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非专利技术项目

项目编号 J_7710
项目等级
发布日期:2005-9-19 18:40:56 浏览次数:23416
技术名称
流化床反应器(FBR)粒状多晶硅技术开发
技术所有
权情况
法人
负责人
   
项目单位
河北工业大学半导体材料研究所  
联系人
陈洪建
电话
022-60436765
传真
OICQ
 
手机
13332028556 
E-mail
chhj@hebut.edu.cn
联系地址
天津市红桥区河北工业大学 
技 术

情 况
所处省份 天津 -- 红桥  
技术领域
新材料  
技术水平
国际先进 
所处阶段
产业化阶段 
技术简介
多晶硅按照用途不同可分为电子级和光伏级。电子级多晶硅是制备单晶硅的原材料,而单晶硅被广泛用来制作集成电路、分立器件等,是电子工业的基石,目前全球每年100亿美元的硅材料支撑起2500亿美元的电子信息产业。光伏级多晶硅是指用来制备光伏太阳能电池的多晶硅。目前硅基太阳能电池约占整个太阳能电池90%以上的市场份额。随着传统能源逐步耗尽,人类必须找到能够代替碳的新的清洁能源,太阳能因之取之不尽、用之不绝成为人类未来的能源希望,硅材料由于其储量丰富,制备技术成熟,光电转换率高,使用寿命长,预计到本世纪中叶硅基太阳能光伏发电将成为未来人类最重要的清洁能源,而硅材料将成为最重要的新能源材料。

传统的多晶硅制备技术目前主要采用西门子法。该技术实际上是一种化学气相沉积技术,反应器为钟罩式,用细硅芯棒作发热和硅沉积体,用三氯氢硅作反应气体制备出多晶硅,由于是由西门子公司最先开发出来,因此命名。代表公司如德国WACKER公司、日本Tokuyama公司等。后来又有公司采用其它反应气体和钟罩式反应器生产多晶硅,统称为改良西门子法。如美国HEMLOCK采用二氯二氢硅、REC公司采用硅烷作反应气体等。目前国际上90%以上的多晶硅是采取西门子或改良西门子法生产的。这种方法技术成熟,可以制备电子级多晶硅,纯度可以达到11N。国际上七大多晶硅生产商垄断了全球电子级多晶硅市场。

相对于电子级多晶硅的高纯度要求,硅基太阳能电池要求多晶硅的纯度要低得多,业界普遍认为>6N就可以满足光伏电池的需要。以前太阳能电池的硅料主要来自于电子级多晶硅的等外品以及单晶硅头尾料、埚底料等,供应量约为2500吨/年。随着光伏产业的快速发展,太阳能电池用硅量急剧扩张。原有硅料已经远不能满足光伏市场需求,为了促进光伏产业持续发展,硅料必须降低成本,因此业界普遍认为有必要开发一种低成本的专门用于制造太阳能电池的光伏级多晶硅料(solar grade silicon)。因此国际上掀起多晶硅生产热潮,各种新技术不断涌现。目前比较成熟的光伏级多晶硅技术主要有以下几种技术路线。

