七、中國冶金法多晶硅技術現狀

由于中國從2010年起已經成為世界上光伏硅片、電池片和組件產量最大的國家，因此，對于多晶硅的研究和產業(yè)投入無論多么火爆都不令人奇怪。到2011年初，中國從事多晶硅生產的企業(yè)達到了一百家以上。但是，與歐美日等國的多晶硅企業(yè)相比，中國的公司沒有經歷過80年代和1998年的經濟蕭條，因此，對于市場風險的認識幾乎為零。他們也從來沒有認真考慮過這樣一個問題，為什么從1971年第一家西門子法工廠誕生開始，到2007年，這將近四十年的時間，全世界只有七家西門子法多晶硅工廠在生產。而歐洲僅兩家，而西門子法的誕生國----德國，才僅僅一家。也就是說，西門子在與WACKER公司合資建設了多晶硅工廠后，再也沒有在德國建立第二家工廠。相比之下，中國僅僅在不到三年的時間就冒出了一百多家多晶硅工廠，這其中隱含的市場風險究竟有多大，當時的產業(yè)界似乎沒有人考慮過，盡管中國政府在2009年就將多晶硅列入了產能過剩的六大產業(yè)之一。2011年，歐債危機和美國政府對中國光伏的雙反使得中國光伏產業(yè)受到重創(chuàng)，盲目上馬的大量西門子法多晶硅的工廠在美國、韓國和德國競爭對手的低價競爭的擠壓下不得不停產。

中國冶金法多晶硅的產業(yè)狀況與西門子法多晶硅的進程類似，不同的是，冶金法多晶硅由于是新技術，因此，真正投產的企業(yè)很少。從2005年起，中國就有大批的從事金屬硅生產的公司開始進行冶金法多晶硅的提純工作；在2008年前，最多的時候，中國從事冶金法的企業(yè)數量高達30多個。由于早期的這些公司沒有與學院派的科學家合作，因此，在取得了一定限度的（但也曾經是令人激動的）進展后，就偃旗息鼓了。這期間，由于多晶硅的價格高得驚人，還引來了不少別有用心的逐利者；關于物理法或冶金法的各種五花八門和稀奇古怪的工藝讓人眼花繚亂，其中甚至出現了采用類似于釀酒工藝的提純方法，聲稱將硅埋于地窖中兩個月，輔之以保溫和酸浸工藝，就可以得到6N多晶硅的技術。這些混亂和真假不一的信息，使得冶金法多晶硅技術發(fā)展受到了嚴重的傷害。

2008年金融海嘯后，中國從事冶金法多晶硅的企業(yè)數量銳減為個位數。2009年，又有不少新的公司進入冶金法多晶硅的研究和生產，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的研究失去了信心。其實，真正具有洞察力的企業(yè)家已經認識到，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。

在中國光伏產業(yè)蓬勃發(fā)展的大背景下，令人驚奇但并不令人意外的是，冶金法多晶硅的研究在中國取得了令人矚目的進展。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。對這個轉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)后來有了長足進步的，是中國冶金法多晶硅聯盟的成立。而這個聯盟的成立，又歸功于中國當時為數不多的幾個頭腦清醒的科學家和企業(yè)家。

來自上海普羅新能源有限公司的史珺博士從2005年開始從事冶金法多晶硅的研究，在2008年他們成功地用冶金法多晶硅制作成了轉換效率高達16%的光伏電池，這在當時與西門子法多晶硅所制成的轉換效率幾乎相同。2009年，史珺博士認識到了冶金法多晶硅涉及到了物理學、化學、冶金學的融合，當然，也包括已經成為獨立學科的材料科學，任何單一學科的科學家絕對不可能完成這項工作。于是，他與中國的另外兩位專家，新材料學會的李義春教授和來自寧夏發(fā)電集團的盛之林教授發(fā)起成立了中國冶金法太陽能多晶硅聯盟，這個聯盟的發(fā)起單位包括了六家企業(yè)和十家研究機構（包括大學和研究所），史珺博士被大家推選為聯盟的首屆理事長。聯盟聚集了當時中國真正在從事冶金法多晶硅的科學家和企業(yè)家的優(yōu)秀企業(yè)和研究機構，使得大家有了一個交流的平臺，同時，也使得冶金法多晶硅有了一個權威的官方發(fā)言機構。自從聯盟成立后，那些關于物理法和冶金法的稀奇古怪的方法和“奇人”就漸漸銷聲匿跡了，產業(yè)基本回歸到了科學和理性上來。參加聯盟的六家企業(yè)中，上海普羅、寧夏發(fā)電集團、廈門佳科三家企業(yè)是中國冶金法多晶硅的佼佼者。

