硅材料产业化基础知识简介.doc

（内部资料）决策参考第一期本期目录硅材料产业化基础知识简介五通桥区科技顾问团办公室编印二OO七年编者按：目前,区委、区政府高度重视硅材料产业，并把硅材料产业作为我区最具发展优势的、优先发展的高新技术产业，本期决策参考编辑了硅材料产业方面的相关知识，供领导参考。一、硅材料多晶硅：是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料，多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性；在化学活性方面，两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。国际多晶硅产业概况当前，晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占有率在90%以上，而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。多晶硅材料的生产技术长期以来掌握在美、日、德等3个国家7个公司的10家工厂手中，形成技术封锁、市场垄断的状况。多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池。按纯度要求不同，分为电子级和太阳能级。其中，用于电子级多晶硅占55%左右，太阳能级多晶硅占45%，随着光伏产业的迅猛发展，太阳能电池对多晶硅需求量的增长速度高于半导体多晶硅的发展，预计到2008年太阳能多晶硅的需求量净超过电子级多晶硅。1994年全世界太阳能电池的总产量只有69MW，而2004年就接近1200MW，在短短的10年就增长了17倍。专家预测太阳能光伏产业在二十一世纪前半期将超过核电成为最重要的基础能源之一。国际多晶硅主要技术特征有以下两点：（1）多种生产工艺路线并存，产业化技术封锁，垄断局面不会改变。由于各多晶硅生产工厂所用主辅原料不尽相同，因此生产工艺技术不同；进而对应的多晶硅产品技术经济指标、产品质量指标、用途、产品检测方法、过程安全等方面也存在差异，各有技术特点和技术秘密，总的来说，目前国际上多晶硅生产主要的传统工艺有：改良西门子法、硅烷法和流化床法。其中改良西门子工艺生产的多晶硅的产能约占世界总产能的80%，短期内产业化技术垄断封锁的局面不会改变。（2）新一代低成本多晶硅工艺技术研究空前活跃。除了传统工艺（电子级和太阳能级兼容）及技术升级外，还涌现出了几种专门生产太阳能级多晶硅的新工艺技术，主要有：改良西门子法的低价格工艺；冶金法从金属硅中提取高纯度硅；高强度Si02直接制取；熔融析出法（VLD：Vaper to liquid deposition）；还原或热分解工艺；无氯工艺术技术，AI-Si溶体低温制备太阳能级硅；熔盐电解法等。单晶硅：是重要的半导体材料，化学元素符号Si，电子工业上使用的硅应具有高纯度和优良的电学和机械等性能。硅是产量最大、应用最广的半导体材料，它的产量和用量标志着一个国家的电子工业水平。在研究和生产中，硅材料与硅器件相互促进。在第二次世界大战中，开始用硅制作雷达的高频晶体检波器。所有的硅纯度很低又非单晶体。1950年制出第一只硅晶体管，提高了人们制备优质硅单晶的兴趣。1952年用直拉法（CZ）培育硅单晶成功。1953年又研究出无坩埚区域熔化法（FZ），既可进行物理提纯又能拉制单晶。1955年开始采用锌还原四氯化硅法生产纯硅，但不能满足制造晶体管的要求。1956年研究成功氢还原三氯氢硅法。对硅中微量杂质又经过一段时间的探索后，氢还原三氯氢硅法成为一种主要的方法。到1960年，用这种方法进行工业生产已具规模。硅整流器与硅闸流管的问世促使硅材料的生产一跃而居半导体材料的首位。60年代硅处延生长单晶技术和硅平面工艺的出现，不但使硅晶体管制造技术趋于成熟，而且促使集成电路迅速发展。80年代初全世界多晶硅产量已达2500吨。硅还是有前途的太阳电池材料之一。用多晶硅制造太阳电池的技术已经成熟；无定形非晶硅膜的研究进展迅速；非晶硅太阳电池开始进入市场。二、光伏产业制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，目前占主流的太阳能电池是硅太阳能电池，它又分单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池（总称为晶体硅太阳能电池）和非晶硅太阳能电池。