多晶硅生产技术发展方向探讨

何兴财

【摘要】多晶硅是单晶硅中最重要的形式之一。由于它的半导体特性，它已被广泛应用于微电子工业和光伏产业。随着光伏产业的快速发展和太阳能电池对多晶硅需求的快速增长，世界各国都在竞相开发低成本、低能耗的太阳能级多晶硅的新技术和技术，并倾向于制备低纯度的太阳能级多晶硅工艺和制造。采用高纯度电子级多晶硅技术，进一步降低了成本。

【关键词】多晶硅；生产技术；发展方向

一、多晶硅的生产工艺

目前多晶硅的生产技术主要包括：改良西门子法、物理冶金法和硅烷法。改良西门子法能耗较高在80-200kWh/kg，纯度可以达到电子级多晶硅标准9N-12N；物理冶金法虽然能耗较低为30-50kWh/kg，但是纯度只能做到5N-6N，而且生产出的多晶硅存在纯度不均匀，产出的电池存在转换效率衰减等问题；硅烷法可以生产12N以上的电子级多晶硅，但是硅烷属于易燃易爆物质，存在一定的安全隐患。改良西门子法因技术相对成熟，可以相对较低的成本生产出高纯度的多晶硅，是目前多晶硅生产的主流技术，占全球多晶硅产能的80%，在中国的多晶硅产能中份额超过90%。

二、多晶硅生产三种技术方法

（一）改良西门子法

基于西门子法工艺，经过加大还原尾气干法回收系统和四氢氯化硅氧化工艺。实现闭路循环，则构成改良西门子法，即闭环式三氯氢硅还原法。该方法主要有三氯硅烷合成、三氯硅烷蒸馏提纯、三氯硅烷还原、尾气回收、四氯化硅的氢化分离。

（二）硅烷流化床法

流化床工艺是美国联合碳公司在早期制备的多晶硅技术。该方法采用四氯化硅、氢气、氯化氢以及工业硅作为原料，在高温高压流化床（沸腾床）中生成三氯氢硅，然后再将三氯氢硅再深一步生成二氯二氢硅，然后生成硅烷气体。将硅烷气添加到流化床反应器中，用小颗粒硅粉进行连续热分解反映，形成粒状多晶硅产品。由于流化床反应器中硅的表面积较大，因此该方法生产效率高，功耗低，成本低。然而，工艺和设备的安全性很高，关键设备的材料也很高。否则，产品的纯度将受到严重影响。该方法适用于低成本的太阳能多晶硅的大规模生产。

（三）气液沉积技术

在初期，日本研制并掌握了气液沉积法。在一个管状反应器中，液态硅是由1500摄氏度的高温气体直接产生的，因为它的反应温度更高，而与现有的改进的西门子方法相比，它有更快的沉降速度。主要的工艺是通过氯气和二氧化硅的反应，通过氯气和二氧化硅的反应生成四氯化硅。四氯化硅分离和萃取后，在气液沉积反应器中产生多晶硅液滴。工业硅不再是工艺的起始原料，它的原材料是二氧化硅。从工艺入手，将二氧化硅熔炼成工业硅粉，可以有效地节省硅粉，使整个多晶硅工艺大大降低。四氯化硅的纯化效果会更好，纯度高。这不仅能有效降低多晶硅的生产成本，而且能生产出更高纯度的多晶硅。因此，在未来的生产中，需要进一步开发和整合该技术，关键是气液沉积和四氯化硅技术的研究与开发。在三种多晶硅制备方法中，改进的西门子法和硅烷法占总市场的99%，而汽液沉积法只占市场的1%，其中绝大多数处于实验状态。

三、改良西门子法与硅烷流化床法比较

（一）工艺技术方案比较

用于批量多晶硅生产的改进的西门子方法具有以下优点：由于改进的西门子方法，使用多棒和大直径还原炉能够有效地降低还原炉消耗的电能，改进的西门子方法能够有效地回收还原尾气并降低材料消耗。由于改进的西门子方法是一个封闭的电路系统，多晶硅生产中的各种材料都得到了充分的利用，废料很少。与传统的西门子法律相比，污染已经得到控制，环境得到了保护。硅烷流化床工艺生产的粒状多晶硅具有生产快、效率高、成本低的特点；生产过程节能，耗电量小；连续不间断生产；闭路生产和三废排放；产品方案可根据市场情况进行调整，其中间产品三氯硅烷和硅烷可以作为产品销售。

（二）产品在下游光伏产线的应用

在多晶硅下游的晶体生长过程中，使用大块硅可以保证晶体的质量，为后续电池的转换效率提供良好的基础。但是，有一些潜在的风险因素，如负荷能力较低和二次进料不方便，对生产效率、生产率和生产都有很大影响。如果使用颗粒硅，加载时间的可以提高生产效率，但由于颗粒小于散装硅，硅和吸尘链接的质量更轻的水晶，可以将原料颗粒飞溅造成的颗粒硅，这可能会导致生产不安全、不稳定过程。目前颗粒多晶硅纯度低，杂质含量高。使用粒状硅不能保证产品的质量。为了增加材料的用量，提高生产效率，降低生产成本，可将粒状多晶硅添加到块状材料中，以弥补大块硅材料之间的间隙，最大限度地增加载荷，节省成本。通过坩埚负荷试验，与100%西门子散装材料相比，50%的西门子散装和50%粒状多晶硅混合料可使初始坩埚重量增加29.3%，使加载时间减少41%，效益显著。

四、结语

综上所述，随着我国工业发展水平的提高，对多晶硅材料的需求也在不断增加。然而，由于生产过程的复杂性，很难简单地按照传统工艺完成生产。因此，本文分析和改进的西门子法、硅烷流化床技术和气液沉积技术三种重要的技术方法。结果表明，改进后的西门子法和硅烷流化床法在工艺上是相同的，在下游光伏生产线上相互依赖。因此，这两种多晶硅制备工艺不能在短时间内被取代，并将共同发展。

参考文献

[1]赵建，詹水华，王东京，盛斌.多晶硅生产技术发展方向探讨[J].广州化工，2014，42（15）：17～20，38.

[2]王东京，赵建，詹水华，盛斌.多晶硅生产技术发展方向探讨[J].化工进展，2014，33（11）：2928～2935.

[3]薛濤.多晶硅生产技术发展方向分析[J].化工管理，2015（25）：105.