七、中國(guó)冶金法多晶硅技術(shù)現(xiàn)狀

由于中國(guó)從2010年起已經(jīng)成為世界上光伏硅片、電池片和組件產(chǎn)量最大的國(guó)家，因此，對(duì)于多晶硅的研究和產(chǎn)業(yè)投入無(wú)論多么火爆都不令人奇怪。到2011年初，中國(guó)從事多晶硅生產(chǎn)的企業(yè)達(dá)到了一百家以上。但是，與歐美日等國(guó)的多晶硅企業(yè)相比，中國(guó)的公司沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)80年代和1998年的經(jīng)濟(jì)蕭條，因此，對(duì)于市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)幾乎為零。他們也從來(lái)沒(méi)有認(rèn)真考慮過(guò)這樣一個(gè)問(wèn)題，為什么從1971年第一家西門子法工廠誕生開(kāi)始，到2007年，這將近四十年的時(shí)間，全世界只有七家西門子法多晶硅工廠在生產(chǎn)。而歐洲僅兩家，而西門子法的誕生國(guó)----德國(guó)，才僅僅一家。也就是說(shuō)，西門子在與WACKER公司合資建設(shè)了多晶硅工廠后，再也沒(méi)有在德國(guó)建立第二家工廠。相比之下，中國(guó)僅僅在不到三年的時(shí)間就冒出了一百多家多晶硅工廠，這其中隱含的市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)究竟有多大，當(dāng)時(shí)的產(chǎn)業(yè)界似乎沒(méi)有人考慮過(guò)，盡管中國(guó)政府在2009年就將多晶硅列入了產(chǎn)能過(guò)剩的六大產(chǎn)業(yè)之一。2011年，歐債危機(jī)和美國(guó)政府對(duì)中國(guó)光伏的雙反使得中國(guó)光伏產(chǎn)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(guó)、韓國(guó)和德國(guó)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)的擠壓下不得不停產(chǎn)。

中國(guó)冶金法多晶硅的產(chǎn)業(yè)狀況與西門子法多晶硅的進(jìn)程類似，不同的是，冶金法多晶硅由于是新技術(shù)，因此，真正投產(chǎn)的企業(yè)很少。從2005年起，中國(guó)就有大批的從事金屬硅生產(chǎn)的公司開(kāi)始進(jìn)行冶金法多晶硅的提純工作；在2008年前，最多的時(shí)候，中國(guó)從事冶金法的企業(yè)數(shù)量高達(dá)30多個(gè)。由于早期的這些公司沒(méi)有與學(xué)院派的科學(xué)家合作，因此，在取得了一定限度的（但也曾經(jīng)是令人激動(dòng)的）進(jìn)展后，就偃旗息鼓了。這期間，由于多晶硅的價(jià)格高得驚人，還引來(lái)了不少別有用心的逐利者；關(guān)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(xiàn)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(gè)月，輔之以保溫和酸浸工藝，就可以得到6N多晶硅的技術(shù)。這些混亂和真假不一的信息，使得冶金法多晶硅技術(shù)發(fā)展受到了嚴(yán)重的傷害。

2008年金融海嘯后，中國(guó)從事冶金法多晶硅的企業(yè)數(shù)量銳減為個(gè)位數(shù)。2009年，又有不少新的公司進(jìn)入冶金法多晶硅的研究和生產(chǎn)，到了2011年第二季度，多晶硅價(jià)格的持續(xù)下跌再次使得中國(guó)不少企業(yè)對(duì)于冶金法多晶硅技術(shù)的研究失去了信心。其實(shí)，真正具有洞察力的企業(yè)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，多晶硅市場(chǎng)價(jià)格的下跌，使得冶金法多晶硅的低成本優(yōu)勢(shì)比以往任何時(shí)候都更有價(jià)值，“成本為王”的時(shí)代，從這個(gè)時(shí)候才開(kāi)始。

在中國(guó)光伏產(chǎn)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(guó)取得了令人矚目的進(jìn)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(zhuǎn)。對(duì)這個(gè)轉(zhuǎn)變起了決定性的作用、并讓中國(guó)的冶金法多晶硅的研究和開(kāi)發(fā)后來(lái)有了長(zhǎng)足進(jìn)步的，是中國(guó)冶金法多晶硅聯(lián)盟的成立。而這個(gè)聯(lián)盟的成立，又歸功于中國(guó)當(dāng)時(shí)為數(shù)不多的幾個(gè)頭腦清醒的科學(xué)家和企業(yè)家。