太阳能电池及材料。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电子转换反应。对太阳能电池材料一般的要求是：1.半导体材料的禁带不能太宽；2.要有较高的光电转换效率；3.材料本身对环境不造成污染；4.材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几方面要求，硅是最理想的太阳能电池材料。单晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池使用的硅原料主要为：多晶硅、半导体硅碎片、半导体单晶硅的头、尾料、半导体用不合格的单晶硅。在硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换率最高（可达25%），技术也最为成熟。它是目前最重要的光伏材料。高性能的单晶硅太阳能电池，是建立在高质量单晶硅材料和与其相关的成熟的加工工艺基础上的。多晶硅太阳能电池。多晶硅太阳能电池使用的硅材料主要为：低等级的半导体多晶硅，或者专门为太阳能电池使用而生产的太阳能级多晶硅。与单晶硅太阳能电池相比较，由于其工艺为铸锭成型，多晶硅太阳能电池成本较低，但其转换效率与单晶硅太阳能电池又有差距（可达20%左右），因此，多晶硅太阳能电池也有较大的发展机会。非晶硅薄膜太阳能电池。与传统的晶体硅太阳能电池使用的原材料不同的是，其材料制备工艺简单、成本低，是光伏产业大规模市场化的重要研发路线。目前在实验室阶段其光电转换率已突破13%，如能进一步提升到工业规模化，前景广阔。高纯金属材料（锑、镉等）。锑主要用于制备III-族化合物半导体，高纯合金，电子制冷元件以及锗、硅单晶的掺杂剂。镉主要用于制备II-VI族化合物半导体，高纯合金，电池，焊料和原子反应堆中控制棒，太阳能电池，红外探测器等。化合物半导体。化合物半导体是现代电子工业的重要材料，Pbte、InSb、PbSnTe、GaAs、InP等半导体材料在现代电子工业和光电子工业都有广泛的应用。特别是GaAs、InP，一般认为它们是Si之后的最重要的半导体材料。本“化合物半导体单晶合成机组”采用“常温布里奇曼法”和我校近年来发展的一些新技术、和新方法可以合成几乎所有种类的化合物半导体单晶。本“化合物半导体单晶合成机组”具有可合成的单晶种类多、原料省（一般仅需风克），特别适用于高校和科研院所。光伏产业链：石英砂多晶硅切割变为硅片（或者变为单晶硅）电池以及电池组件（单个电池片无法发电），再将组件组合，最后安装在工程项目上用于发电。全球光伏组件的年增长率高达30，至2030年全球的光伏发电装机容量将达到300GW（届时整个产业的产值有可能突破3000亿美元），至2040年光伏发电将达到全球发电总量的1520%。按此计划推算，20102040年，光伏行业的复合增长率将高达25以上，可预见的高速增长将持续40年以上。三、乐山多晶硅材料产业链简介（一）乐山多晶硅材料产业链多晶硅三氯氢硅、四氯化硅治炼浇注法多晶硅电池片产品功率器件直接（CZ）单晶硅集成电路器件治炼浇注法多晶硅有机硅单体、有机硅消泡剂（二）乐山多晶硅材料产业集群乐山多晶硅产业集群战略产品以电子级多晶硅和太阳能多晶硅为主，产品主要有：直接用多晶硅（应用于集成电路和电子功率器件）；区熔用多晶硅（主要用于大功率半导体器件）；太阳能电池及多晶硅。乐山多晶硅产业集群以四川新光硅业科技公司、东汽集团峨眉半导体材料厂（研究所）、永祥树脂公司等多晶硅项目为依托，充分发挥人才、技术优势，通过乐山菲尼克斯安装式集成电路等重大项目的实施，逐步完善和延伸产业链，形成包括多晶硅、单晶硅、硅加工片、芯片和集成电路、电子元器件的硅材料产业集群。四、乐山能源新材料产业链简介（一）乐山能源新材料产业链高纯金属材料（锑、镉等）化合物半导体光伏电池材料光伏电池多晶硅材料(太阳能级)多晶硅锭光伏电池材料多晶硅片单晶硅片多晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池芯片太阳能电池组件太阳能发电（系统继承）（二）乐山能源新材料产业集群以新光硅业，东汽集团峨眉半导体材料厂、永祥树脂公司等多晶硅企业为依托，以乐山佳洋新能源公司、科立鑫化工有限公司、菲尼克斯半导体有限公司、福华公司等下游企业为主体的乐山能源新材料产业集群。