中國多晶硅生產:從受制于人到領跑世界

2019年09月27日 9:16 1396次瀏覽 來源:   分類:   作者:

導讀: 中國的多晶硅生產到底經歷了哪些嚴苛的技術封鎖?國內企業又是如何實現突破直至達到世界領先水平?

多晶硅,太陽能電池和半導體器件生產中的主要材料來源。在全球光伏行業初興的2004年前后,光伏級多晶硅料一度是制約我國光伏制造業發展的瓶頸。中國的多晶硅生產到底經歷了哪些嚴苛的技術封鎖?國內企業又是如何實現突破直至達到世界領先水平?

呂錦標,2003年3月加入協鑫集團,2007年從集團上海總部來到籌建中的江蘇徐州多晶硅生產基地,一呆就是7年,他見證了協鑫進軍光伏行業、布局多晶硅基礎材料生產的全過程,在他的眼中,協鑫乃至中國光伏企業的多晶硅生產之路正是整個中國光伏行業從弱到強的縮影。

“想去參觀人家的工廠,對方直接回絕,門都沒有”

2004-2005年前后,全球的光伏市場已經開始“爆發”,國內也已經有一些企業借著這股東風在組件生產上小有作為。

雖然國內組件生產商已經可以在全球市場上跟跑,但最頭痛的問題是材料受制約。所謂“兩頭在外”,就是指主要原材料多晶硅需要從國外巨頭進口,生產出的組件產品需要出口到國外市場,中國光伏企業僅僅是扮演了代加工的角色。

世界范圍內,能夠生產多晶硅料的企業屈指可數,產量也十分有限。而且當時半導體行業已經有成熟的市場,光伏卻是新興的闖入者,所以,硅料廠商一定是優先保障半導體企業的需求后才輪到光伏。

光伏企業只能和半導體企業搶多晶硅料。當時,世界范圍內多晶硅料的年產量約在3萬噸,其中只有不足1萬噸可以供給光伏企業。半導體行業所用的多晶硅料比光伏級多晶硅純度要高,成本也更高,但國際上老牌的多晶硅生產企業都和半導體企業有長期的供貨協議,即便是光伏級多晶硅料的市場價格已經達到三四百美金,而半導體級多晶硅料只有幾十美金,他們也不會對半導體企業停供,兩者的長協合同是非常牢固穩定的。

那時,協鑫正在著手進入光伏行業,也看到了中國光伏制造核心材料受制于人的痛點。

其實,早在上世紀五六十年代,中國著手研究半導體,其間就有一些多晶硅生產企業興起,到七十年代末,全國已經有十五六家多晶硅生產企業分布在上海、重慶、四川、江西等地,但關鍵的生產技術卻一直控制在德國、美國、日本等國無法實現突破。

國內企業要生產多晶硅料,就一定要突破關鍵技術。雖有這樣的認知,但2006年前后真正進入行業才意識到,國外的技術封鎖是多么嚴苛,根本沒有技術交流的渠道。

多晶硅料的生產工藝主要有有四個步驟:第一步生產原料三氯氫硅;第二步是將三氯氫硅提純;第三步將提純后的三氯氫硅進入還原爐還原,得到純高度的多晶硅;最后一步也是最關鍵的部分,在還原過程中會產生大量包括四氯化硅等在內的尾氣,要將尾氣轉化成三氯氫硅再循環利用,這是最難的一步,也是我們尋求技術突破的關鍵。只有實現了四氯化硅到三氯氫硅的循環,才能實現大規模、低成本的多晶硅生產。

德國瓦克公司是當時世界領先的多晶硅生產企業,從1959年開始就已經是超純多晶硅的工業級生產商。瓦克在江蘇張家港投資了一個有機硅工廠,我們通過商務渠道去母公司溝通,希望去參觀人家的德國多晶硅工廠,對方直接回絕,門都沒有。此后,我們的工程師利用出差的機會到了德國,瓦克的多晶硅廠就在一個小鎮里面,廠區四周都是大片樹林植被的圍墻,根本就進不了那個區域,更不用說參觀了,什么都看不到。

“最大的收獲是買到了還原爐,至少知道這是個什么東西,然后才有了后面的國產設備”

