。分离产物再回系统利用且能耗低、产量高、质量稳定。1.2晶圆产品的供应状况近年,随着信息产业的迅猛发展,对硅材料的需要持续扩大,继而出现了多晶硅供不应求的情况。随着硅片直径增大,大直径单晶硅消耗的硅材料增加,使多晶硅市场看好。因此,近年来一些大硅厂纷纷扩大多晶硅产能,前几年,供求矛盾逐渐缓和,基本供需平衡,略有剩余(见表1),但当时是半导体市场低迷时期。由于近几年来硅集成电路和器件以及太阳能电池产业发展很快,国际上对多晶硅的需求上升。2004年全球多晶硅的市场需求迅速上升7.4%,达26201t,而产能为24900t,需求超出供应能力,全球多晶硅出现了短缺。2004年我国多晶硅生产只有60t,仅能满足国内市场需求的2.6%,缺额全靠进口解决,见表2。可预见的未来全球的多晶硅供应紧张的情况得不到缓解,多晶硅生产大国美、日、德必然首先满足国内市场需求,中国进口多晶硅会变得更加困难。2我国生产设备的现状虽说我国多晶硅工业起步不晚,但由于生产工艺多采用传统西门子法,生产规模小、技术水平低、工艺陈旧,装备水平差,劳动生产率低,产量低,物耗、能耗高,原料的综合利用程度差,产品成本高,质量难以保证,和国际水平相比有较大差距。国外多晶硅厂都同化工厂密切结合,可以实现资源的综合利用。目前世界多晶硅生产最先进的国家是美国、德国、日本和意大利等少数几个发达国家,其产量的总和占世界多晶硅总产量的90%以上。我国于1957年研究高纯硅的制取工艺。1958年4月有色研究总院首先在试验室内用四氯化硅锌还原法制得几百克针状多晶硅。但由于该行业属于高新技术领域新型电子材料产业,工艺变换快,要求高,研制转产周期长,投资大。且我国对该行业的投资过少,仅为美、日等过的万分之一,只为我国电子行业投资总额的千分之一。使得该行业没有足够的资金来开发新技术、新工艺,相关的基础研究也不能顺利进行。较先进的生产设备长期依赖进口,没有自己的设备工业,就连一些与生产线配套的工具、材料也得靠进口。长期以来形成了恶性循环。为了改变我国多晶硅生产长期受制于人的状况,在国家计委和原中国有色金属工业总公司的支持下,由北京有色冶金设计研究总院与峨眉半导体材料厂合作,建成一条100t/a规模的多晶硅工业性生产示范线,形成了完整的改良西门子工艺系统。由文献可知世界多晶硅材料的主要生产厂家的生产规模都在千吨级经济规模以上,主要生产工序都用计算机控制,设备装备水平高。多晶硅生产采用的技术几乎都是先进的改良西门子法。该方法的显著特点是:能耗低、成本低、产量高、质量稳定,采用综合利用技术,对环境不产生污染,具有明显的竞争优势。表3列出了国内外多晶硅各项指标的对照表。3硅能级生产的总结3.1太阳能电池生产的材料自从1954年太阳能电池在贝尔实验室发明以来,硅就作为太阳能电池材料一直保持统治地位。这是由于硅是地球上除氧之外储量最多的元素,可以认为是永不枯竭的元素。此外,硅半导体耐高电压、耐高温、晶带宽度大,比其他半导体材料有体积小、效率高、寿命长、可靠性强以及性能稳定、无毒,且制备工艺成熟以及广泛的用途等综合优势而成为了太阳能电池研究开发、生产和应用的主体材料,它还是目前可获得的纯度最高的材料之一。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为12%～14%。图1给出了单晶硅、多晶硅、非晶硅和其它技术类型光伏产品2003年的分布情况。高纯多晶硅原料是半导体工业和光伏产业共同的上游原材料,太阳能电池生产的原料是半导体工业的废料。一是在工业硅提纯过程中达不到电子级硅要求而产生的废料;二是也是主要的原料来源,拉成的单晶硅锭在做硅片切割时两头截去的部分,这部分经过重熔铸锭后生产太阳能电池硅片。由于半导体行业具有周期性,在半导体行业不景气时原本的半导体级硅就用来制造太阳能电池用硅。以上这些原料供应渠道在电子行业低迷时发挥了很大的作用,但是随着光伏产业的快速发展和半导体工业逐步复苏,来自半导体行业的废料已经不能满足光伏产业生产发展的需要。由于光伏市场需求持续稳定增长,为了提高产量太阳能电池企业就不得不以较高的价格来购买半导体级硅来生产光伏电池,这无疑增加了光伏产业的成本,制约了光伏产业的发展。因此,多晶硅材料就成为光伏产业发展的瓶颈。2003～2013年太阳能电池消耗与IC产业可以提供的硅的预测见图2。3.2西方发达国家太阳能资源利用传统技术随着可再生能源日益受到世界各国的重视,光伏产业十年来保持着高速增长的态势,1999年以来光伏产业年生产规模增长率都在30%以上,见表4和图3。西方发达国家为了履行控制温室气体的排放,不得不寻找其他新型能源。在为数不多的可再生能源中太阳能是一种可利用的清洁高效的非常宝贵的可再生新能源,具有传统化石能源无法比拟的优势,而且相对于人类发展历史而言是一种取之不尽、用之不竭、清洁的永久能源。进入2l世纪后,各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容,纷纷推出了雄心勃勃的发展计划,推动光伏工业的发展。世界光伏产业将进入新一轮的规模增长阶段。3.3光伏产业太阳级硅的市场随着光伏产业的进一步发展,多晶硅的需求量会越来越大。在未来几年中光伏产业将以25～30%的速度增长。表5给出了1998～2020年光伏产业太阳级硅供需平衡。从表5可以知,太阳级硅的市场需求到2010年将达8000t,较2001年增长近一倍,而太阳级硅的主要来源半导体级硅的废料几乎没有增长。这就造成了太阳级硅供应到2010年达5600t的缺额,严重阻碍了太阳能产业的发展。为满足太阳能产业发展的需要寻找一种独立于半