从沙粒到“黑金”：硅料到光伏发电的华丽旅程

学术 2024-11-25 10:01 北京

导读

当前，为应对全球气候变化，世界能源格局正经历深刻调整。以太阳能发电为代表的可再生能源将和煤炭和天然气一同支撑我国日益增长的能源需求。太阳能发电通过光伏发电或太阳能热发电技术实现，其中光伏发电占据主导地位。硅料作为光伏发电太阳能电池板的核心原材料，在新的能源结构中占据着重要地位。

太阳能级多晶硅——光伏发电核心原材料，由工业硅提纯制备

硅是一种非金属元素，在自然界中一般以硅酸盐或二氧化硅的形式存在，我们生活中常见的沙子的主要成分就是二氧化硅。光伏发电所需的硅料，即太阳能级多晶硅（SoG-Si），是光伏产业链中最上游的原材料，为带有金属光泽的灰黑色单质固体，具有熔点高（1410℃）、硬度大、脆性和常温下的化学惰性，是极为重要的优良半导体材料，被称为光伏产业链中的“黑金”。光伏发电的原理是光生伏特效应和PN结，受光线照射的半导体会产生电压与电流，基本构造是由P型与N型半导体接合而成的光伏电池片。硅料作为最上游的原材料，市占率在90%以上，且未来相当长时间仍为光伏电池的主要原材料。

图1 光伏发电技术

（图源：华夏能源网）

由于自然界中不存在单质硅，需要将原料提纯达到一定纯度，得到多晶硅材料。基本原料为工业硅，又称金属硅，是以硅石（SiO₂）和焦炭混合，在电炉中加热至1600-1800℃生成纯度为95~98%的粗硅，再进一步经过粉碎、酸洗、水洗烘干等工艺除去杂质后制成纯度为99.9~99.99%（2N）的工业硅。纯度是多晶硅品质的主要评判指标，当前太阳能级多晶硅（SoG-Si）的纯度介于冶金级硅与电子级硅之间，一般在99.9999%～99.9999999%（6N-9N）之间，主要应用于光伏晶硅电池。

图2 太阳能级多晶硅

（图源：百度百科）

生产工艺——改良西门子法为当前主流技术，流化床法降本空间广阔

工业硅的纯度无法满足光伏发电的要求，需要进一步经过提纯得到太阳能级多晶硅。目前市场上主要的提纯工艺有改良西门子法和流化床法，其中改良西门子法是目前应用最普遍也是最成熟的方法。

图3 改良西门子法与流化床法核心设备

（图源：《当代多晶硅产业发展概论》）

改良西门子法（棒状硅技术）最早由德国西门子公司在1955年发明，在过去60多年中经过不断技术优化和提升，已经成为目前技术最成熟、配套最完善、综合成本最低的多晶硅生产工艺。其主要工艺流程包括：1）氯气和氢气合成氯化氢；2）工业硅粉与氯化氢在合成流化床中合成三氯氢硅气体并分离回收尾气；3）对三氯氢硅进行精馏/提纯，对产生的四氯化硅作氢化处理，处理其他副产品；4）将高纯三氯氢硅与高纯氢气送入还原炉并经化学气相沉积反应，在1100℃反应生成的硅沉积在炉内硅芯上形成多晶硅棒。特别的，改良西门子法通过尾气回收系统将还原反应的尾气回收、分离后，把回收的大量有毒副产品四氯化硅送到氢化反应环节将其转化为三氯氢硅，并与尾气中分离出来的三氯氢硅一起送入精馏提纯系统循环利用，尾气中分离出来的氢气被送回还原炉，氯化氢被送回三氯氢硅合成装置，均实现了闭路循环利用。这是改良西门子法和传统西门子法最大的区别。

流化床技术（颗粒硅技术）包含基于硅烷和三氯氢硅的两种技术路径，其中硅烷流化床技术为第二大多晶硅制备工艺。流化床法的主要原理是将硅烷用氢气作为载体，像气流一样从流化床反应器底部注入，然后上升到中间加热区反应。随着反应的进行，硅逐渐沉积在悬浮状态的硅籽晶上，使籽晶颗粒不断地生长。长大到足够重量的时候，硅颗粒沉降到反应器的底部，排出的就是颗粒硅。相对改良西门子法，硅烷流化床法具备以下优势：精馏、尾气处理工序简单，能耗和单体投资大大降低（电耗仅为改良西门子法的10%~20%），反应转化率大于90%（改良西门子法仅为10~20%），污染低，且能够实现连续生产等。然而，尽管流化床法能耗、转化率优势突出，但其短板也是致命的。产品纯度低、设备寿命短、安全隐患大等问题限制了硅烷流化床法的推广使用，使之至今未成规模。

硅料行业——重资产、低周转、高ROE，具备高门槛高收益

相较光伏产业链其他环节，硅料行业具有重资产、低周转、高净资产收益率（ROE）的特征。同时作为光伏产业链中技术/资金壁垒最高、产能刚性且扩产/爬产周期最长的环节，叠加例行检修、生产事故等增加供给不确定性的因素，相较于其他环节，硅料行业更易出现因供不应求而导致涨价的情况。目前硅料的成本构成主要是电费、硅粉、折旧、人工，合计占比接近90%，其中能耗是未来主要的成本竞争要素。在全球碳中和大主题下，发展新能源是大势所趋。平价时代来临后，光伏发电经济性不断提升，叠加双碳系列政策加持，市场后续装机的增长动力持续充足，上游硅料同步受益。中国在光伏级多晶硅生产方面稳执牛耳，在2020年产量达到39万吨，占全球76%，行业内五大巨头通威股份、保利协鑫、新疆大全、新特能源和东方希望占据了85%以上的产能。

图4 2010-2023年全国多晶硅产量情况（单位：万吨）

（图源：中国光伏行业协会CPIA）

总结：我国是可再生能源大国，并且在太阳能发电领域具有资源和技术优势，发展迅猛。2022年，全国太阳能发电量达到39261万千瓦，同比增长28.1%；基建新增发电装机容量19974万千瓦，其中太阳能发电达到8741万千瓦，同比增长60.3%。在高额利润引导下，硅料产能释放迅速，中长期供应较为充裕，为硅料价格稳定提供基础，强力支撑着我国日益增长的新能源需求。

参考文献

[1] 侯彦青,谢刚,陶东平等.太阳能级多晶硅生产工艺[J].材料导报,2010,24(13):31-34+43.

[2] 许鸽凤.太阳能多晶硅的制备生产工艺研究[J].中国高新科技,2023(12):14-16. OI:10.13535/j.cnki.10-1507/n.2023.12.04.

[3] 杨伟强.太阳能级多晶硅生产工艺研究现状[J].中国氯碱,2023(02):31-36.

[4] 余建,张红.浅谈太阳能级高纯多晶硅的制备方法[J].电子世界,2012(20):94-95.

[5] 张妙鹤,唐安江,韦德举.太阳能级多晶硅生产工艺的比较研究[J].广州化工,2015,43(02):10-12.

排版 | 徐婧

审核 | 魏一凡王智慧车明遇刘梦