來(lái)自上海普羅新能源有限公司的史珺博士從2005年開(kāi)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(zhuǎn)換效率高達(dá)16%的光伏電池，這在當(dāng)時(shí)與西門子法多晶硅所制成的轉(zhuǎn)換效率幾乎相同。2009年，史珺博士認(rèn)識(shí)到了冶金法多晶硅涉及到了物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)的融合，當(dāng)然，也包括已經(jīng)成為獨(dú)立學(xué)科的材料科學(xué)，任何單一學(xué)科的科學(xué)家絕對(duì)不可能完成這項(xiàng)工作。于是，他與中國(guó)的另外兩位專家，新材料學(xué)會(huì)的李義春教授和來(lái)自寧夏發(fā)電集團(tuán)的盛之林教授發(fā)起成立了中國(guó)冶金法太陽(yáng)能多晶硅聯(lián)盟，這個(gè)聯(lián)盟的發(fā)起單位包括了六家企業(yè)和十家研究機(jī)構(gòu)（包括大學(xué)和研究所），史珺博士被大家推選為聯(lián)盟的首屆理事長(zhǎng)。聯(lián)盟聚集了當(dāng)時(shí)中國(guó)真正在從事冶金法多晶硅的科學(xué)家和企業(yè)家的優(yōu)秀企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，使得大家有了一個(gè)交流的平臺(tái)，同時(shí)，也使得冶金法多晶硅有了一個(gè)權(quán)威的官方發(fā)言機(jī)構(gòu)。自從聯(lián)盟成立后，那些關(guān)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(chǎn)業(yè)基本回歸到了科學(xué)和理性上來(lái)。參加聯(lián)盟的六家企業(yè)中，上海普羅、寧夏發(fā)電集團(tuán)、廈門佳科三家企業(yè)是中國(guó)冶金法多晶硅的佼佼者。

聯(lián)盟于2009年六月組織了中國(guó)第一屆冶金法太陽(yáng)能多晶硅技術(shù)研討會(huì)，在毗鄰臺(tái)灣的廈門市召開(kāi)。原計(jì)劃該會(huì)議只邀請(qǐng)90人參加，但最后，參加會(huì)議的人達(dá)到了300多人。2010年，該聯(lián)盟又主辦了世界上第一屆冶金法多晶硅國(guó)際研討會(huì)，這次會(huì)議在中國(guó)西北的寧夏銀川的沙漠里召開(kāi)（TIMMINCO的代表Nicolas Sagan曾經(jīng)問(wèn)史珺博士："Where the hell is Ningxia?（寧夏是什么鬼地方？）” 史珺博士回答說(shuō)："It's Yukon of China.（是中國(guó)的育空地區(qū)）” 這位來(lái)自加拿大人立刻明白了。）。銀川會(huì)議的參加人數(shù)與上一年舉辦的廈門研討會(huì)一樣大大超出了預(yù)計(jì)，以至于許多代表不得不兩人甚至三人住在一個(gè)房間（會(huì)議的召開(kāi)地點(diǎn)是在遠(yuǎn)離城市的沙漠上的一個(gè)湖邊，只有一個(gè)賓館）。這次會(huì)議發(fā)表了80多份報(bào)告和近百篇論文，中國(guó)從事冶金法多晶硅的研究機(jī)構(gòu)之多、開(kāi)展試驗(yàn)的研究程度之深、企業(yè)取得的進(jìn)展之大，讓來(lái)自美國(guó)、加拿大、澳大利亞、日本、德國(guó)和挪威的專家都大吃一驚。

