國際冶金法多晶硅的發(fā)展

　　考慮到光伏發(fā)電與火力發(fā)電最終要趨向一致(如果不是更低的話)，硅的價格應(yīng)當(dāng)保持在10美元以下，這個價格是用西門子法無法達(dá)到的成本，同樣也是硅烷法無法達(dá)到的成本。這就是為什么冶金法得到多國的科學(xué)家和企業(yè)家青睞的原因之一。除了成本的原因外，冶金法受到青睞還有一個原因，就是純度。西門子法可以得到9N以上的純度，但光伏所需要的純度在7N以下，而且最合適的純度應(yīng)當(dāng)在6.5N左右。目前，光伏行業(yè)的下游工廠在購買了西門子法生產(chǎn)的多晶硅以后，還要進(jìn)行摻雜，摻雜的方法是在拉單晶或者是鑄造多晶時加入硼硅合金，這顯然造成了能源的雙重浪費(fèi)。而冶金法的理論提純純度，恰巧就在6~7N之間，冥冥中注定是為光伏所準(zhǔn)備的工藝。

　　國際上，從事冶金法多晶硅研究的科研機(jī)構(gòu)，包括夫瑯和費(fèi)研究所、日本東京大學(xué)、九州大學(xué)、挪威科技大學(xué)等。但是，與硅在半導(dǎo)體應(yīng)用發(fā)展早期的研究一樣，冶金法提純太陽能級硅的關(guān)鍵的技術(shù)進(jìn)展也是由企業(yè)為主導(dǎo)進(jìn)行的。日本的JFE(川崎制鐵)的試驗從2001年就開始了，他們傾向于使用等離子體束和電子束對磷硼進(jìn)行去除，并取得了良好的效果。但是，他們的工藝成本一直高居不下，這使得JFE后來不得不放棄了冶金法多晶硅的研究。JFE的不少科學(xué)家后來分別到了新日鐵和夏普公司，繼續(xù)從事冶金法多晶硅的研究和應(yīng)用。但是，2012年中，新日鐵也傳出了要出售其冶金法多晶硅的部門資產(chǎn)的消息，2013 年初，夏普公司也開始在中國尋求技術(shù)合作。

　　歐洲的冶金法多晶硅的研究的企業(yè)代表是ELKEM公司。這是一家原本從事金屬硅和有機(jī)硅生產(chǎn)的公司。他們采用煉鋼中所用的合成渣洗的工藝，來代替日本人所用的等離子體束和電子束，然后再用酸洗(濕法冶金)加上在定向凝固的方法得到太陽能級的硅。他們得到了6N的純度，并在2008年建成了第一條2000噸年產(chǎn)能的生產(chǎn)線。另一個3000噸的生產(chǎn)線原計劃在2010年建成，但一場火災(zāi)和隨后的光伏蕭條延遲了這條生產(chǎn)線的建設(shè)。2011年初，這家公司被來自中國的藍(lán)星化工收購，盡管后者感興趣的是他們所擁有的歐洲有機(jī)硅市場份額，但ELKEM從事冶金法多晶硅提純的技術(shù)團(tuán)隊得以保留。

　　在北美，最早提出宣布冶金法多晶硅的是道康寧公司。2008年，他們宣布用一種“不同于西門子法的工藝”生產(chǎn)出了成本較低的多晶硅，這種多晶硅可以與道康寧旗下的HEMLOCK公司所生產(chǎn)的西門子法多晶硅混摻使用。由于HEMLOCK當(dāng)時是世界上產(chǎn)能最大的西門子法多晶硅公司，因此，道康寧對于冶金法的研究投入并不是太大也就不那么令人驚訝。

　　加拿大的TIMMINCO公司是從事鋁鎂和金屬硅生產(chǎn)的公司。他們旗下的BSI公司在2008年宣布采用一種“獨(dú)特的、成本很低的”工藝生產(chǎn)出了純度為6N的太陽能級硅，并銷售給了德國的Q-CELL公司和生產(chǎn)基地位于中國的CSI公司，前者是當(dāng)時世界上最大的光伏電池生產(chǎn)商。BSI公司采用的工藝是天然氣燃燒加熱進(jìn)行渣洗，然后粗略定向凝固后酸洗。在2008年下半年的金融海嘯后，TIMMINCO公司對于BSI在冶金法多晶硅的研發(fā)上的投入就越來越少，到了2011年，BSI的49%的股份被道康寧收購，但太陽能多晶硅的部門并未出售，這個部門堅持到了2012年，由于一筆400萬美元的貸款未被銀行通過，他們被迫宣布將太陽能多晶硅的部門(內(nèi)部稱為HP1)的所有資產(chǎn)全部出售。

