用多晶硅标准规范行业发展

杨素心|文

随着近几年光伏行业经历跌宕起伏的发展，原材料太阳能级多晶硅经历了从突飞猛进的发展到产业资源的从新整合。自2013年年底光伏市场转暖，多晶硅生产厂家纷纷复产甚至扩产，而作为产品生产贸易的基础依据——多晶硅标准该如何配合产业政策充分发挥引导和规范的作用，是整个行业需要考虑的问题。

多晶硅的需求主要来自信息产业和太阳能光伏发电产业，按纯度要求及用途不同，我国将多晶硅分为电子级和太阳能级。从2005年至2008年，受全球光伏市场升温利好，国内太阳能级多晶硅连续4年保持100%以上的增速，太阳能电池也成为多晶硅的主要用途。经过2012年至2013年光伏行业低谷期的大浪淘沙，多晶硅生产企业经历了严酷的市场洗礼，多家企业重组甚至破产。截至2015年7月工信部公告符合《光伏制造行业规范条件》企业名单（包括拟公告的第四批企业）中多晶硅生产厂家仅18家。

2013年至2015年，国务院、各部委及各省市地方政府接连出台多项光伏产业政策，如《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》（国发[2013]24号）、国家能源局、国家认监委和工信部《关于促进先进光伏技术产品应用和产业升级的意见》（国能新能[2015]194号）等。在全球及国内市场快速发展的拉动下，光伏产业回暖态势明显。2014年，我国多晶硅、硅片、电池片与组件产量分别达到13.2万吨、38GW、33GW与35GW，均保持25%以上的增长率，光伏产业规模居全球首位。然而，光伏产品“两头在外”的形势依然严峻，2014年硅片、电池片、组件、逆变器出口额达到156亿美元，而多晶硅进口额超过20亿美元，进口量达10.2万吨，同比增长26.7%，创下历史进口最高纪录。作为光伏行业的重要基础原材料，我国多晶硅的标准情况如何，又该如何配合产业政策充分发挥引导和规范作用，需要大家共同的努力。

表1 基础标准

表2 原材料标准

标准概况

目前我国多晶硅的生产方法主要有三种，即改良西门子法、硅烷法和冶金法。近年来业内对硅烷流化床法关注较多，将降低多晶硅成本的期望寄托于此，未来其所占市场份额有望增加，但以改良西门子法为主的格局在一段时间内不会有大的变化。在我国采用硅烷流化床法生产的目前只有江苏中能自主研发的项目和陕西天宏与REC合作建厂的项目。

多晶硅相关的国行标共48项，分为基础标准、产品标准、方法标准和管理标准。基础标准有5项，包括术语、牌号、图谱等，具体的项目及其主要内容见表1。

产品标准共9项，包括多晶硅标准3项，分别为GB/T12963-2014《电子级多晶硅》、GB/T25074-2010《太阳能级多晶硅》和20141877-T-469《流化床法颗粒硅》，本文将主要介绍这三项标准的最新动态；生产过程中使用的原材料对应标准有6项，具体见表2。

改良西门子法生产多晶硅主要包括三氯氢硅合成和还原反应两个过程，其中还原反应是改良西门子法多晶硅生产工艺中能耗最高和最关键的环节之一，该工艺的改良是多晶硅生产成本下降的重要驱动力。主要的化学反应为：

H2（氢气）+Cl2（氯气）→2HCl（氯化氢）；

Si（ 硅 粉 ）+3HCl（ 氯 化 氢 ）→SiHCl3(三氯氢硅)+H2（氢气）；

SiHCl3(三氯氢硅)+H2（氢气）→Si（多晶硅）+HCl（氯化氢）。

原材料对应标准基本完善，氢气、氯气、硅粉、三氯氢硅、硅芯等都有标准可依，多晶硅生产企业对产品的具体要求列于表2中。氯化氢是合成三氯氢硅过程中的中间产品，目前没有适用标准。GB/T14602-2014《电子工业用气体氯化氢》主要用于微电子工业中的气相抛光、外延和刻蚀工艺，标准中规定的两个等级氯化氢纯度为大于等于99.999%和99.9995%(体积分数)，不适用于多晶硅生产中的氯化氢。

