中國粉體網(wǎng)訊 目前，光伏發(fā)電的上游原材料主要是改良西門子法制備多晶硅，FBR法顆粒硅問世后，有業(yè)內(nèi)專家判斷，顆粒硅有望引來多晶硅制造的一場顛覆性的技術(shù)革命。那么FBR法顆粒硅究竟是一個什么樣的工藝和產(chǎn)品？它與傳統(tǒng)多晶硅有什么不同？它又為何能異軍突起？
顆粒硅
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多晶硅制備有很多方法，其中最主要的為改良西門子法和硅烷硫化床法（FBR法）。以下是多晶硅制備工藝，供參考：
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要想了解硅烷硫化床法，必須要先看看其對手改良西門子法的優(yōu)勢與劣勢。
1.改良西門子法——目前的主流工藝
1955年，西門子公司成功開發(fā)了利用氫氣還原三氯硅烷（SiHCl3）在硅芯發(fā)熱體上沉積的工藝技術(shù)，并于1957年開始了工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)，這就是通常所說的西門子法。在西門子法工藝的基礎(chǔ)上，通過增加還原尾氣干法回收系統(tǒng)、SiCl4氫化工藝，實現(xiàn)了閉路循環(huán)，于是形成了改良西門子法——閉環(huán)式SiHCl3氫還原法。
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（1）改良西門子法優(yōu)點：
改良西門子法工藝成熟穩(wěn)定，過程簡單可控，設備標化，容易復制和擴大。生產(chǎn)的硅料質(zhì)量好致密度高，一直是全球多晶硅料生產(chǎn)的主要方法，市場占比超過80%。
改良西門子法也特別適合重工業(yè)基礎(chǔ)好、電力人工成本低、融資擴產(chǎn)也比較便利的中國，尤其是在電價便宜的西部。
（2）改良西門子法現(xiàn)存缺點：
①間斷生產(chǎn)高能耗
改良西門子法的缺點很明顯，一是高能耗。它是個間斷的批生產(chǎn)過程，還原爐內(nèi)和硅芯要加熱到一千多度高溫以促成化學反應和硅的沉積，爐壁要控溫避免硅沉積到鐘罩上。生產(chǎn)過程要耗電升溫，硅芯要通電加熱，爐體要冷卻控溫，這些都很耗電。一爐硅棒長成后，斷電斷氣降溫出爐，所有熱量能量又都會耗散。
另外，三氯氫硅分解還原成硅單質(zhì)，單次化學反應還原比例不高，伴隨副反應會生成各種化學氣體，這些氣體需分離干燥回收循環(huán)利用。一次轉(zhuǎn)換比例低和氣體回收，也是高耗能原因。改良西門子法多晶硅每公斤耗電大約60度，先進水平也能低到50度，這樣每噸西門子多晶硅耗電5、6萬度。比較而言，以高耗能聞名的電解鋁，每噸耗電國家指導標準1.25萬度，電爐煉鋼每噸耗電一兩千度。
②需破碎
西門子棒狀硅第二個缺點，是需要破碎才能在后續(xù)單晶拉制或多晶鑄造晶體的過程中使用。破碎過程相當麻煩費事，會混入金屬非金屬、灰塵纖維等雜質(zhì)，影響晶體質(zhì)量。破碎成本每公斤1-3元人民幣，在國外要1美元。國內(nèi)便宜，是因破碎方式人工原始，帶入雜質(zhì)的可能性更大。
柱狀多晶硅
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2. 硅烷硫化床法——顆粒硅異軍突起
顆粒硅流化床法生產(chǎn)工藝是把細小的硅顆粒種子鋪在有氣孔的床層上，從下面通入氣態(tài)硅化合物（硅烷或三氯氫硅）和其它反應氣，氣流把硅種吹到飄浮半漂浮的流化狀態(tài)，加熱和受到催化的硅化合物氣體分解或與其它氣體反應，生成的硅單質(zhì)沉積在浮動的硅種上，慢慢長成較大的硅粒，幾毫米到厘米級別都有，大點的顆粒掉入搜集斗，再由出料管送出流化床反應器。（流化床反應器結(jié)構(gòu)圖如下）
（1）顆粒硅的競爭優(yōu)勢
①生產(chǎn)成本低
根據(jù)保利協(xié)鑫數(shù)據(jù)，顆粒硅生產(chǎn)成本有望較棒狀硅低30%，其中資本性支出中的新建工廠投資費用，F(xiàn)BR法較改良西門子法低30%，占地面積低60%；運營成本中的人員需求低65%，綜合電耗低70%，水消耗低30%，氫消耗低40%。顆粒硅生產(chǎn)過程中碳排放量更少，每萬噸顆粒硅可減少二氧化碳排放166萬噸。
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另外使用顆粒硅可降低下游客戶的單晶生產(chǎn)成本。根據(jù)保利協(xié)鑫數(shù)據(jù)，應用顆粒硅單晶成本是應用棒狀硅單晶硅成本的81%，在自動化/增加復投量/免破碎環(huán)節(jié)/減少復投異常/節(jié)省復投器/復投增量/初裝增量上可分別節(jié)省3%/1%/9%/1%/1%/3%/1%的成本。
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②無需破碎，生產(chǎn)過程自動化
顆粒硅無需破碎環(huán)節(jié)，更利于生產(chǎn)過程自動化，可通過飲水機模式減少包裝與人工環(huán)節(jié)，實現(xiàn)加料自動化（FBR工廠—罐車運輸—除塵儲存—AGV裝運—裝料）；同時可通過側(cè)加料模式，減少等待時間3.6h，提升效率。
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（1）顆粒硅尚存問題
目前顆粒硅在使用過程中尚存問題，需要進一步的工藝改進。首先，顆粒硅表面積大于棒狀硅，更容易吸附產(chǎn)生表面污染；同時，顆粒硅在運輸過程中，容易相互摩擦形成硅粉，不利于后續(xù)投入生產(chǎn)；另外，顆粒硅表面存在氫鍵，熔化時產(chǎn)生氫氣易引起跳料。存在的問題尚需進一步工藝改善以解決，目前針對表面積大易吸附和硅粉較多的問題已有解決方案，而加料跳料的問題在小試設備上已得到解決，目前中試正在進行。
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總的來說，流化床顆粒硅生產(chǎn)技術(shù)在過去十年是有進步的，但目前尚不足以顛覆改良西門子法的主流地位，一是因為產(chǎn)品性能穩(wěn)定性和成熟度尚有待觀察，二是當前產(chǎn)能還比較少。
參考來源：中國科技網(wǎng)、雪球網(wǎng)、方正證券、保利協(xié)鑫、未來智庫等
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初心）
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