　　除了BSI外，加拿大還有一家6N SILICON公司采用鋁熔的方式也在進(jìn)行多晶硅的冶金法提純。該公司2010年被來自美國加州的CALISOLAR公司收購，后者還曾宣布過計劃于2011年在美國建立一個年產(chǎn)15000噸的冶金法多晶硅工廠，但2011年光伏市場的蕭條后，就沒有再聽到過該公司的消息。

　　中國冶金法多晶硅的產(chǎn)業(yè)狀況與中國西門子法多晶硅的進(jìn)程有些類似。這種類似主要表現(xiàn)在光伏高峰期的一哄而上和隨后低谷時期的銷聲匿跡。但不同的是，冶金法多晶硅由于是新技術(shù)，因此，真正大規(guī)模投產(chǎn)的企業(yè)很少，這也使得中國冶金法多晶硅企業(yè)所受的創(chuàng)傷不是那么嚴(yán)重。

　　從2005年起，中國就有大批的從事金屬硅生產(chǎn)的公司開始進(jìn)行冶金法多晶硅的提純工作;由于早期的這些公司沒有與學(xué)院派的科學(xué)家合作，因此，在取得了一定限度的(也曾經(jīng)是令人激動的)進(jìn)展后，就偃旗息鼓了。這期間，由于多晶硅的價格一度高得驚人，還引來了不少別有用心的逐利者;在2008年前，最多的時候，中國從事冶金法多晶硅的企業(yè)數(shù)量高達(dá)30多個。關(guān)于冶金法的各種五花八門和稀奇古怪的工藝讓人眼花繚亂，這些混亂和真假不一的信息，使得冶金法多晶硅技術(shù)發(fā)展受到了嚴(yán)重的傷害。

　　2008年金融海嘯后，中國從事冶金法多晶硅的企業(yè)數(shù)量銳減為個位數(shù)。2009年，又有不少新的公司進(jìn)入冶金法多晶硅的研究和生產(chǎn)，到了2011年第二季度，多晶硅價格的持續(xù)下跌再次使得中國不少企業(yè)對于冶金法多晶硅技術(shù)的研究失去了信心。其實，真正具有洞察力的企業(yè)家已經(jīng)認(rèn)識到，多晶硅市場價格的下跌，使得冶金法多晶硅的低成本優(yōu)勢比以往任何時候都更有價值，“成本為王”的時代，從這個時候才開始。

　　中國冶金法多晶硅的崛起

　　近幾年，國際多晶硅廠家之所以能夠通過操控市場價格來對中國的多晶硅企業(yè)進(jìn)行剿殺，原因就在于他們手中掌握著西門子法的工藝，因而能夠以更低的成本來與中國的多晶硅新手們競爭廝殺。而中國企業(yè)在冶金法多晶硅領(lǐng)域的努力，將使這種情況獲得改變。

　　在中國光伏產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的大背景下，冶金法多晶硅的研究在中國取得了令人矚目的進(jìn)展。盡管早期的冶金法研究存在一些混亂，但這種混亂狀況從2009年下半年起獲得了根本扭轉(zhuǎn)。對這個轉(zhuǎn)變起了決定性的作用、并讓中國的冶金法多晶硅的研究和開發(fā)后來有了長足進(jìn)步的，是中國冶金法多晶硅聯(lián)盟的成立。這個聯(lián)盟包括了二十余家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，包括廈門大學(xué)、東北大學(xué)、中國科學(xué)院、中山大學(xué)、北京科技大學(xué)、大連理工大學(xué)、昆明理工大學(xué)等多家著名的大專院校，以及上海普羅、寧夏發(fā)電集團(tuán)、廈門佳科等企業(yè)。上海普羅新能源有限公司的史珺博士擔(dān)任首屆理事長。聯(lián)盟聚集了中國真正在從事冶金法多晶硅的主流科學(xué)家和企業(yè)家，使得大家有了一個交流的平臺，同時，也有了一個關(guān)于冶金法多晶硅研究進(jìn)展的權(quán)威的官方發(fā)言機(jī)構(gòu)。

　　聯(lián)盟于2009年6月在廈門市組織召開了中國第一屆冶金法太陽能多晶硅技術(shù)研討會，。2010年9月，該聯(lián)盟又主辦了世界上第一屆冶金法多晶硅國際研討會，這次會議在中國西北的寧夏銀川的沙湖國際會議中心召開。兩次會議的參加人數(shù)都大大超出了預(yù)計。銀川會議發(fā)表了80多份報告和近百篇論文，中國從事冶金法多晶硅的研究機(jī)構(gòu)之多、研究程度之深、企業(yè)取得的進(jìn)展之大，讓來自美國、加拿大、澳大利亞、日本、德國和挪威的專家都大吃一驚。2011年8月，借助第八屆國際先進(jìn)材料與技術(shù)大會(IFAMST8)召開之際，聯(lián)盟在日本福岡召開了第二次國際冶金法多晶硅研討會，該研討會被列為IFAMST8的一個分會場，史珺博士任分會場主席。