随着技术的进步，改良西门子法生产多晶硅已实现闭路循环，生产过程中产生的四氯化硅等副产物得到充分利用，每生产1吨多晶硅将产生约10吨～20吨副产物四氯化硅，现行的多晶硅厂家使用的三氯氢硅也多采用四氯化硅冷氢化获得，主要化学反应式为Si(硅粉)+2H2（氢气）+3SiCl4（四氯化硅）→SiHCl3（三氯氢硅），而四氯化硅的标准已由洛阳中硅申报立项制定。

管理标准目前有两项，分别为GB 29447-2012《多晶硅企业单位产品能源消耗限额》和20111476-Q-469《改良西门子法多晶硅生产企业安全标准化实施指南》，其中GB29447-2012已立项正在修订，后续将陆续制定《取水定额多晶硅生产》、《节水型企业多晶硅行业》等。

《光伏制造行业规范条件》（2015版）中要求光伏制造项目能耗应满足：现有多晶硅项目还原电耗小于65千瓦时/千克，综合电耗小于120千瓦时/千克；新建和改扩建项目还原电耗小于55千瓦时/千克，综合电耗小于100千瓦时/千克。GB29447-2012已与上述要求不符，这与近几年光伏行业的技术进步和行业调整有着直接关系。在针对该标准的讨论会上，洛阳中硅、江苏中能、新特能源、神舟硅业、黄河水电等多晶硅生产厂家达成一致意见，建议简化2012年版本中多晶硅产品能源消耗按照14个工序详细分列的结构，只列出重点工序能耗和产品总能耗，并明确单位多晶硅产品的硅、氯、氢、氮、水等消耗数值等，力求使该标准起到引导行业发展、淘汰落后产能的作用。

多晶硅相关的方法标准比较完善，共有32项，包括了导电类型、电阻率、少数载流子寿命、氧浓度、碳浓度、施主杂质浓度、受主杂质浓度、表面金属杂质、基体金属杂质等项目的检测，基本涵盖了产品标准中要求的性能指标，之后的工作中还将陆续制定多晶硅中氯离子含量、颗粒硅中氢含量、氯硅烷组分的测试等方法标准。需要注意的是，随着检测技术的进步以及对多晶硅产品要求的提高，其杂质含量检测限的要求也在不断提高，目前的标准体系是根据采用的检测方法不同，而制定了不同的标准，便于使用者根据实际情况进行选择。如多晶硅基体金属杂质测定可选用GB/T 31854-2015（太阳能级多晶硅-电感耦合等离子体质谱法）、20141873-T-469（电子级多晶硅-电感耦合等离子体质谱法）、20120276-T-469（中子活化分析）。

电子级多晶硅标准

电子级多晶硅主要用于半导体工业，其对应标准GB/T12963《电子级多晶硅》最早发布于1991年，历经1996年、2009年、2014年三次修订，表3中列出了GB/T12963-2014规定的电子级多晶硅的主要技术要求。2014版本的修订主要根据需方需求确定的，相比于2009版，GB/T12963-2014中增加了施主杂质浓度、受主杂质浓度、氧浓度及基体、表面金属杂质总含量的要求，并将电阻率要求改为由供需双方协商，加严了对少数载流子寿命、碳浓度的要求，其中施主杂质浓度、受主杂质浓度与电阻率的关系可通过GB/T13389进行换算。

目前电子级多晶硅的生产主要集中在美国、德国和日本，2014年的全球产量约为2.6万吨，仅占多晶硅总产量的9%左右。对应的国外标准为SEMI M16-1110 Specification for polycrystalline silicon，该标准规定了块状、粒状及棒状多晶硅的要求，主要技术项目为施主、受主杂质浓度、碳浓度、表面金属杂质含量及尺寸等，但具体的指标要求由使用方确定。

太阳能级多晶硅标准

随着光伏产业的发展，太阳能级多晶硅的产量迅速上升并大幅超过了电子级多晶硅。经过市场洗礼后，加快了优胜劣汰，产能高度集中。在《光伏制造行业规范条件》（2015年）中规定“现有光伏制造企业，多晶硅满足《太阳能级多晶硅》（GB/T25074）1级品的要求”，“新建和改扩建企业，多晶硅满足《硅多晶》（GB/T12963）2级品以上要求”。GB/T 12963-2014中的技术要求较2009版明显提高，这也无形中提高了新企业进入多晶硅行业的门槛。