目前，中國(guó)堅(jiān)持進(jìn)行冶金法多晶硅的產(chǎn)業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)的除了上面提及的三家領(lǐng)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(chǔ)。作為中國(guó)冶金法多晶硅聯(lián)盟的理事長(zhǎng)單位，上海普羅一直堅(jiān)持用最低的成本、最低的能耗來(lái)發(fā)展自己的工藝路線。令人尊敬的是，他們從來(lái)沒(méi)有被市場(chǎng)的價(jià)格波動(dòng)所影響，無(wú)論高價(jià)時(shí)期的利誘還是低價(jià)時(shí)期的打擊。2012年，他們完成了對(duì)冶金法多晶硅提純工藝的第三代技術(shù)的改進(jìn)，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(guò)粗略的定向凝固進(jìn)行金屬的去雜；然后，通過(guò)一個(gè)叫做DVC的裝置，對(duì)硅液進(jìn)行真空霧化脫氣提純和等離子體提純，最后再進(jìn)行一次真空定向凝固提純。由于DVC裝置內(nèi)部有使硅液循環(huán)的機(jī)制，使得等離子體束對(duì)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(gè)裝置不僅成功地提高了純度，使得冶金法多晶硅能夠達(dá)到近7N的水平，而且保證了生產(chǎn)過(guò)程中質(zhì)量的均勻性。更重要的是，該裝置使得年產(chǎn)一萬(wàn)噸的產(chǎn)能得以在僅僅數(shù)千平方米的場(chǎng)地里實(shí)現(xiàn)，并且將生產(chǎn)成本降低到了10美元以下。這將是世界上第一個(gè)把太陽(yáng)能級(jí)多晶硅成本降低到10美元以下、每公斤電耗低于12千瓦時(shí)的工藝路線。第一個(gè)PM法多晶硅工廠于2012年初開(kāi)始在中國(guó)的中部的一個(gè)小城市興建，計(jì)劃于2013年第四季度竣工投產(chǎn)。

在進(jìn)行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的同時(shí)，中國(guó)冶金法多晶硅聯(lián)盟還承擔(dān)了一項(xiàng)由中央政府支持的國(guó)家科技支撐計(jì)劃，同時(shí)，也申報(bào)了同樣由中央政府支持的代號(hào)為“973”的計(jì)劃，后者重點(diǎn)是進(jìn)行關(guān)于冶金法太陽(yáng)能多晶硅大規(guī)模清潔生產(chǎn)的科學(xué)基礎(chǔ)的建立。該計(jì)劃由大連理工大學(xué)的譚毅教授負(fù)責(zé)，他是專攻電子束和定向凝固的材料學(xué)家，參與這個(gè)項(xiàng)目的有來(lái)自多家中國(guó)頂尖研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家和企業(yè)里的技術(shù)專家。

該項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)科學(xué)問(wèn)題：第一個(gè)問(wèn)題，由于作為硅中溶質(zhì)的雜質(zhì)如Fe、Al、Ca、B、P在硅中的賦存狀態(tài)取決于冶金級(jí)硅電爐生產(chǎn)過(guò)程中雜質(zhì)在硅石和還原劑中的存在形態(tài)、雜質(zhì)進(jìn)入硅熔體后原子的種類、成分，熔體環(huán)境等因素，同時(shí)溶質(zhì)的不同賦存狀態(tài)在遷移過(guò)程中會(huì)根據(jù)環(huán)境條件發(fā)生演化，增強(qiáng)或削弱其特質(zhì)性能。因此明確雜質(zhì)尤其是痕量非金屬雜質(zhì)B、P、C等在硅熔體中的賦存狀態(tài)及其多尺度結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，將為冶金法多晶硅工藝技術(shù)集成提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

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

針對(duì)上面兩大科學(xué)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)確立了需要重點(diǎn)開(kāi)展的若干個(gè)研究方向。來(lái)自東北大學(xué)的邢鵬飛教授帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)對(duì)非金屬元素在硅體系中的賦存狀態(tài)及多尺度結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律進(jìn)行研究，他曾在芬蘭從事過(guò)金屬硅冶煉的研究，后來(lái)則主要從事電弧爐和精煉的研究。廈門大學(xué)的陳朝教授和羅學(xué)濤教授負(fù)責(zé)研究高溫精煉過(guò)程中雜質(zhì)在非平衡相界面上的反應(yīng)及遷移機(jī)制；陳朝教授從20世紀(jì)就開(kāi)始進(jìn)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(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)；還針對(duì)光伏電池的器件制作技術(shù)和鈍化吸雜進(jìn)行了深入的研究。昆明理工大學(xué)的冶金學(xué)院院長(zhǎng)馬文會(huì)教授負(fù)責(zé)真空定向凝固過(guò)程晶體生長(zhǎng)控制及雜質(zhì)的氣液界面運(yùn)動(dòng)行為。譚毅教授負(fù)責(zé)外場(chǎng)強(qiáng)化的表面?zhèn)鬏敊C(jī)制的研究，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程所的齊濤和王志教授負(fù)責(zé)低溫熔體界面雜質(zhì)傳遞規(guī)律等方向的研究，他們?cè)谌畚鎏峒?、濕法、固態(tài)吸雜等方面都進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。