　　2011年后，中國從事冶金法多晶硅的產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)的企業(yè)已經(jīng)數(shù)量銳減，不少處于暫�；驎壕彽碾A段，但大部分都保留了冶金法多晶硅的研發(fā)平臺。作為中國冶金法多晶硅聯(lián)盟的理事長單位，上海普羅一直堅持用最低的成本、最低的能耗來發(fā)展自己的工藝路線。無論市場行情如何，從來沒有被市場的價格波動所影響。2012年，上海普羅完成了對冶金法多晶硅提純工藝的第三代技術(shù)的改進(jìn)，形成了被稱為PM法的新的工藝。這種方法采用合成渣洗的工藝作為第一步除硼，然后通過定向凝固進(jìn)行金屬去雜;之后再通過一個叫做DVC的裝置，對硅液進(jìn)行真空霧化脫氣提純和等離子體提純，最后再進(jìn)行一次真空定向凝固提純。由于DVC裝置內(nèi)部有使硅液循環(huán)的機(jī)制，使得等離子體束在除硼時對硅的損耗大大降低，而巧妙的霧化使得比表面積大大提高，因而大大改善了真空提純和脫磷的效果。PM法不僅成功地提高了純度，使得冶金法多晶硅能夠達(dá)到近7N的水平，而且保證了生產(chǎn)過程中質(zhì)量的均勻性。更重要的是，該裝置使得年產(chǎn)一萬噸的產(chǎn)能得以在僅僅數(shù)千平方米的場地里實現(xiàn)，并且將生產(chǎn)成本降低到了10美元以下。第一個PM法多晶硅工廠于2013年初開始在河南某地興建，計劃于2013年第四季度竣工投產(chǎn)。預(yù)計該廠的單位能耗在低于12千瓦時。

　　在進(jìn)行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的同時，中國冶金法多晶硅聯(lián)盟還于2011年承擔(dān)了一項由國家科技部支持的國家科技支撐計劃，目前也正在申報“973”和“863”計劃。承擔(dān)這些科技計劃的主要目的是建立關(guān)于冶金法太陽能多晶硅大規(guī)模清潔生產(chǎn)的科學(xué)基礎(chǔ)和研究體系，這對于冶金法多晶硅的大規(guī)模生產(chǎn)和成本的進(jìn)一步降低，起到重要的學(xué)科支撐作用。

　　實現(xiàn)多晶硅的“中國夢”

　　無論是上面提到的上海普羅的冶金法多晶硅進(jìn)展，還是冶金法聯(lián)盟開展的關(guān)于冶金法多晶硅提純的基礎(chǔ)科學(xué)層面的研究，中國在全球冶金法多晶硅領(lǐng)域的技術(shù)水平，都已經(jīng)達(dá)到了國際領(lǐng)先的水平。這樣的情形，在我國光伏和其它行業(yè)，都是十分罕見的。這種技術(shù)領(lǐng)先，將徹底打破歐美長期以來在多晶硅領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，使中國企業(yè)獲得以前從未有過的競爭優(yōu)勢和市場話語權(quán)，真正實現(xiàn)多晶硅領(lǐng)域的“中國夢”。

　　但是，中國長期落后造成的思維慣性使得無論是投資者還是政府，對這種情況都理解得十分緩慢，大多數(shù)人還是覺得中國人在某種技術(shù)上能夠領(lǐng)先于世界，是件難以相信的事情。因此，上海普羅和冶金法聯(lián)盟要想證明自己，只能通過一個途徑，那就是實現(xiàn)冶金法多晶硅的大規(guī)模生產(chǎn)，否則任何研究進(jìn)展都會失去價值和光彩。

　　一個新的工藝要實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，不僅要有全新的、可靠而實用的工藝，還要自行研制全套的新設(shè)備，當(dāng)然，所有的前提是還要獲得足夠的投資。在目前的中國，尤其是光伏行業(yè)，要滿足這些前提十分困難。所幸的是，在國家發(fā)改委、工信部、科技部以及各省市政府的大力支持下，這些條件都正在逐一地得到滿足�？梢哉f，中國現(xiàn)在已經(jīng)具備了冶金法多晶硅大規(guī)模生產(chǎn)工藝的成功的外在條件，但多晶硅的“中國夢”歸根結(jié)底是中國企業(yè)的夢，最終的大規(guī)模工藝生產(chǎn)的實現(xiàn)還是要靠企業(yè)家和科學(xué)家們通過自身的努力來完成。我們有理由相信并期待中國的科學(xué)家們和企業(yè)家們的成功，現(xiàn)在，我們要做到的就只剩下一件事：把這些年所有的努力在第一套萬噸級的生產(chǎn)線上體現(xiàn)出來，成功實現(xiàn)太陽能級冶金法多晶硅的大規(guī)模生產(chǎn)，實現(xiàn)多晶硅的“中國夢”。