多晶硅生产工艺及成本分析

什么是多晶硅？

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，若这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。

多晶硅是用冶金级硅粉通过化学、物理途径提纯制得。多晶硅按纯度分类可以分为太阳能级多晶硅和电子级多晶硅。前者是生产太阳能光伏电池的基础材料；后者主要用于半导体工业和电子信息产业。我国的多晶硅生产技术难度大、投资成本高，发展相当缓慢，所需的电子级多晶硅大部分依赖进口。

多晶硅生产工艺？

1、改良西门子法

改良西门子法是一种化学方法，首先利用冶金硅（纯度要求在99.5%以上）与氯化氢（HCl）合成产生便于提纯的三氯氢硅气体（SiHCl3，下文简称TCS），然后将 TCS 精馏提纯，最后通过还原反应和化学气相沉积（CVD）将高纯度的TCS转化为高纯度的多晶硅，还原后产生的尾气进行干法回收，实现了氢气和氯硅烷闭路循环利用。
改良西门子法包括五个主要环节：即 SiHCl3合成、SiHCl3精馏提纯、SiHCl3的氢还原、尾气的回收和SiCl4的氢化分离。

改良西门子法是目前生产多晶硅最为成熟、最容易扩建的工艺；目前，全球80%以上的多晶硅企业采用改良西门子法（闭环式三氯氢硅还原法）生产多晶硅，该法生产电子级多晶硅具有一定的优势，其沉积速率较快，安全性能较好，但是相比硅烷法（SiH4分解法）具有能耗高、副产品量较高、投资成本大等缺点。

2、硅烷法

硅烷法制备多晶硅主要技术是将冶金级硅粉与四氯化硅和氢气转化为三氯氢硅，再将三氯氢硅通过精馏工序提纯及歧化反应，生成电子级硅烷气送至多晶硅反应器，通过化学气相沉积(CVD)生长成多晶态硅棒。
硅烷法是利用硅烷热分解的方法制备多晶硅，反应温度低，原料气体硅烷易提纯，杂质含量可以得到严格的控制。

3、冶金法

冶金法又称物理冶金法，是指应用冶金技术方法提纯冶金级硅的过程，主要是以工业硅为原料，采用湿法冶金、真空熔炼、氧化精炼、定向凝固、特种场熔炼等技术组合而制备多晶硅的方法。
冶金法的特点是在提纯过程中硅不参与任何化学反应，依靠硅与杂质物理性质的差异，通过冶金熔炼的方法将杂质去除，从而获得满足太阳能电池性能需求的多晶硅。冶金法是近年来正在发展的一种低成本、低能耗和环境友好的多晶硅制备的新技术。

4、流化床法

流化床法制造多晶硅需要用到流化床反应器，具体反应过程如下：将SiHCl3和H2由底部注入到流化床反应装置中，在加热器和预热气体的双重作用下把床层温度提高到反应所需温度。硅烷气体通过被加热的硅颗粒床层时分解生成硅和氢气，硅在硅颗粒表面沉积，硅颗粒长大到一定尺寸后形成产品，从反应器底部取出。在流化床法制备多晶硅过程中，可通过反应气体的进口速率调节系统流态化和气体停留时间，从而提高转化率。