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太阳能级多晶硅生产技术发展现状及展望

来源期刊:中国有色金属学报2008年增刊第1期

论文作者:龙桂花 吴彬 韩松 丘克强

文章页码:386 - 392

关键词:太阳能级多晶硅;西门子法;硅烷;硅

Key words:solar grade silicon; Siemens process; silane; silicon

摘    要:全面介绍了太阳能级多晶硅的生产技术现状及有代表性的新工艺、新技术的研究动态。太阳能级多晶硅生产技术主要包括西门子法、硅烷法和冶金法。冶金法因工艺简单、投资少、能耗低获得广泛的关注,但目前其产品达不到太阳能级硅的质量要求。展望未来,西门子法仍将是生产高纯度多晶硅的主流技术。

Abstract: The production status of solar grade silicon and development studies of its new representative processes and technologies were comprehensively introduced. The production technologies of solar grade silicon mostly include Simens process, silane process and metallurgical process. For simple process, lower investment and lower energy consumption, metallurgical process is given extensive attention, but the products cannot meet the quality requirements of solar grade silicon at present. Simens process will still be the mainstream process in the production field of the high purity silicon in the future.

基金信息:广东省教育部产学研结合专项基金资助项目



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文章编号:1004-0609(2008)S1-0386-07

太阳能级多晶硅生产技术发展现状及展望

龙桂花,吴  彬,韩  松,丘克强

(中南大学 化学化工学院,长沙 410083)

摘  要:全面介绍了太阳能级多晶硅的生产技术现状及有代表性的新工艺、新技术的研究动态。太阳能级多晶硅生产技术主要包括西门子法、硅烷法和冶金法。冶金法因工艺简单、投资少、能耗低获得广泛的关注,但目前其产品达不到太阳能级硅的质量要求。展望未来,西门子法仍将是生产高纯度多晶硅的主流技术。

关键词:太阳能级多晶硅;西门子法;硅烷;硅

中图分类号:O 613.72       文献标识码:A

Development status and prospect of solar grade silicon production technology

LONG Gui-hua, WU Bin, HAN Song, QIU Ke-qiang

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The production status of solar grade silicon and development studies of its new representative processes and technologies were comprehensively introduced. The production technologies of solar grade silicon mostly include Simens process, silane process and metallurgical process. For simple process, lower investment and lower energy consumption, metallurgical process is given extensive attention, but the products cannot meet the quality requirements of solar grade silicon at present. Simens process will still be the mainstream process in the production field of the high purity silicon in the future.

Key words: solar grade silicon; Siemens process; silane; silicon

                    

面对当前世界性传统能源枯竭和石油价格持续攀升的形势,太阳能作为可再生的洁净能源受到了世界各国的高度重视。世界光伏工业在20世纪末最后10年的平均增长率为20%,从1991年的55 MW增长到2000年的287 MW。而进入21世纪后,全球光伏组件的年均增长率更是高达30%以上,2003年全球的产量达到了742 MW,2004年全球光伏电池的生产首次突破1 000 MW。预计到2010年时,全球太阳能光伏装机容量累计量将增加到18 000 MW以上,这势必会给太阳能电池产业带来高速的发展。但是,当前高纯多晶硅的严重脱销和价格暴涨,制约了光伏发电产业的发展。此外,由于硅材料的成本约占太阳能电池总成本的50%,所以硅材料价格高也成为阻碍光伏产业发展的重要因素之一。在不影响效率的条件下,降低硅材料的成本是降低硅太阳能电池成本的关键。因此,为了满足光伏产业对于多晶硅原材料的强大需求,同时摆脱太阳能级硅材料对电子级硅材料的依附,世界各大多晶硅厂商及研究单位积极展开低成本生产太阳能级多晶硅的工艺技术研究。目前,大力发展针对太阳能用高纯多晶硅的低成本生产技术已成为了国际竞争的新领域。本文作者就目前太阳能级多晶硅生产技术现状及有代表性的新工艺、新技术的研究进展进行全面介绍。

1  西门子法及其新发展

目前,太阳能用多晶硅的主要来源是西门子法生产半导体工业硅材料中的边角料,即直拉单晶硅头尾料、电子级多晶硅的等外品。西门子法,即采用H2还原SiHCl3生产高纯多晶硅的方法,由德国Siemens公司发明并于1954年申请了专利,1965年左右实现了工业化,从而实现了超纯硅制备道路上的第二次大变革。

经过几十年的应用和发展,西门子法不断完善,先后出现了第一代、第二代和第三代技术,而第三代西门子多晶硅生产工艺就是目前常说的“改良西门子法”[1],它在第二代的基础上增加了还原尾气干法回收系统、SiCl4氢化工艺,实现了完全闭环生产,是西门子法生产高纯多晶硅技术的最新版本。

改良西门子法主要包括五个环节:SiHCl3的合成、精馏提纯SiHCl3、SiHCl3的氢还原、尾气回收和SiCl4的氢化分离,具体流程如图1所示。SiHCl3的合成在沸腾炉中进行,生成的SiHCl3含量在85%左右,同时产物中还伴随有SiCl4及杂质氯化物,利用各种氯化物挥发性的差别,精馏制得高纯SiHCl3。最后将高纯SiHCl3和高纯H2按一定的比例导入钟罩型还原炉内(见图2),在1 100 ℃的硅芯发热体上还原沉积得硅多晶棒。国外设备规模已达到5~6 t/炉[2]

图1  改良西门子工艺流程图

Fig.1  Flow chart of Siemens process

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