3.2　太陽(yáng)電池多晶硅現(xiàn)狀

晶體硅分單晶硅和多晶硅。單晶硅價(jià)格昂貴，多晶硅雖然質(zhì)量不如單晶硅，但由于不需要耗時(shí)耗能的拉單晶過(guò)程，其生產(chǎn)成本只有單晶硅的1/20，而且工業(yè)中應(yīng)用吸雜等技術(shù)可以維持較高的少子壽命。目前多晶硅太陽(yáng)電池的效率雖然比單晶硅電池低1%～2%，但是多晶硅太陽(yáng)電池的成本較低。因此，目前太陽(yáng)電池市場(chǎng)上多晶硅電池的份額已經(jīng)超過(guò)了單晶硅電池。

隨著能源短缺和環(huán)境的迅速惡化，太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，全球?qū)Χ嗑Ч璧男枨罂焖僭鲩L(zhǎng)，市場(chǎng)供不應(yīng)求，價(jià)格一度大幅上揚(yáng)。主要原因是以歐洲為中心的太陽(yáng)能市場(chǎng)迅速普及與擴(kuò)大，多晶硅供需不平衡的局面將愈演愈烈，市場(chǎng)的短期波動(dòng)可能有變化，但太陽(yáng)電池用多晶硅長(zhǎng)期將需求旺盛。2002～2010年全球及中國(guó)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅需求量統(tǒng)計(jì)如圖3.1所示。

圖3.1　2002～2010年全球及中國(guó)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅需求量統(tǒng)計(jì)

多晶硅以金屬硅為原材料，我國(guó)是世界上高品位硅原礦石儲(chǔ)藏國(guó)，占全世界已探明儲(chǔ)量的三分之一，硅礦石首先冶煉成金屬硅，進(jìn)一步提純?yōu)楦呒兌嗑Ч琛Ｎ覈?guó)是金屬硅出口大國(guó)，反過(guò)來(lái)又是世界上高純硅進(jìn)口大國(guó)，半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)約96%以上的高純硅原料一直依賴(lài)進(jìn)口，這種受制于國(guó)外、極不合理的狀況亟待改變。

國(guó)際、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅大都采用單晶硅棒純度略低的頭尾料或拉單晶剩的底料熔煉、摻雜、勾兌并再次熔融鑄錠而成。隨著半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)提升，單晶硅的頭尾料所占的比例越來(lái)越小，產(chǎn)量受到單晶硅產(chǎn)量的制約因素越發(fā)明顯，導(dǎo)致多晶硅成本越來(lái)越高。生產(chǎn)多晶硅的方法主要有改良西門(mén)子法、物理法等。改良西門(mén)子法的純度雖然可以達(dá)到11N級(jí)，但是用于太陽(yáng)電池有些可惜，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)證明7N級(jí)以上純度的多晶硅料對(duì)于提高太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)沒(méi)有明顯的貢獻(xiàn)。

就化學(xué)法來(lái)講，我國(guó)多晶硅工業(yè)起步于20世紀(jì)五六十年代中期，生產(chǎn)廠有20余家，但由于生產(chǎn)技術(shù)難度大、生產(chǎn)規(guī)模小、工藝技術(shù)落后、環(huán)境污染嚴(yán)重、耗能大、成本高，絕大部分企業(yè)因虧損相繼停產(chǎn)和轉(zhuǎn)產(chǎn)，到1996年僅剩下四家，產(chǎn)能與生產(chǎn)技術(shù)都與國(guó)外有較大差距。

同國(guó)際先進(jìn)水平相比，國(guó)內(nèi)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)業(yè)化方面的差距體現(xiàn)在多方面。2006年7月底，國(guó)家發(fā)改委在江西新余專(zhuān)門(mén)召開(kāi)了一次“太陽(yáng)級(jí)硅材料及硅太陽(yáng)電池研討會(huì)”，專(zhuān)家們指出，國(guó)內(nèi)多晶硅企業(yè)的問(wèn)題主要是產(chǎn)能低、供需矛盾突出。2005年中國(guó)太陽(yáng)能用單晶硅企業(yè)開(kāi)工率為20%～30%，半導(dǎo)體用單晶硅企業(yè)開(kāi)工率為80%～90%，無(wú)法實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷生產(chǎn)，多晶硅技術(shù)和市場(chǎng)仍掌握在美國(guó)、日本、德國(guó)少數(shù)幾個(gè)生產(chǎn)廠商手中，嚴(yán)重制約我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。多晶硅并非是類(lèi)似石油的資源性產(chǎn)品，但技術(shù)一旦形成壟斷，國(guó)內(nèi)企業(yè)就無(wú)所適從。

此外，我國(guó)的多晶硅生產(chǎn)規(guī)模小，現(xiàn)在公認(rèn)的最小經(jīng)濟(jì)規(guī)模為每年1000t，最佳經(jīng)濟(jì)規(guī)模為每年2500 t，而我國(guó)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)離此規(guī)模仍有較大的距離。而且，國(guó)內(nèi)企業(yè)的工藝設(shè)備落后，同類(lèi)產(chǎn)品物料和電力消耗過(guò)大，“三廢”問(wèn)題多，與國(guó)際水平相比，國(guó)內(nèi)多晶硅生產(chǎn)物耗、能耗高出一倍以上，產(chǎn)品成本缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。

而最主要的還是技術(shù)和生產(chǎn)工藝問(wèn)題。我國(guó)目前投資的項(xiàng)目，多數(shù)都是從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)。地方政府和企業(yè)投資多晶硅項(xiàng)目，存在低水平重復(fù)建設(shè)的隱憂。千噸級(jí)工藝和設(shè)備技術(shù)的可靠性、先進(jìn)性、成熟性以及各子系統(tǒng)的相互匹配性都有待生產(chǎn)運(yùn)行驗(yàn)證，并需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)。

我國(guó)太陽(yáng)電池生產(chǎn)企業(yè)購(gòu)買(mǎi)電子級(jí)高純度多晶硅，再與雜料進(jìn)行混合摻用，兌成SG級(jí)的太陽(yáng)能用多晶硅。目前世界多晶硅生產(chǎn)技術(shù)最先進(jìn)的國(guó)家是美國(guó)、德國(guó)、日本和意大利等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家，以上四個(gè)國(guó)家產(chǎn)量占世界多晶硅產(chǎn)量總和的90%以上，其核心技術(shù)多是德國(guó)西門(mén)子公司的改良技術(shù)，屬于化學(xué)提純法。由于單晶硅產(chǎn)量的限制和價(jià)格大幅度上漲的影響，近年來(lái)，采用物理提純技術(shù)生產(chǎn)太陽(yáng)電池級(jí)多晶硅正在進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。物理提純技術(shù)研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代，其基本思路是將純度自下而上地提高（Bottom Up），與目前世界上的主生產(chǎn)方式——改良型德國(guó)西門(mén)子化學(xué)方法純度自上而下（Top Down）的模式迥然不同。從投資角度來(lái)看，一條1000t左右的改良西門(mén)子法多晶硅生產(chǎn)線，就如同一個(gè)中型的現(xiàn)代石化公司，不僅工程設(shè)計(jì)復(fù)雜，耗電量高（年產(chǎn)千噸多晶硅的生產(chǎn)線需要的供電裝機(jī)容量為9.8萬(wàn)千瓦，年總用電量為2.5億千瓦·時(shí)），而且總投資巨大。相比較而言，物理法生產(chǎn)投資和單位能耗就大幅度降低，我們?cè)谙乱徽轮攸c(diǎn)介紹這種方法。