3.2　太阳电池多晶硅现状

晶体硅分单晶硅和多晶硅。单晶硅价格昂贵，多晶硅虽然质量不如单晶硅，但由于不需要耗时耗能的拉单晶过程，其生产成本只有单晶硅的1/20，而且工业中应用吸杂等技术可以维持较高的少子寿命。目前多晶硅太阳电池的效率虽然比单晶硅电池低1%～2%，但是多晶硅太阳电池的成本较低。因此，目前太阳电池市场上多晶硅电池的份额已经超过了单晶硅电池。

随着能源短缺和环境的迅速恶化，太阳电池产业飞速发展，全球对多晶硅的需求快速增长，市场供不应求，价格一度大幅上扬。主要原因是以欧洲为中心的太阳能市场迅速普及与扩大，多晶硅供需不平衡的局面将愈演愈烈，市场的短期波动可能有变化，但太阳电池用多晶硅长期将需求旺盛。2002～2010年全球及中国太阳能级多晶硅需求量统计如图3.1所示。

图3.1　2002～2010年全球及中国太阳能级多晶硅需求量统计

多晶硅以金属硅为原材料，我国是世界上高品位硅原矿石储藏国，占全世界已探明储量的三分之一，硅矿石首先冶炼成金属硅，进一步提纯为高纯多晶硅。我国是金属硅出口大国，反过来又是世界上高纯硅进口大国，半个世纪以来，我国约96%以上的高纯硅原料一直依赖进口，这种受制于国外、极不合理的状况亟待改变。

国际、国内生产的太阳能级多晶硅大都采用单晶硅棒纯度略低的头尾料或拉单晶剩的底料熔炼、掺杂、勾兑并再次熔融铸锭而成。随着半导体行业的技术提升，单晶硅的头尾料所占的比例越来越小，产量受到单晶硅产量的制约因素越发明显，导致多晶硅成本越来越高。生产多晶硅的方法主要有改良西门子法、物理法等。改良西门子法的纯度虽然可以达到11N级，但是用于太阳电池有些可惜，因为实验证明7N级以上纯度的多晶硅料对于提高太阳电池的转换效率已经没有明显的贡献。

就化学法来讲，我国多晶硅工业起步于20世纪五六十年代中期，生产厂有20余家，但由于生产技术难度大、生产规模小、工艺技术落后、环境污染严重、耗能大、成本高，绝大部分企业因亏损相继停产和转产，到1996年仅剩下四家，产能与生产技术都与国外有较大差距。

同国际先进水平相比，国内多晶硅生产企业在产业化方面的差距体现在多方面。2006年7月底，国家发改委在江西新余专门召开了一次“太阳级硅材料及硅太阳电池研讨会”，专家们指出，国内多晶硅企业的问题主要是产能低、供需矛盾突出。2005年中国太阳能用单晶硅企业开工率为20%～30%，半导体用单晶硅企业开工率为80%～90%，无法实现满负荷生产，多晶硅技术和市场仍掌握在美国、日本、德国少数几个生产厂商手中，严重制约我国产业发展。多晶硅并非是类似石油的资源性产品，但技术一旦形成垄断，国内企业就无所适从。

此外，我国的多晶硅生产规模小，现在公认的最小经济规模为每年1000t，最佳经济规模为每年2500 t，而我国多晶硅生产企业离此规模仍有较大的距离。而且，国内企业的工艺设备落后，同类产品物料和电力消耗过大，“三废”问题多，与国际水平相比，国内多晶硅生产物耗、能耗高出一倍以上，产品成本缺乏竞争力。

而最主要的还是技术和生产工艺问题。我国目前投资的项目，多数都是从国外引进技术。地方政府和企业投资多晶硅项目，存在低水平重复建设的隐忧。千吨级工艺和设备技术的可靠性、先进性、成熟性以及各子系统的相互匹配性都有待生产运行验证，并需要进一步完善和改进。

我国太阳电池生产企业购买电子级高纯度多晶硅，再与杂料进行混合掺用，兑成SG级的太阳能用多晶硅。目前世界多晶硅生产技术最先进的国家是美国、德国、日本和意大利等少数发达国家，以上四个国家产量占世界多晶硅产量总和的90%以上，其核心技术多是德国西门子公司的改良技术，属于化学提纯法。由于单晶硅产量的限制和价格大幅度上涨的影响，近年来，采用物理提纯技术生产太阳电池级多晶硅正在进入产业化阶段。物理提纯技术研究开始于20世纪80年代，其基本思路是将纯度自下而上地提高（Bottom Up），与目前世界上的主生产方式——改良型德国西门子化学方法纯度自上而下（Top Down）的模式迥然不同。从投资角度来看，一条1000t左右的改良西门子法多晶硅生产线，就如同一个中型的现代石化公司，不仅工程设计复杂，耗电量高（年产千吨多晶硅的生产线需要的供电装机容量为9.8万千瓦，年总用电量为2.5亿千瓦·时），而且总投资巨大。相比较而言，物理法生产投资和单位能耗就大幅度降低，我们在下一章重点介绍这种方法。