多晶硅冶炼原理与光伏产业现状_2012年_3月.ppt

1、多晶硅生产概论,一、光伏产业与多晶硅 二、多晶硅生产方法 三、改良西门子法 四、冶金法 五、小结,2012年3月,一、光伏产业与多晶硅,随着德国宣布2011年光伏安装量达到7.5GW，两大市场研究公司IHS iSuppli和IMS Research都表示2011年全球光伏新安装量或将达到26GW，较2010年的17.5GW增长50%。,2011 年，我国多晶市场行情表现为1-4月高位稳定以及5月之后的大幅下挫。下半年，随着欧美太阳能企业大量倒闭停产，光伏市场环境进一步恶化以及上半年下游库存的弥补，多晶硅价格继续走低，并连续刷新历史新低。 随着价格不断下探，国内多晶硅企业开始大规模停产。11月底

2、，除部分多晶硅厂外，80%的多晶硅企业全部停产，市场行情表现惨淡。,截止到2011年12月30日，我国西门子法多晶硅已建总产能达13.4万吨，同比增加54.2%，而产量为7.5万吨，同比增加72.4%。 如果算上物理法及硅烷法多晶硅，国内多晶硅总产量可能将接近7.9万吨。 除目前13.3万吨的已建西门子法产能外，我国还有9.6万吨的在建产能，保守估计2012年底我国多晶硅产能将达到17万吨，产量8-9万吨。 根据推算，2011年我国太阳能电池片产量大约为18-20GW，较2010年的14.1GW同比增加28.6%-41.8%。 2011年，我国多晶硅消费量为13.4万吨，同比增长57.6%。,

3、一、光伏产业与多晶硅,2011年1-11月份，我国共进口多晶硅58543吨，同比增长39.7%。下游大厂扩建是刺激多晶硅进口量增加的关键。 2011年，我国多晶硅消费量为13.4万吨，同比增长57.6%。,表2：2006-2011年中国多晶硅供需平衡表（单位：吨）,一、光伏产业与多晶硅,保利协鑫（江苏总能）多晶硅生产及产能预测,一、光伏产业与多晶硅,全球光伏发电装机量统计与预测图：,2011年全球多晶硅产量为20.1万吨，同比增长16.8%。 以目前中国及国际大厂的扩张速度来推算，2012年保守预估全球多晶硅产能将达到36.56万吨，而如果几个主要多晶硅大厂能够按最快速度完成工厂建设，则全球多

4、晶硅产能有望突破40万吨。 多数机构普遍认为2012年才是全球光伏市场的真正考验。,一、光伏产业与多晶硅,二、多晶硅生产方法,光伏产业链见右图,二、多晶硅生产方法,多晶硅生产主要有化学法与物理法，见下图。,改良西门子工艺技术,主流成熟技术（国外80%、国内95%采用该技术），闭环清洁生产；有进一步节能、降耗、减排潜力。,硅烷法工艺技术,电耗相对较低，有节能优势；大规模生产中的安全风险、废物循环处理等问题有待解决；,冶金法工艺技术,投资低、流程短，成本低；目前产品纯度与质量稳定性有待提高，以实现规模化生产和应用,多晶硅生产方法对比见下图：,三、改良西门子法,多晶硅要达到半导体或太阳能电池对硅材料

5、的高纯度要求，目前通用的工艺是采用化学提纯的方法制备多晶硅，又称化学法。 全世界85%的多晶硅由改良西门子法生产，可生产电子级与太阳能级多晶硅。 改良西门子法的优点为工艺较成熟、纯度高、能大批量生产、产品可以兼顾电子级与太阳能级多晶硅。缺点为投资大、生产成本高、存在污染。 多晶硅大厂采用改良西门子法，已经实现闭环生产，采用冷氢化工艺，成本可以控制在20美元以下。,三、改良西门子法,改良西门子法的生产流程，见下图。,（1）SiHCl3的合成：将工业硅（金属硅）粉碎与无水氯化氢(HCl)在流化床反应器中反应，生成拟溶解的三氯氢硅(SiHCl3)。其化学反应式为： Si+HClSiHCl3+H2 （

6、2）精馏提纯SiHC13:第一步产生的气态混合物还需要进一步提纯，需要分解过滤硅粉、冷凝SiHCl3、SiC14，而气态H2、HCl返回到反应中或排放到大气中。然后分解冷凝物SiHCl3、SiC14，利用各种氯化物挥发性的差别，精馏制得高纯SiHCl3（多级精馏）。,三、改良西门子法,（3）SiHC13的氢还原：将高纯SiHCl3和高纯H2按一定的比例导入钟罩型还原炉内，见图10，在1100的硅芯发热体上还原沉积得硅多晶棒。其化学反应公式为：SiHCl3+H2Si+HCl,（4）尾气回收和SiCl4的氢化分离：SiHC13的氢还原反应，大约三分之一的三氯氢硅发生反应，并生成多晶硅。气态混合物的

