七、中國冶金法多晶硅技術(shù)現(xiàn)狀

由于中國從2010年起已經(jīng)成為世界上光伏硅片、電池片和組件產(chǎn)量最大的國家，因此，對于多晶硅的研究和產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)歷過80年代和1998年的經(jīng)濟蕭條，因此，對于市場風(fēng)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(chǎn)。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(shè)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(fēng)險究竟有多大，當(dāng)時的產(chǎn)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(chǎn)能過剩的六大產(chǎn)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(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、韓國和德國競爭對手的低價競爭的擠壓下不得不停產(chǎn)。

中國冶金法多晶硅的產(chǎn)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(shù)，因此，真正投產(chǎn)的企業(yè)很少。從2005年起，中國就有大批的從事金屬硅生產(chǎn)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(shù)量高達30多個。由于早期的這些公司沒有與學(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(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(shù)量銳減為個位數(shù)。2009年，又有不少新的公司進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(shù)的研究失去了信心。其實，真正具有洞察力的企業(yè)家已經(jīng)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(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(zhuǎn)。對這個轉(zhuǎn)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(lián)盟的成立。而這個聯(lián)盟的成立，又歸功于中國當(dāng)時為數(shù)不多的幾個頭腦清醒的科學(xué)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(zhuǎn)換效率高達16%的光伏電池，這在當(dāng)時與西門子法多晶硅所制成的轉(zhuǎn)換效率幾乎相同。2009年，史珺博士認識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)成為獨立學(xué)科的材料科學(xué)，任何單一學(xué)科的科學(xué)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(xué)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(lián)盟，這個聯(lián)盟的發(fā)起單位包括了六家企業(yè)和十家研究機構(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。聯(lián)盟聚集了當(dāng)時中國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)和研究機構(gòu)，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(quán)威的官方發(fā)言機構(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。參加聯(lián)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(lián)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(shù)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(lián)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(jīng)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(shù)與上一年舉辦的廈門研討會一樣大大超出了預(yù)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(gòu)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(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(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)。作為中國冶金法多晶硅聯(lián)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(shù)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(nèi)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(chǎn)過程中質(zhì)量的均勻性。更重要的是，該裝置使得年產(chǎn)一萬噸的產(chǎn)能得以在僅僅數(shù)千平方米的場地里實現(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(chǎn)。

在進行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的同時，中國冶金法多晶硅聯(lián)盟還承擔(dān)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(guān)于冶金法太陽能多晶硅大規(guī)模清潔生產(chǎn)的科學(xué)基礎(chǔ)的建立。該計劃由大連理工大學(xué)的譚毅教授負責(zé)，他是專攻電子束和定向凝固的材料學(xué)家，參與這個項目的有來自多家中國頂尖研究機構(gòu)的科學(xué)家和企業(yè)里的技術(shù)專家。

該項目重點關(guān)注兩個科學(xué)問題：第一個問題，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)取決于冶金級硅電爐生產(chǎn)過程中雜質(zhì)在硅石和還原劑中的存在形態(tài)、雜質(zhì)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(zhì)的不同賦存狀態(tài)在遷移過程中會根據(jù)環(huán)境條件發(fā)生演化，增強或削弱其特質(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。

第二個問題是，冶金提純過程中雜質(zhì)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(fù)雜冶金過程，雜質(zhì)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(zhì)的性質(zhì)差異以突破雜質(zhì)分離過程分配系數(shù)的限制，增加凈化提純過程的推動力。雜質(zhì)在氣-液、液-液、液-固等多相體系內(nèi)的擴散和連續(xù)遷移以及動態(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，而擴散成為高溫提純過程的關(guān)鍵限制性環(huán)節(jié)。因此，一方面，通過建立高溫真空介質(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(yīng)的動力學(xué)模型，建立擴散和界面化學(xué)反應(yīng)速率和遷移速率方程，揭示在冶金提純過程中雜質(zhì)在多項動態(tài)界面上的分布規(guī)律，研究提純過程中雜質(zhì)的遷移機制和原理，闡明在動力學(xué)控制下的雜質(zhì)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(chǔ)。

針對上面兩大科學(xué)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(xué)的邢鵬飛教授帶領(lǐng)其團隊負責(zé)對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(xué)的陳朝教授和羅學(xué)濤教授負責(zé)研究高溫精煉過程中雜質(zhì)在非平衡相界面上的反應(yīng)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(shù)和鈍化吸雜進行了深入的研究。昆明理工大學(xué)的冶金學(xué)院院長馬文會教授負責(zé)真空定向凝固過程晶體生長控制及雜質(zhì)的氣液界面運動行為。譚毅教授負責(zé)外場強化的表面?zhèn)鬏敊C制的研究，中國科學(xué)院過程所的齊濤和王志教授負責(zé)低溫熔體界面雜質(zhì)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(chǔ)科學(xué)層面的大量問題，建立起冶金法太陽能多晶硅的科學(xué)基礎(chǔ)和研究體系，對于冶金法多晶硅的大規(guī)模生產(chǎn)和成本的進一步降低，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展，但最終的成就還是要體現(xiàn)在兩個方面：一個是最終的大規(guī)模生產(chǎn)；這個目標(biāo)不實現(xiàn)，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(xué)體系的建立；沒有后者，即便實現(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)的歷史沿革來看，冶金法多晶硅材料的科學(xué)基礎(chǔ)的建立，將不會是一個輕易實現(xiàn)的過程，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。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(lián)盟組織的研究項目的規(guī)劃和分工，體現(xiàn)出了中國科學(xué)家和企業(yè)界在新能源材料領(lǐng)域的通力合作，而該計劃的最終完成，將是中國產(chǎn)業(yè)界和科學(xué)界合作的成功典范。這個項目的專家團隊同樣體現(xiàn)了物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)和材料學(xué)的融合，例如，研究團隊包括材料學(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。除了來自大學(xué)和研究所的科學(xué)家外，參與該項目的還包括來自企業(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(xiàn)在十分充裕，不少企業(yè)已經(jīng)認識到了研發(fā)的重要性、而且已經(jīng)開始將大量的資金投入研發(fā)并且已經(jīng)開始顯現(xiàn)成效，在中國已經(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)與科研機構(gòu)已經(jīng)開始無縫地合作，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)開始，并且這種機制已經(jīng)成功運行了幾年?？梢哉f，中國現(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機，為冶金法多晶硅大規(guī)模生產(chǎn)工藝的成功實現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。我們有理由相信并期待中國的科學(xué)家們和企業(yè)家們的成功。