聯盟于2009年六月組織了中國第一屆冶金法太陽能多晶硅技術研討會，在毗鄰臺灣的廈門市召開。原計劃該會議只邀請90人參加，但最后，參加會議的人達到了300多人。2010年，該聯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漠里召開（TIMMINCO的代表Nicolas Sagan曾經問史珺博士："Where the hell is Ningxia?（寧夏是什么鬼地方？）” 史珺博士回答說："It's Yukon of China.（是中國的育空地區(qū)）” 這位來自加拿大人立刻明白了。）。銀川會議的參加人數與上一年舉辦的廈門研討會一樣大大超出了預計，以至于許多代表不得不兩人甚至三人住在一個房間（會議的召開地點是在遠離城市的沙漠上的一個湖邊，只有一個賓館）。這次會議發(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構之多、開展試驗的研究程度之深、企業(yè)取得的進展之大，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。

目前，中國堅持進行冶金法多晶硅的產業(yè)技術開發(fā)的除了上面提及的三家領先的企業(yè)外，還有不到十家企業(yè)處于暫?；驎壕彽碾A段，但基本還保留了冶金法多晶硅的研究基礎。作為中國冶金法多晶硅聯盟的理事長單位，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。令人尊敬的是，他們從來沒有被市場的價格波動所影響，無論高價時期的利誘還是低價時期的打擊。2012年，他們完成了對冶金法多晶硅提純工藝的第三代技術的改進，形成了被稱為PM法的新的工藝。與同行類似，PM法同樣采用合成渣洗的工藝作為第一步，然后通過粗略的定向凝固進行金屬的去雜；然后，通過一個叫做DVC的裝置，對硅液進行真空霧化脫氣提純和等離子體提純，最后再進行一次真空定向凝固提純。由于DVC裝置內部有使硅液循環(huán)的機制，使得等離子體束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氣的效果。這個裝置不僅成功地提高了純度，使得冶金法多晶硅能夠達到近7N的水平，而且保證了生產過程中質量的均勻性。更重要的是，該裝置使得年產一萬噸的產能得以在僅僅數千平方米的場地里實現，并且將生產成本降低到了10美元以下。這將是世界上第一個把太陽能級多晶硅成本降低到10美元以下、每公斤電耗低于12千瓦時的工藝路線。第一個PM法多晶硅工廠于2012年初開始在中國的中部的一個小城市興建，計劃于2013年第四季度竣工投產。

在進行大規(guī)模產業(yè)化的同時，中國冶金法多晶硅聯盟還承擔了一項由中央政府支持的國家科技支撐計劃，同時，也申報了同樣由中央政府支持的代號為“973”的計劃，后者重點是進行關于冶金法太陽能多晶硅大規(guī)模清潔生產的科學基礎的建立。該計劃由大連理工大學的譚毅教授負責，他是專攻電子束和定向凝固的材料學家，參與這個項目的有來自多家中國頂尖研究機構的科學家和企業(yè)里的技術專家。

該項目重點關注兩個科學問題：第一個問題，由于作為硅中溶質的雜質如Fe、Al、Ca、B、P在硅中的賦存狀態(tài)取決于冶金級硅電爐生產過程中雜質在硅石和還原劑中的存在形態(tài)、雜質進入硅熔體后原子的種類、成分，熔體環(huán)境等因素，同時溶質的不同賦存狀態(tài)在遷移過程中會根據環(huán)境條件發(fā)生演化，增強或削弱其特質性能。因此明確雜質尤其是痕量非金屬雜質B、P、C等在硅熔體中的賦存狀態(tài)及其多尺度結構演化規(guī)律，將為冶金法多晶硅工藝技術集成提供理論依據和技術支撐。

第二個問題是，冶金提純過程中雜質在多相動態(tài)界面上的連續(xù)遷移和傳遞新原理。冶金法提純太陽能級多晶硅工藝過程是高溫以及多組元、多相并存的復雜冶金過程，雜質在以上界面中的傳遞所面臨的主要問題是突破分離過程低比表面積（A/V值）的限制，加大硅與雜質的性質差異以突破雜質分離過程分配系數的限制，增加凈化提純過程的推動力。雜質在氣-液、液-液、液-固等多相體系內的擴散和連續(xù)遷移以及動態(tài)界面上的遷移和化學反應是其有效去除的根本途徑，而擴散成為高溫提純過程的關鍵限制性環(huán)節(jié)。因此，一方面，通過建立高溫真空介質-硅-雜質復雜體系的熱力學模型，系統(tǒng)研究雜質在高溫熔體中的傳遞機制及在多相動態(tài)界面上的遷移規(guī)律，另一方面，通過多相體系反應的動力學模型，建立擴散和界面化學反應速率和遷移速率方程，揭示在冶金提純過程中雜質在多項動態(tài)界面上的分布規(guī)律，研究提純過程中雜質的遷移機制和原理，闡明在動力學控制下的雜質演化、遷移和傳遞機理，是冶金法多晶硅提純成功的重要理論基礎。

