中国多晶硅生产:从受制于人到领跑世界
资讯类型:其他综合 加入时间:2019年9月27日17:34
多晶硅,太阳能电池和半导体器件生产中的主要材料来源。在全球光伏行业初兴的2004年前后,光伏级多晶硅料一度是制约我国光伏制造业发展的瓶颈。中国的多晶硅生产到底经历了哪些严苛的技术封锁?国内企业又是如何实现突破直至达到世界领先水平?

  吕锦标,2003年3月加入协鑫集团,2007年从集团上海总部来到筹建中的江苏徐州多晶硅生产基地,一呆就是7年,他见证了协鑫进军光伏行业、布局多晶硅基础材料生产的全过程,在他的眼中,协鑫乃至中国光伏企业的多晶硅生产之路正是整个中国光伏行业从弱到强的缩影。

  “想去参观人家的工厂,对方直接回绝,门都没有”

  2004-2005年前后,全球的光伏市场已经开始“爆发”,国内也已经有一些企业借着这股东风在组件生产上小有作为。

  虽然国内组件生产商已经可以在全球市场上跟跑,但最头痛的问题是材料受制约。所谓“两头在外”,就是指主要原材料多晶硅需要从国外巨头进口,生产出的组件产品需要出口到国外市场,中国光伏企业仅仅是扮演了代加工的角色。

  世界范围内,能够生产多晶硅料的企业屈指可数,产量也十分有限。而且当时半导体行业已经有成熟的市场,光伏却是新兴的闯入者,所以,硅料厂商一定是优先保障半导体企业的需求后才轮到光伏。

  光伏企业只能和半导体企业抢多晶硅料。当时,世界范围内多晶硅料的年产量约在3万吨,其中只有不足1万吨可以供给光伏企业。半导体行业所用的多晶硅料比光伏级多晶硅纯度要高,成本也更高,但国际上老牌的多晶硅生产企业都和半导体企业有长期的供货协议,即便是光伏级多晶硅料的市场价格已经达到三四百美金,而半导体级多晶硅料只有几十美金,他们也不会对半导体企业停供,两者的长协合同是非常牢固稳定的。

  那时,协鑫正在着手进入光伏行业,也看到了中国光伏制造核心材料受制于人的痛点。

  其实,早在上世纪五六十年代,中国着手研究半导体,其间就有一些多晶硅生产企业兴起,到七十年代末,全国已经有十五六家多晶硅生产企业分布在上海、重庆、四川、江西等地,但关键的生产技术却一直控制在德国、美国、日本等国无法实现突破。

  国内企业要生产多晶硅料,就一定要突破关键技术。虽有这样的认知,但2006年前后真正进入行业才意识到,国外的技术封锁是多么严苛,根本没有技术交流的渠道。

  多晶硅料的生产工艺主要有有四个步骤:第一步生产原料三氯氢硅;第二步是将三氯氢硅提纯;第三步将提纯后的三氯氢硅进入还原炉还原,得到纯高度的多晶硅;最后一步也是最关键的部分,在还原过程中会产生大量包括四氯化硅等在内的尾气,要将尾气转化成三氯氢硅再循环利用,这是最难的一步,也是我们寻求技术突破的关键。只有实现了四氯化硅到三氯氢硅的循环,才能实现大规模、低成本的多晶硅生产。

  德国瓦克公司是当时世界领先的多晶硅生产企业,从1959年开始就已经是超纯多晶硅的工业级生产商。瓦克在江苏张家港投资了一个有机硅工厂,我们通过商务渠道去母公司沟通,希望去参观人家的德国多晶硅工厂,对方直接回绝,门都没有。此后,我们的工程师利用出差的机会到了德国,瓦克的多晶硅厂就在一个小镇里面,厂区四周都是大片树林植被的围墙,根本就进不了那个区域,更不用说参观了,什么都看不到。

  “最大的收获是买到了还原炉,至少知道这是个什么东西,然后才有了后面的国产设备”

