最新多晶硅冶炼原理与光伏产业概况1月教学课件.ppt

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1、一、光伏产业与多晶硅一、光伏产业与多晶硅随着德国宣布随着德国宣布20112011年光伏安装量达到年光伏安装量达到7 7.5GW.5GW，两，两大市场研究公司大市场研究公司IHS iSuppliIHS iSuppli和和IMS ResearchIMS Research都表示都表示20112011年全球光伏新安装量或将达到年全球光伏新安装量或将达到26GW26GW，较，较20102010年年的的17.5GW17.5GW增长增长50%50%。2011 2011 年，我国多晶市场行情表现为年，我国多晶市场行情表现为1-41-4月高位稳月高位稳定以及定以及5 5月之后的大幅下挫月之后的大幅下挫。下半年，

2、随着欧美太阳。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。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随着价格不断下探，国内多晶硅企业开始大规模停产。停产。1111月底，除部分多晶硅厂外，月底，除部分多晶硅厂外，80%80%的多晶硅企的多晶硅企业全部停产，市场行情表现惨淡。业全部停产，市场行情表现惨淡。二、多晶硅生产方法二、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。多晶硅生产主要有化学法与物理法

3、，见下图。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。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；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多晶硅生产方法对比见下图：方法对比见下图：三、改良西门子法三、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多晶硅要达到半导体或太阳能电池对硅材料的高纯度要求，目前通用的工艺是采用化学提纯的高纯度要求，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。的方法制备多晶硅，又称化学法。全世界全世界85%85%的多晶硅由

4、改良西门子法生产，可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。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、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。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，成本可以控制在环生产，采用冷氢化工艺，成本可以控制在2020美美元以下。元以下。三、改良西门子法三、改良西门子法改良西门子法的生产流程改良西门

5、子法的生产流程，见下图。，见下图。（1 1）SiHCl3SiHCl3的合成：将工业硅（金属硅）粉碎的合成：将工业硅（金属硅）粉碎与无水氯化氢与无水氯化氢(HCl)(HCl)在流化床反应器中反应，生成在流化床反应器中反应，生成拟溶解的三氯氢硅拟溶解的三氯氢硅(SiHCl3)(SiHCl3)。其化学反应式为：。其化学反应式为：Si+HClSiHCl3+H2Si+HClSiHCl3+H2（2 2）精馏提纯精馏提纯SiHC13:SiHC13:第一步产生的气态混合物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、冷凝还需要进一步提纯，需要分解过滤硅粉、冷凝SiHCl3SiHCl3、SiC14S

6、iC14，而气态，而气态H2H2、HClHCl返回到反应中或返回到反应中或排放到大气中。然后分解冷凝物排放到大气中。然后分解冷凝物SiHCl3SiHCl3、SiC14SiC14，利用各种氯化物挥发性的差别，精馏制得高纯利用各种氯化物挥发性的差别，精馏制得高纯SiHCl3SiHCl3（多级精馏）。（多级精馏）。三、改良西门子法三、改良西门子法（3 3）SiHC13SiHC13的氢还原：将高纯的氢还原：将高纯SiHCl3SiHCl3和高纯和高纯H2H2按一定的比例导入钟罩型还原炉内，见图按一定的比例导入钟罩型还原炉内，见图1010，在在11001100的硅芯发热体上还原沉积得硅多晶棒。的硅芯发热体

7、上还原沉积得硅多晶棒。其化学反应公式为：其化学反应公式为：SiHCl3+H2Si+HClSiHCl3+H2Si+HCl（4 4）尾气回收和尾气回收和SiCl4SiCl4的氢的氢化分离：化分离：SiHC13SiHC13的氢还原反应，的氢还原反应，大约三分之一的三氯氢硅发生大约三分之一的三氯氢硅发生反应，并生成多晶硅。气态混反应，并生成多晶硅。气态混合物的分离是复杂的、耗能量合物的分离是复杂的、耗能量大的，从某种程度上决定了多大的，从某种程度上决定了多晶硅的成本和该工艺的竞争力。晶硅的成本和该工艺的竞争力。三、改良西门子法三、改良西门子法三、冶金法生产多晶硅三、冶金法生产多晶硅冶金法又称物理法，冶

8、金法又称物理法，通过对冶金硅进行造渣、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。不可避免地涉及到化学反应。冶金法冶金法法提纯多晶硅路线类似于冶金工业中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。金属提纯工艺，尽可能的采用物理方