1、简化西门子法
这种技术路线是在西门子法工艺基础上进行改进,简化工艺环节,从而降低制造成本。该技术比较成熟,但由于氯硅烷还原温度高(1150℃),且还原反应复杂,各种反应副产品含量高,分离回收耗能高且技术复杂,因此较难大幅度降低成本。
2、冶金法
冶金法也即所谓的物理法,主要技术路线是利用较高纯工业硅经过湿法冶金,火法冶金(造渣、氧化、真空熔炼、电子束、等离子体精炼等),再加几次定向凝固工艺,去除杂质,形成高纯硅。目前日本、美国、加拿大、挪威等国正在开发这项技术,我国也有许多公司积极研发。但由于工业硅中影响太阳能电池电学性能的P、B等电活性杂质很难去除,工艺很难控制,且大规模电子束、等离子体精炼技术并不成熟,加之反复定向凝固要去除杂质聚集的部分,导致硅的利用率很低,成本升高,因此这种技术前景不容乐观。
3、气、液沉积法(VLD)
这种技术是日本Tokuyama公司2005年开发的技术,该公司公布的工艺是:采用石墨管状反应器,在1500℃,条件下,三氯氢硅液体和氢气从石墨管的上部注入,在石墨管内反应生成液体状硅,然后滴入底部变成固体多晶硅。该公司目前正在进行200吨中试开发,原先预计2006年间投入试运行,但目前没有进一步的报道。
4、锌还原四氯化硅法
日经BP社报道,日本智索(Chisso)、新日矿控股、东邦钛(Toho Titanium)3家公司于2007年1月设立一个新公司“日本太阳硅公司”。目标是力争2008年6月确立太阳能电池用多晶硅的量产化技术。三公司利用各自的技术优势,联合开发基于锌还原法的太阳能电池多晶硅制造技术。这种技术路线是通过氯化反应将金属硅转化为氯化硅,再用锌把氯化硅还原成纯度99.9999%的多晶硅。还原反应中生成的氯化锌经电解可以重复作为原料使用。但这种方法能耗高,且高纯锌不易获得,大规模生产没有先例,因此前景不明。目前没有进一步报道。
5、流化床法
流化床技术是美国MEMC Pasadena公司开发的技术。目前该公司生产能力为1400吨/年。该公司用硅烷作反应气体,在流化床反应器中硅烷发生分解反应,在预先装入的细硅粒表面生长多晶硅颗粒。硅烷流化床技术具有反应温度低(575~685°C),还原电耗低(SiH4热分解能耗降至10kWh/kg,相当于西门子法的10%,),沉积效率高(理论上转化率可以达到100%)、反应副产物(氢气)简单易处理等优点,而且流化床反应器能够连续运行,产量高、维护简单,因此这种技术最有希望降低多晶硅成本,工程分析表明这种技术制造的多晶硅成本可降低至20美元/公斤。另外这种技术产品为粒状多晶硅,可以在直拉单晶炉采用连续加料系统,降低单晶硅成本,提高产量。根据MEMC公司统计,使用粒状多晶硅,同时启动再加料系统,单晶硅制造成本降低40%,产量增加25%。因此业界普遍看好流化床技术,被认为是最有希望大幅度降低多晶硅以及单晶硅成本的新技术,目前包括美国REC德国WACKER等传统多晶硅大厂目前都在开发这项技术。

河北工业大学半导体材料研究所是我国重要的从事半导体硅材料研究的机构之一,学科实力强劲,科研实力雄厚,科研成果丰硕,目前是国家级重点学科,拥有材料物理化学博士点,博士后科研流动站。该所还是中国电子学会电子材料学分会秘书长单位。
本所从2004年开始积极开展多晶硅制备技术研究,且积极开展先进多晶硅制备技术引进工作,2006年协助我国某企业引进美国一家高科技公司的流化床反应器粒状多晶硅生产技术。目前已经完成100吨的小试,正在进行300吨/年的中试开发。较传统的西门子技术,这项技术具有投资小(年产100吨多晶硅投资额为5000万元),建设期短(100吨多晶硅生产线建设期为半年),可以实现模块化生产,(可以平行扩容,根据市场需求,及时调整生产规模)成本低(比西门子法降低20-30%)等优势。该项技术具有独立的知识产权,已经开发出全套工艺包,小试生产的多晶硅经过中子活化分析其纯度达到8N,目前准备进行规模化开发,诚邀有识之士加盟,共同推进我国光伏产业的发展。
 


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应用前景
随着太阳能光伏产业的快速增长,多晶硅需求量剧增。据全球知名光伏市场调研机构solarbuzz统计分析,2007年光伏产业的用硅量已经达到3万吨,超过电子行业的需求量,预计未来十年或更长时间,光伏产业仍将保持30%以上的增长率,相应的多晶硅需求量也将保持持续的高增长,预计到2012年,全球光伏用多晶硅需求量将超过10万吨。而目前全球光伏级多晶硅产量仅为2万吨。由于严重的供不应求,导致多晶硅价格从正常价格40美元暴涨至严重偏离价值的400美元/公斤,严重影响了光伏产业的发展。  

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效益分析
目前我国已经成为光伏制造大国,据SOLARBUZZ公司数据,2007年中国光伏电池产量达到1080MW,占全球总产量的35%。但我国光伏产业并不是光伏强国,主要瓶颈在多晶硅技术落后,虽然目前我国在建的多晶硅项目多达10多个,但是这些项目大都是采用西门子法的技术路线,且大部分是二流技术,能耗高,而且大量副产物如四氯化硅不能有效处理和利用,不仅造成环境污染,且成本高达70-80美元/公斤,而国外先进技术成本为30美元,因此不具有竞争力。采用先进的流化床技术突破国外多晶硅技术垄断,可以充分发挥我国丰富的硅矿和氯碱资源大幅度降低多晶硅制造成本,从而大幅度降低太阳能发电成本,促进整个产业健康发展。因此多晶硅项目前景广阔,经济和社会效益重大。  

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技术方现状
现有 流动资产:  
现有 固定资产:  
合 作
方 式
合作方式 合作开发 
技术转让
 
希望合作单位
企业  

 * 信息时效提示:
   此信息首次发布时间: 2005-9-19 18:40:56   最近修改时间:2010-8-31 23:59:01

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