（續(xù)前文）

六、國(guó)際冶金法多晶硅的技術(shù)進(jìn)展

盡管通過(guò)氣相中間化合物提純硅的方法，現(xiàn)在通俗的叫法是西門(mén)子法，將區(qū)域熔煉擠入了冷宮，而且西門(mén)子法在從1971年進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)開(kāi)始，直到2007年，一直是半導(dǎo)體硅的主要生產(chǎn)工藝；但是，光伏應(yīng)用的出現(xiàn)，依然使得西門(mén)子法顯得落伍而被動(dòng)。

西門(mén)子法第一次暴露其產(chǎn)能的局限是在2005年~2008年間。由于德國(guó)可再生能源法的實(shí)施使得光伏應(yīng)用的規(guī)模迅速上升，對(duì)多晶硅的需求也驟然變大。但是，當(dāng)時(shí)西方的一個(gè)多晶硅工廠(chǎng)的建設(shè)周期大約需要三到四年的時(shí)間。因此，穩(wěn)定的供應(yīng)無(wú)法滿(mǎn)足迅速上升的需求，導(dǎo)致多晶硅的價(jià)格從35美元/公斤上升到驚人的400美元/公斤。這個(gè)價(jià)格對(duì)于光伏應(yīng)用本來(lái)是不可接受的，但是，由于硅片、電池片和組件制造技術(shù)的進(jìn)步所導(dǎo)致的成本下降，使得光伏的組件價(jià)格在多晶硅的價(jià)格上升幅度如此巨大的情況下，令人驚奇地保持了穩(wěn)定。但是，其中，多晶硅的成本占光伏組件的成本比例從10%上升到了70%。

除了產(chǎn)能局限外，使得人們?cè)谖鏖T(mén)子法之外尋求滿(mǎn)足光伏應(yīng)用的硅提純工藝的動(dòng)因還有一個(gè)，就是成本。鑒于半導(dǎo)體器件的復(fù)雜性，硅材料的成本在最終的器件中所占比例非常低，如果不考慮成品率的話(huà)，可能連千分之一都不到，但在光伏組件中，硅的成本在價(jià)格最高時(shí)，如前所述，占到了70%?？紤]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(huà)），硅的價(jià)格應(yīng)當(dāng)保持在10美元以下，這個(gè)價(jià)格是用西門(mén)子法無(wú)法達(dá)到的成本。根據(jù)40年來(lái)西門(mén)子法的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，其成本最低也要在20美元以上。

尋找新工藝的第三個(gè)動(dòng)因，就是純度。西門(mén)子法可以得到9N以上的純度，這正是半導(dǎo)體材料所需要的。但是，光伏所需要的純度在7N以下，而且其中對(duì)于P型材料還要摻入大約0.1~0.3ppm 的硼，也就是，最合適的純度應(yīng)當(dāng)在6.5N左右，這樣，西門(mén)子法的純度有些“浪費(fèi)”了，光伏行業(yè)的下游工廠(chǎng)在購(gòu)買(mǎi)了西門(mén)子法生產(chǎn)的硅以后，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(shí)加入硼硅合金。這顯然造成了能源的雙重浪費(fèi)。

在這種情況下，各國(guó)的材料科學(xué)家們開(kāi)始研究新的多晶硅的提純方法。德國(guó)夫瑯和費(fèi)研究所的W. R. Weber教授對(duì)冶金法提純多晶硅的技術(shù)進(jìn)行了全面地調(diào)查，但他本人沒(méi)有對(duì)提純技術(shù)開(kāi)展深入的研究和試驗(yàn)。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(yáng)能級(jí)硅的研究也是由企業(yè)為主導(dǎo)進(jìn)行的。日本的JFE（川崎制鐵）的試驗(yàn)從2001年就開(kāi)始了，他們傾向于使用等離子體束和電子束進(jìn)行提純，這時(shí)在金屬冶煉提純領(lǐng)域的兩種典型的技術(shù)，他們?nèi)〉昧肆己玫男Ч?，但是，他們的工藝成本一直高居不下，無(wú)法降到令人滿(mǎn)意的水平，這使得JFE后來(lái)不得不放棄了冶金法多晶硅的研究，并于2012年初將有關(guān)設(shè)備和無(wú)形資產(chǎn)出售；他們的科學(xué)家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(mén)資產(chǎn)的消息，夏普公司也于2013年初開(kāi)始在中國(guó)尋求技術(shù)合作。