9、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司均自主研发工艺路线，具体的工艺方法各有不同。同。冶金法概述：冶金法概述：冶金法提纯多晶硅包括吹气精炼、溶剂精炼、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、熔盐电解等多种方法。定向凝固、真空精炼、熔盐电解等多种方法。在提纯的过程中主要利用在提纯的过程中主要利用不同元素的物理性不同元素的物理性质差异质差异来使之分离，其中包括湿法冶金、吹气、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、等离子造渣、定向凝固、真空条件下

10、的电子束、等离子体、太阳聚光及感应熔炼等。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是一种综合多种方法的复合提纯工艺复合提纯工艺。三、冶金法生产多晶硅三、冶金法生产多晶硅冶金法主要技术手段与功能：冶金法主要技术手段与功能：三、冶金法生产多晶硅三、冶金法生产多晶硅多晶硅联盟确定的多晶硅联盟确定的冶金法工艺路线图冶金法工艺路线图三、冶金法生产多晶硅三、冶金法生产多晶硅宁夏发电集团( Ningxia Power Group) 单晶电池最高

11、效率达到18.2%，平均效率达到16.8%,(average efficiency reach 16.8% for 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%；(a

12、verage efficiency reach 14.5% for poly-crystal cell) 苏州阿特斯(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、冶金法生产多晶硅三、冶金法生产多晶硅冶金法生产企业研究进展：冶金法生产

13、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 o

14、n UMG cell manufacturing and module application, including impurity absorbing 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

15、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 electronic beam. Re: Prof. Tan Yi三、冶金法生产多晶硅三、冶金法生产多晶硅冶金法高校研究进展：冶金法高校研究进展：三、冶金法生产多晶硅三、冶金法生产多晶硅（1 1）纯度不理想纯度不理想：目前，冶金法多晶硅的大目前，冶金法多晶硅的大规模还不能完全保证在规模还不能完全保证在6N6N的纯度（好的厂家合格的纯度（好的厂家合格率大约在率大约在50%60%50%60%），导致所制作太阳电池片的转），导致所制作太阳电池片的转换效率较低，大约在换效率较低，

16、大约在15%15%左右。左右。（2 2）光致衰减光致衰减：由于硼氧、硼铁复合体等杂由于硼氧、硼铁复合体等杂质的存在，冶金法多晶硅存在衰减的现象。质的存在，冶金法多晶硅存在衰减的现象。（3 3）质量稳定性质量稳定性：冶金法多晶硅由于工艺的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率的不均匀，和制作电池片的转换效率离散度较大（从大（从13%18%13%18%）冶金法生产多晶硅主要问题：冶金法生产多晶硅主要问题：三、冶金法生产多晶硅三、冶金法生产多晶硅ELKEMELKEM冶金法工艺路线：冶金法工

17、艺路线：三、冶金法生产多晶硅三、冶金法生产多晶硅JFEJFE冶金法工艺路线：冶金法工艺路线：三、冶金法生产多晶硅三、冶金法生产多晶硅上海普罗冶金法工艺路线：上海普罗冶金法工艺路线：三、冶金法生产多晶硅三、冶金法生产多晶硅宁夏银星冶金法工艺路线：宁夏银星冶金法工艺路线：四、小结四、小结光伏产业的发展，多晶硅由供不应求，到严光伏产业的发展，多晶硅由供不应求，到严重过剩，目前国内多晶硅成交价在重过剩，目前国内多晶硅成交价在20-2220-22万元万元/ /吨，吨，国际现货主流报价为国际现货主流报价为30-3530-35美元美元/kg/kg。这个价格低。这个价格低于许多生产厂家的生产成本。于许多生产厂

18、家的生产成本。改良西门子法具有产能规模大、技术成熟、改良西门子法具有产能规模大、技术成熟、质量好等有点。质量好等有点。冶金法没有固定的工艺路线、产品质量不稳冶金法没有固定的工艺路线、产品质量不稳定、产能规模小等缺点，目前国内几家厂家的产定、产能规模小等缺点，目前国内几家厂家的产品都是自用，说明下游电池企业没有接受。品都是自用，说明下游电池企业没有接受。冶金法（物理法）的出路，能在保证质量的冶金法（物理法）的出路，能在保证质量的前提下，在低成本情况下，迅速达到一定的规模，前提下，在低成本情况下，迅速达到一定的规模，没有规模，根本无法与化学法竞争。没有规模，根本无法与化学法竞争。27 结束语结束语