上述研究方向的開(kāi)展，將順利解決冶金法多晶硅提純的基礎(chǔ)科學(xué)層面的大量問(wèn)題，建立起冶金法太陽(yáng)能多晶硅的科學(xué)基礎(chǔ)和研究體系，對(duì)于冶金法多晶硅的大規(guī)模生產(chǎn)和成本的進(jìn)一步降低，起到重要的學(xué)科支撐作用。

盡管冶金法多晶硅的技術(shù)已經(jīng)取得了令人驕傲的進(jìn)展，但最終的成就還是要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一個(gè)是最終的大規(guī)模生產(chǎn)；這個(gè)目標(biāo)不實(shí)現(xiàn)，任何研究成果都會(huì)失去價(jià)值和光彩。另一個(gè)是冶金法多晶硅的科學(xué)體系的建立；沒(méi)有后者，即便實(shí)現(xiàn)了冶金法多晶硅的大規(guī)模生產(chǎn)，取得了領(lǐng)先的地位，也不能保持這個(gè)領(lǐng)先地位，最終還是要落后于應(yīng)用的需求或者被其它的工藝技術(shù)超越。從前面的材料科學(xué)的歷史沿革來(lái)看，冶金法多晶硅材料的科學(xué)基礎(chǔ)的建立，將不會(huì)是一個(gè)輕易實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，除了物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)外，冶金法多晶硅的提純還需要不少物理化學(xué)、固體物理、流體力學(xué)甚至量子力學(xué)的知識(shí)。這些知識(shí)的融合，難度是可想而知的。

到目前為止，由中國(guó)冶金法多晶硅聯(lián)盟組織的研究項(xiàng)目的規(guī)劃和分工，體現(xiàn)出了中國(guó)科學(xué)家和企業(yè)界在新能源材料領(lǐng)域的通力合作，而該計(jì)劃的最終完成，將是中國(guó)產(chǎn)業(yè)界和科學(xué)界合作的成功典范。這個(gè)項(xiàng)目的專家團(tuán)隊(duì)同樣體現(xiàn)了物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)和材料學(xué)的融合，例如，研究團(tuán)隊(duì)包括材料學(xué)專家譚毅教授、羅學(xué)濤教授，冶金學(xué)家馬文會(huì)教授、邢鵬飛教授，物理學(xué)家陳朝教授、化學(xué)家齊濤、王志教授。除了來(lái)自大學(xué)和研究所的科學(xué)家外，參與該項(xiàng)目的還包括來(lái)自企業(yè)的科學(xué)家，如上海普羅公司的光電技術(shù)專業(yè)博士史珺和寧夏發(fā)電集團(tuán)的盛之林博士。

在中國(guó)，光伏制造量占全球一半以上，科技支持政策也達(dá)到了空前的強(qiáng)度，政府的資金現(xiàn)在十分充裕，不少企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了研發(fā)的重要性、而且已經(jīng)開(kāi)始將大量的資金投入研發(fā)并且已經(jīng)開(kāi)始顯現(xiàn)成效，在中國(guó)已經(jīng)出現(xiàn)了熱衷于創(chuàng)新的企業(yè)家和科學(xué)家，而且企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始無(wú)縫地合作，甚至已經(jīng)結(jié)成了聯(lián)盟，涉及多晶硅的多學(xué)科交流和融合已經(jīng)開(kāi)始，并且這種機(jī)制已經(jīng)成功運(yùn)行了幾年?？梢哉f(shuō)，中國(guó)現(xiàn)在具備了建立冶金法多晶硅基礎(chǔ)科學(xué)體系的一切條件和動(dòng)機(jī)，為冶金法多晶硅大規(guī)模生產(chǎn)工藝的成功實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我們有理由相信并期待中國(guó)的科學(xué)家們和企業(yè)家們的成功。