雖然參觀、交流都沒能成功,但我們卻在當地找到了一家為瓦克工廠提供設備支持的私營企業。

這家企業主要生產還原三氯氫硅的還原爐,產量也不大。老板叫謝斯納,年過七十卻特別能喝酒,53度的茅臺用紅酒杯干,干幾杯答應發爐子,但還是屢屢爽約。謝斯納的廠主要生產12對棒還原爐,正適用于千噸級產線,當時中國大陸扎堆上十幾個項目。

我們從謝斯納的工廠買了還原爐,2007年第四季度協鑫在江蘇徐州建成了第一條1500噸/年的多晶硅產線,用的就是這些爐子。

其實,無論是在國內還是國際上,裝備的升級都要依靠工廠的生產探索,技術的改進也消化在裝備中的。比如還原爐,在購買時設備廠商會提供諸如加壓、控溫等環節的基本技術參數,但在設備運行過程中一定會涉及到參數的優化,這就關系到裝備的變更升級。例如哪里需要挪個孔、哪個需要挪個位置,在工廠不斷優化生產的過程中,裝備才會升級。后來,在2008年第二條1500噸/年產線投產的時候,國內的企業就已經可以生產還原爐。當時,我們已經著手從12對棒放大到18對棒、24對棒、36對棒,放大后設備布局不一樣,需要我們的技術人員和國內企業重新計算,但我們已經可以做到了。

現在想來,找德國最大的收獲是買到了還原爐,至少知道這是個什么東西,然后才有了后面的國產設備,當然也有來自日本和美國的一些裝備。

現在,無論是江蘇還是新疆的工廠,設備國產化率都已經超過了95%,與進口設備相比,國產設備采購和后續運行、維護成本要低30%以上。

“業內的領先企業一直觀察著中國的多晶硅生產,認為中國從上世紀六七十年代開始就進行嘗試,始終沒有成功,肯定做不起來,但我們就是成功了,我們做到了”

技術突破并不是在哪一個節點上突然就有了怎樣的巨變,而是通過一點一滴的嘗試逐步實現的。

其實在2007年第一條徐州產線上馬的時候,最關鍵的工藝流程四氯化硅向三氯氫硅轉化并沒有完全突破,氫化處理工藝是在同步研究和中試的。所以,當時的很多工藝嘗試也是在第一條產線上試運的,從這個角度講,首條1500噸/年的產線在一定程度上也起到了試驗場的作用。

既然沒有現成的工藝包,外出取經也沒能成功,我們就只能自己研究摸索。從上世紀五十年代開始的研究雖然沒有重大的技術突破,但卻積累了部分專業人才。當時,為了突破這最關鍵的一環,國內化工、半導體、電子、電力等行業的工程師以及化工設計院、裝備制造企業都參與其中。后來,國內精細化工行業的工程師從有機硅制備中得到啟發,最終沖破了氫化這道技術難關。多晶硅生產過程產生的尾氣非常多,實現了從四氯化硅到三氯氫硅的循環,我們才可以真正控制成本并且實現連續生產從而擴大規模。

在兩條1500噸/年的產線上馬后,國內的技術已經不斷走向成熟。在2008年全球金融危機前,協鑫接連擴產,連上三條5000噸/年規模的產線,總規模達到18000噸/年,一躍成為亞洲第一大多晶硅生產商。

這時候國際上的一流企業包括那些曾經把我們的技術交流人員拒之門外的公司是非常震驚甚至懷疑的。其實,業內的領先企業一直觀察著中國的多晶硅生產,認為中國從上世紀六七十年代開始就進行嘗試,始終沒有成功,肯定做不起來。但我們就是成功了,我們做到了。

現在,協鑫在對國外技術和設備引進吸收、集成再造并國產化的基礎上,對氯氫化、反歧化、高效化學氣相沉積等關鍵技術進行大量自主創新,獨創了具有自主知識產權的GCL法多晶硅超大規模清潔生產技術。這一工藝法完全實現了物料的全循環利用,與目前國際三大多晶硅生產企業Hemlock、OCI、瓦克所采用的工藝相比,流程更短、物料和能量利用率更高,不僅極大地降低生產成本,而且實現多晶硅的清潔生產、綠色制造,完全零排放,總體技術水平已經處于國際領先地位。(■呂錦標口述本報記者姚金楠/整理)

責任編輯:張雪卉

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