7、分离是复杂的、耗能量大的，从某种程度上决定了多晶硅的成本和该工艺的竞争力。,三、改良西门子法,三、冶金法生产多晶硅,冶金法又称物理法，通过对冶金硅进行造渣、精炼、酸洗（湿法冶金）、定向凝固等方式，将杂质去除，生产出太阳能级的多晶硅的方法。由于硅不参加化学反应，所以俗称物理法。其实整个生产过程中，无论是造渣、精炼还是酸洗，都不可避免地涉及到化学反应。 冶金法法提纯多晶硅路线类似于冶金工业中金属提纯工艺，尽可能的采用物理方法去除杂质。由于没有行业内通用的成熟技术可以借鉴，各公司均自主研发工艺路线，具体的工艺方法各有不同。,冶金法概述：,冶金法提纯多晶硅包括吹气精炼、溶剂精炼、定向凝固、真空精炼、熔

8、盐电解等多种方法。 在提纯的过程中主要利用不同元素的物理性质差异来使之分离，其中包括湿法冶金、吹气、造渣、定向凝固、真空条件下的电子束、等离子体、太阳聚光及感应熔炼等。 上述方法中单一的一种方法只能有效去除某一些杂质而不能去除所有杂质，所以冶金法工艺是一种综合多种方法的复合提纯工艺。,三、冶金法生产多晶硅,冶金法主要技术手段与功能：,三、冶金法生产多晶硅,多晶硅联盟确定的 冶金法工艺路线图,三、冶金法生产多晶硅,宁夏发电集团( Ningxia Power Group) 单晶电池最高效率达到18.2%，平均效率达到16.8%,(average efficiency reach 16.8% for

9、 mono-crystal cell） 多晶电池最高为15.75%,最低为14.75%，平均为15%（成品率为77%）；(average efficiency reach 15% for poly-crystal cell) 上海普罗(Propower) 单晶电池最高效率达到17.2%，平均效率达到16.7%, (average efficiency reach 16.7% for mono-crystal cell) 多晶电池平均为14.5%，最高15.2%，铸锭成品率为75%；(average efficiency reach 14.5% for poly-crystal cell) 苏州

10、阿特斯(CSI) 采用冶金法多晶硅的多晶电池平均效率为14.5%，最高已达16%以上；已经向德国、法国、意大利销售超过60MW以上。(average efficiency reach 14.5% for poly-crystal cell, sell over 60MW to Europe) 厦门佳科( JACO) 所生产的冶金法多晶硅2008年销售超过1000吨，用于生产电池，多晶硅电池效率可达到14%以上。,三、冶金法生产多晶硅,冶金法生产企业研究进展：,厦门大学( Xiamen University) 在硅的湿法冶金技术、真空熔炼技术、硅片的吸杂技术、冶金法硅的杂质作用和光衰减研究等方面

11、有深入的研究。代表：陈朝教授 Research on hydro-, vacuum refinery of silicon, impurity impact and absorbing, LID research, etc. Re: Prof. Chen Chao 中山大学 ( Sun Yat-cien University) 在冶金法多晶硅的电池片生产技术和组件应用方面，包括吸杂和N型电池生产进行了大量的研发工作。代表：沈辉教授 Reseach on UMG cell manufacturing and module application, including impurity absor

12、bing and N-type cell manufacturing. Re: Prof. Shen Hui 东北大学( Northeast University) 在高纯金属硅的制备方面进行了大量的研究工作。代表人物：邢鹏飞教授 ( Research on high pure metal silicon preparation. Re: Prof. Xing Pengfei 大连理工大学( Dalian Poly-tech University) 在电子除磷方面取得长足的进展。代表人物：谭毅教授 Research on Phosphorus elimination with electron

13、ic beam. Re: Prof. Tan Yi,三、冶金法生产多晶硅,冶金法高校研究进展：,三、冶金法生产多晶硅,（1）纯度不理想：目前，冶金法多晶硅的大规模还不能完全保证在6N的纯度（好的厂家合格率大约在50%60%），导致所制作太阳电池片的转换效率较低，大约在15%左右。 （2）光致衰减：由于硼氧、硼铁复合体等杂质的存在，冶金法多晶硅存在衰减的现象。 （3）质量稳定性：冶金法多晶硅由于工艺的原因，存在着趋向于不均匀的特性，表现在电阻率的不均匀，和制作电池片的转换效率离散度较大（从13%18%）,冶金法生产多晶硅主要问题：,三、冶金法生产多晶硅,ELKEM冶金法工艺路线：,三、冶金法生产多晶硅,JFE冶金法工艺路线：,三、冶金法生产多晶硅,上海普罗冶金法工艺路线：,三、冶金法生产多晶硅,宁夏银星冶金法工艺路线：,四、小结,光伏产业的发展，多晶硅由供不应求，到严