  虽然参观、交流都没能成功,但我们却在当地找到了一家为瓦克工厂提供设备支持的私营企业。

  这家企业主要生产还原三氯氢硅的还原炉,产量也不大。老板叫谢斯纳,年过七十却特别能喝酒,53度的茅台用红酒杯干,干几杯答应发炉子,但还是屡屡爽约。谢斯纳的厂主要生产12对棒还原炉,正适用于千吨级产线,当时中国大陆扎堆上十几个项目。

  我们从谢斯纳的工厂买了还原炉,2007年第四季度协鑫在江苏徐州建成了第一条1500吨/年的多晶硅产线,用的就是这些炉子。

  其实,无论是在国内还是国际上,装备的升级都要依靠工厂的生产探索,技术的改进也消化在装备中的。比如还原炉,在购买时设备厂商会提供诸如加压、控温等环节的基本技术参数,但在设备运行过程中一定会涉及到参数的优化,这就关系到装备的变更升级。例如哪里需要挪个孔、哪个需要挪个位置,在工厂不断优化生产的过程中,装备才会升级。后来,在2008年第二条1500吨/年产线投产的时候,国内的企业就已经可以生产还原炉。当时,我们已经着手从12对棒放大到18对棒、24对棒、36对棒,放大后设备布局不一样,需要我们的技术人员和国内企业重新计算,但我们已经可以做到了。

  现在想来,找德国最大的收获是买到了还原炉,至少知道这是个什么东西,然后才有了后面的国产设备,当然也有来自日本和美国的一些装备。

  现在,无论是江苏还是新疆的工厂,设备国产化率都已经超过了95%,与进口设备相比,国产设备采购和后续运行、维护成本要低30%以上。

  “业内的领先企业一直观察着中国的多晶硅生产,认为中国从上世纪六七十年代开始就进行尝试,始终没有成功,肯定做不起来,但我们就是成功了,我们做到了”

  技术突破并不是在哪一个节点上突然就有了怎样的巨变,而是通过一点一滴的尝试逐步实现的。

  其实在2007年第一条徐州产线上马的时候,最关键的工艺流程四氯化硅向三氯氢硅转化并没有完全突破,氢化处理工艺是在同步研究和中试的。所以,当时的很多工艺尝试也是在第一条产线上试运的,从这个角度讲,首条1500吨/年的产线在一定程度上也起到了试验场的作用。

  既然没有现成的工艺包,外出取经也没能成功,我们就只能自己研究摸索。从上世纪五十年代开始的研究虽然没有重大的技术突破,但却积累了部分专业人才。当时,为了突破这最关键的一环,国内化工、半导体、电子、电力等行业的工程师以及化工设计院、装备制造企业都参与其中。后来,国内精细化工行业的工程师从有机硅制备中得到启发,最终冲破了氢化这道技术难关。多晶硅生产过程产生的尾气非常多,实现了从四氯化硅到三氯氢硅的循环,我们才可以真正控制成本并且实现连续生产从而扩大规模。

  在两条1500吨/年的产线上马后,国内的技术已经不断走向成熟。在2008年全球金融危机前,协鑫接连扩产,连上三条5000吨/年规模的产线,总规模达到18000吨/年,一跃成为亚洲第一大多晶硅生产商。

  这时候国际上的一流企业包括那些曾经把我们的技术交流人员拒之门外的公司是非常震惊甚至怀疑的。其实,业内的领先企业一直观察着中国的多晶硅生产,认为中国从上世纪六七十年代开始就进行尝试,始终没有成功,肯定做不起来。但我们就是成功了,我们做到了。

  现在,协鑫在对国外技术和设备引进吸收、集成再造并国产化的基础上,对氯氢化、反歧化、高效化学气相沉积等关键技术进行大量自主创新,独创了具有自主知识产权的GCL法多晶硅超大规模清洁生产技术。这一工艺法完全实现了物料的全循环利用,与目前国际三大多晶硅生产企业Hemlock、OCI、瓦克所采用的工艺相比,流程更短、物料和能量利用率更高,不仅极大地降低生产成本,而且实现多晶硅的清洁生产、绿色制造,完全零排放,总体技术水平已经处于国际领先地位。
文章来自:中国化工联盟网

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