在歐洲，冶金法多晶硅的領(lǐng)導(dǎo)者也是在企業(yè)中，盡管法國(guó)國(guó)家材料研究所、挪威科技大學(xué)，還有前面提到的夫瑯和費(fèi)研究所等科研機(jī)構(gòu)也曾經(jīng)先后從事相關(guān)研究。歐洲的冶金法多晶硅的研究的企業(yè)代表時(shí)ELKEM公司。這是一家從事金屬硅生產(chǎn)的公司，他們希望能夠利用自己的冶金方面的經(jīng)驗(yàn)，將硅進(jìn)行進(jìn)一步提純。他們的工藝是采用煉鋼中所用的合成渣洗的工藝，來(lái)代替日本人所用的等離子體束和電子束，然后再同酸洗（濕法冶金），最后加上在上世紀(jì)四十年代就開(kāi)始采用定向凝固分凝的方法得到太陽(yáng)能級(jí)的硅。他們的工作也取得了令人驕傲的成績(jī)，2007年，他們向德國(guó)一家太陽(yáng)能電池公司（Q-CELL）進(jìn)行了冶金法多晶硅的銷(xiāo)售，但當(dāng)時(shí)，他們的純度才做到了5N多一些，因此，首批材料在制作成為光伏組件后，光電轉(zhuǎn)換效率出現(xiàn)了光致衰減現(xiàn)象。他們的第一個(gè)2000噸年產(chǎn)能的生產(chǎn)線(xiàn)在2008年建成，另一個(gè)3000噸的生產(chǎn)線(xiàn)原計(jì)劃在2010年建成，但一場(chǎng)火災(zāi)導(dǎo)致了延后，然后再2011年由于歐債危機(jī)導(dǎo)致的光伏蕭條，又再次延遲了這條生產(chǎn)線(xiàn)的建設(shè)。到了2012年，他們改進(jìn)了提純工藝，并且建議客戶(hù)采用與西門(mén)子法摻料的方式來(lái)使用他們生產(chǎn)的冶金法的多晶硅，取得了不錯(cuò)的效果，基本上消除了光致衰減的現(xiàn)象。由于2011年初，這家公司被來(lái)自中國(guó)的藍(lán)星化工收購(gòu)，因此，他們的經(jīng)濟(jì)顯得不是那么窘迫，從事冶金法多晶硅提純的技術(shù)團(tuán)隊(duì)也得以保留。

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(mén)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(mén)子法多晶硅混摻使用。由于HEMLOCK當(dāng)時(shí)是世界上產(chǎn)能最大的西門(mén)子法多晶硅公司，因此，道康寧對(duì)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公司是從事鋁美和金屬硅生產(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(yáng)能級(jí)硅，并銷(xiāo)售給了德國(guó)的Q-CELL公司和生產(chǎn)基地位于中國(guó)的CSI公司，前者是當(dāng)時(shí)世界上最大的光伏電池生產(chǎn)商。這個(gè)消息的公布，使得TIMMINCO的股票在一年內(nèi)上升了100倍（從0.9加元升到90加元）。這種股市的收益，使得其宣布消息的動(dòng)機(jī)和消息的可靠性都被人質(zhì)疑，有人說(shuō)其純度并未達(dá)到過(guò)6N。但不論其動(dòng)機(jī)如何，至少他們當(dāng)時(shí)選擇的宣布時(shí)機(jī)無(wú)疑是很好的，當(dāng)時(shí)的西門(mén)子法多晶硅的現(xiàn)貨價(jià)格高達(dá)350美元以上，任何新的可能的代替工藝都將成為光伏產(chǎn)業(yè)的“圣杯”，對(duì)于股票市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，這是好得不能再好的故事題材。

BSI公司采用的工藝是用天然氣燃燒加熱對(duì)液體硅進(jìn)行渣洗，然后粗略定向凝固后酸洗，再加精細(xì)的定向凝固。在2008年下半年的金融海嘯后，多晶硅的價(jià)格再次跌到50美元以下，TIMMINCO公司對(duì)于BSI在冶金法多晶硅的研發(fā)上的投入就越來(lái)越少，到了2011年，BSI的49%的股份被道康寧收購(gòu)，但當(dāng)時(shí)太陽(yáng)能多晶硅的部門(mén)并未出售。他們堅(jiān)持到了2012年，由于一筆400萬(wàn)美元的貸款未被銀行通過(guò)，他們被迫宣布將太陽(yáng)能多晶硅的部門(mén)（內(nèi)部稱(chēng)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，這也是冶金領(lǐng)域中使用的熔析法的一種。該公司2010年被來(lái)自美國(guó)加州的CALISOLAR公司收購(gòu)，后者還計(jì)劃于2011年在美國(guó)建立一個(gè)年產(chǎn)15000噸的冶金法多晶硅工廠(chǎng)，但由于純度的穩(wěn)定性一直存在問(wèn)題，加上2011年光伏市場(chǎng)的蕭條，該計(jì)劃也被擱置。

國(guó)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。

（未完待續(xù)）