針對上面兩大科學問題，研究團隊確立了需要重點開展的若干個研究方向。來自東北大學的邢鵬飛教授帶領其團隊負責對非金屬元素在硅體系中的賦存狀態(tài)及多尺度結構的演化規(guī)律進行研究，他曾在芬蘭從事過金屬硅冶煉的研究，后來則主要從事電弧爐和精煉的研究。廈門大學的陳朝教授和羅學濤教授負責研究高溫精煉過程中雜質在非平衡相界面上的反應及遷移機制；陳朝教授從20世紀就開始進行冶金法多晶硅的研究，并在濕法、合成渣洗精煉、等離子體、真空精煉方面進行了大量的實驗；還針對光伏電池的器件制作技術和鈍化吸雜進行了深入的研究。昆明理工大學的冶金學院院長馬文會教授負責真空定向凝固過程晶體生長控制及雜質的氣液界面運動行為。譚毅教授負責外場強化的表面?zhèn)鬏敊C制的研究，中國科學院過程所的齊濤和王志教授負責低溫熔體界面雜質傳遞規(guī)律等方向的研究，他們在熔析提純、濕法、固態(tài)吸雜等方面都進行了大量的試驗。

上述研究方向的開展，將順利解決冶金法多晶硅提純的基礎科學層面的大量問題，建立起冶金法太陽能多晶硅的科學基礎和研究體系，對于冶金法多晶硅的大規(guī)模生產和成本的進一步降低，起到重要的學科支撐作用。

盡管冶金法多晶硅的技術已經取得了令人驕傲的進展，但最終的成就還是要體現在兩個方面：一個是最終的大規(guī)模生產；這個目標不實現，任何研究成果都會失去價值和光彩。另一個是冶金法多晶硅的科學體系的建立；沒有后者，即便實現了冶金法多晶硅的大規(guī)模生產，取得了領先的地位，也不能保持這個領先地位，最終還是要落后于應用的需求或者被其它的工藝技術超越。從前面的材料科學的歷史沿革來看，冶金法多晶硅材料的科學基礎的建立，將不會是一個輕易實現的過程，除了物理學、化學、冶金學外，冶金法多晶硅的提純還需要不少物理化學、固體物理、流體力學甚至量子力學的知識。這些知識的融合，難度是可想而知的。

到目前為止，由中國冶金法多晶硅聯盟組織的研究項目的規(guī)劃和分工，體現出了中國科學家和企業(yè)界在新能源材料領域的通力合作，而該計劃的最終完成，將是中國產業(yè)界和科學界合作的成功典范。這個項目的專家團隊同樣體現了物理學、化學、冶金學和材料學的融合，例如，研究團隊包括材料學專家譚毅教授、羅學濤教授，冶金學家馬文會教授、邢鵬飛教授，物理學家陳朝教授、化學家齊濤、王志教授。除了來自大學和研究所的科學家外，參與該項目的還包括來自企業(yè)的科學家，如上海普羅公司的光電技術專業(yè)博士史珺和寧夏發(fā)電集團的盛之林博士。

在中國，光伏制造量占全球一半以上，科技支持政策也達到了空前的強度，政府的資金現在十分充裕，不少企業(yè)已經認識到了研發(fā)的重要性、而且已經開始將大量的資金投入研發(fā)并且已經開始顯現成效，在中國已經出現了熱衷于創(chuàng)新的企業(yè)家和科學家，而且企業(yè)與科研機構已經開始無縫地合作，甚至已經結成了聯盟，涉及多晶硅的多學科交流和融合已經開始，并且這種機制已經成功運行了幾年。可以說，中國現在具備了建立冶金法多晶硅基礎科學體系的一切條件和動機，為冶金法多晶硅大規(guī)模生產工藝的成功實現奠定了堅實的基礎。我們有理由相信并期待中國的科學家們和企業(yè)家們的成功。