由于采用不同的方法（改良西门子法、硅烷法、冶金法等）生产的多晶硅产品质量、技术要求及检验方法多有不同，国内标准体系中列有GB/T25074-2010《太阳能级多晶硅》、20141877-T-469《流化床法颗粒硅》以及待制定的《冶金法太阳能级多晶硅》三项产品标准。国外标准SEMI PV17-1012 Specification for virgin silicon feedstock materials for photovoltaic applications适用于改良西门子法、硅烷法及冶金法等生产的太阳能级多晶硅。该标准规定了订货单的格式，由需方填写对生产方法、各项目及其检验方法的具体要求，并根据施主、受主杂质浓度、氧浓度、碳浓度及表面、基体金属杂质含量将其宽泛的分为四个等级，比如受主杂质浓度的四个等级为≤1ppba、≤20ppba、≤300ppba、≤1000ppba。这样虽然可以涵盖不同方法生产的太阳能电池用多晶硅，但使用单位需在四个宽泛等级范围内逐一明确各项目的具体要求，对多晶硅生产和使用企业的指导意义不大。

表3 GB/T12963《电子级多晶硅》技术要求

GB/T25074-2010目前正在修订，经2015年6月来自洛阳中硅、江苏中能、新特能源、西安隆基、苏州协鑫等18家光伏上下游企业的专家讨论后，修改标准适用范围为“以氯硅烷、硅烷为原料生长的棒状或经破碎形成的块状多晶硅，产品主要用于生产太阳能电池”。这样修改后，明确了GB/T25074主要适用的是改良西门子法和硅烷法中的以化学气相沉积炉为反应器生产的棒状太阳能级多晶硅。此次主要对GB/T25074-2010原有的技术要求电阻率、施主、受主杂质浓度、氧浓度、碳浓度、少数载流子寿命及基体金属杂质进行修订，并增加表面金属杂质的要求，明确基体金属杂质的测试方法等。由于多晶硅对后续太阳能级铸锭、硅单晶的具体影响并不十分明确，下游企业多根据综合成本选择多晶硅原料。本次修订将在充分调研多晶硅生产、使用厂家及国外多晶硅水平的基础上，考虑重新划分产品等级、修订技术指标。

20141877-T-469《流化床法颗粒硅》为新制定标准，由江苏中能负责起草，标准适用于“以氯硅烷或硅烷为原料，流化床法生产的颗粒状多晶硅”。颗粒硅与棒状多晶硅在后续的铸锭或拉晶过程中配合使用，可提高装料量，有效降低成本。标准中将颗粒硅分为电子级和太阳能1级、2级、3级。其中的电子级要求参照美国MEMC产品水平，太阳能级为结合目前国内生产能力、国际上REC、MEMC水平以及下游铸锭、拉晶企业的需求而制定，最终如何确定还需广泛调研、征求意见，并与修订后的电子级多晶硅和太阳能级多晶硅标准保持一致。氢浓度是流化床法颗粒硅的特有要求，这是由于生产工艺的特殊性导致颗粒硅中氢浓度较高，而目前颗粒硅主要作为铸锭或拉晶中的补充填料，如果氢浓度过高也会带来安全隐患。

冶金法制备太阳能级多晶硅，是以冶金级硅为原料，经过冶金提纯制得纯度达到99.9999%以上用于生产太阳能电池的多晶硅原料。冶金法太阳能级多晶硅的纯度明显低于改良西门子法和硅烷流化床法生产的多晶硅，国内能够量产的主要为中铝宁夏能源集团有限公司，其承担的“冶金法制备太阳能级多晶硅的关键技术研究及工业示范”曾获得国家“十二五”科技支撑项目立项，但该产品目前主要为其集团内部使用。《冶金法太阳能级多晶硅》先前已申报行业标准，但能否立项并得到市场认可，还取决于产品质量、成本等方面的实践检验。

结束语

太阳能发电作为安全、清洁、可持续发展的能源之一，在应对雾霾加重、能源危机的形势下具有明显的优势。多晶硅是人类利用太阳能技术的基础材料，节能低耗、安全环保、优质价廉是后续长时间内发展的方向。2015年在光伏产业仍存在产能过剩、欧美贸易保护主义继续发力的背景下，技术的进步、成本的降低、政策层面的支持是多晶硅行业能够有序发展的重要前提。今后的标准制修订将进一步加强与产业政策的配合，通过提高多晶硅市场准入标准，引导技术进步和产业升级，加快无竞争力产能的退出，扩大先进技术促进的市场份额，进一步提升产业集中度。中