發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，是實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的重要途徑之一。太陽能作為可再生能源，具有取之不盡、用之不竭、清潔等特點，大面積使用光伏發(fā)電電能，能夠有效地減少二氧化碳排放，降低溫室氣體效應(yīng)，改善氣候環(huán)境。同時光伏產(chǎn)業(yè)能夠和氫能源、新能源汽車等產(chǎn)業(yè)相耦合，成為未來國家“碳達(dá)峰、碳中和”的重要途徑。

太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開多晶硅產(chǎn)業(yè)的支撐。高效太陽能電池的推廣和發(fā)展以及單晶拉棒技術(shù)的變革，連續(xù)加料和多次拉棒，對多晶硅品質(zhì)提出了更高的要求，高純晶硅將成為高效電池的主流。

目前，國內(nèi)、外多采用改良西門子法、硅烷流化床法及物理（冶金）法來制備多晶硅產(chǎn)品，下面就這三種方法進(jìn)行簡單的介紹。

1、改良西門子法

自西門子發(fā)明采用提純的三氯氫硅在氫氣氣氛下，加熱的硅芯表面反應(yīng)沉積多晶硅的方法（西門子法）后，經(jīng)過半個多世紀(jì)的改進(jìn)，逐步增加了四氯化硅的綜合利用（冷氫化為其中之一）和還原尾氣的“干法回收”系統(tǒng)，工藝技術(shù)已趨于完善，即目前廣泛采用的改良西門子法。

具體而言，為了穩(wěn)妥可靠，主要的生產(chǎn)工藝采用主流技術(shù)：氯化氫合成產(chǎn)生的HCl，同硅粉在三氯氫硅合成爐裝置中生成三氯氫硅，同時利用冷氫化裝置，硅粉與還原尾氣回收的四氯化硅、氯化氫以及氫氣反應(yīng)生成三氯氫硅，經(jīng)過徹底除塵后的混合氣體通過冷凝器分離得到氫氣和由反應(yīng)生成的三氯氫硅、未反應(yīng)的四氯化硅等組成的混合液，氫氣回系統(tǒng)重新參與反應(yīng)，混合液則用精餾的方法分離出高純度的三氯氫硅（四氯化硅經(jīng)過提純后回冷氫化回收利用），再將汽化的三氯氫硅與氫氣按一定比例混合引入多晶硅還原爐，在置于還原爐內(nèi)的棒狀硅芯兩端加以電壓，產(chǎn)生高溫，在高溫硅芯表面，三氯氫硅被氫氣還原成元素硅，并沉積在硅芯表面，逐漸生成所需規(guī)格的多晶硅棒。其工藝主要特點如下：

（1）采用先進(jìn)的冷氫化技術(shù)。四氯化硅循環(huán)使用，且絕大部分可以轉(zhuǎn)化為三氯氫硅，利用率高，降低了多晶硅生產(chǎn)的單位電耗，使多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)的廢氣、廢液、廢渣排放量、排放種類大大減少，環(huán)境保護(hù)從根本上得到了保證。更強(qiáng)化了物料的內(nèi)部循環(huán)，大大減少了外購原料數(shù)量，從原料上對多晶硅質(zhì)量更有保障。

（2）冷氫化采用濕法除塵系統(tǒng)，污染小、除塵徹底，且能除去金屬雜質(zhì)。

（3）三氯氫硅提純裝置，確保SiHCl3質(zhì)量關(guān)。

（4）采用高效、綜合回收的多塔連續(xù)耦合精餾工藝系統(tǒng)，降低了能耗及物料消耗。

（5）采用大流量、高沉積速度的大型高效節(jié)能還原爐工藝技術(shù)，大幅度提高了單爐年產(chǎn)量，降低了能耗、土建及配套設(shè)施投資。

（6）采用還原尾氣的干法回收技術(shù)，原料綜合回收率高，分離的氫氣、氯化氫產(chǎn)品質(zhì)量高，使混合氣中的各種有用物料得到最大限度回收利用，減少原材料的補(bǔ)給量，有利于提高多晶硅產(chǎn)品品質(zhì)，也減少了環(huán)境污染。

（7）采用雙向可控硅的還原電氣自動控制技術(shù)，提高了還原的成功率、產(chǎn)量和安全性。

（8）采用還原熱能綜合利用技術(shù)，降低了綜合能耗。

（9）完善的產(chǎn)品后處理技術(shù)，全部按國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)、凈化、包裝和運(yùn)輸。

（10）在系統(tǒng)綜合回收減少原料損耗的基礎(chǔ)上，設(shè)計有完善的尾氣、殘液處理系統(tǒng)和先進(jìn)的廢水循環(huán)處理系統(tǒng)，確保了各項指標(biāo)均符合國家環(huán)保要求。

（11）采用先進(jìn)的DCS自動控制系統(tǒng)，過程產(chǎn)量、質(zhì)量更穩(wěn)定，并使全裝置定員降到較低水平。

2、硅烷流化床法

以四氯化硅、氫氣、氯化氫和工業(yè)硅為原料在流化床內(nèi)（沸騰床）高溫高壓下生成三氯氫硅，將三氯氫硅再進(jìn)一步歧化加氫反應(yīng)生成二氯二氫硅，繼而生成硅烷氣。制得的硅烷氣通入加有小多晶硅粉的流化床反應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行連續(xù)熱分解反應(yīng)，生成粒狀多晶硅產(chǎn)品。因為在流化床反應(yīng)爐內(nèi)參與反應(yīng)的硅表面積大，生產(chǎn)效率高，電耗低與成本低，適用于大規(guī)模生產(chǎn)太陽能級多晶硅。流化床法最開始只有美國MEMC在使用，2005年開始德國瓦克考慮到流化床法成本比較低，符合太陽能需要，因此進(jìn)行該技術(shù)的研發(fā)和投入，并于2009年投產(chǎn)使用。因其產(chǎn)品呈顆粒狀，可以100%滿足RCZ、CCZ系列用料需求，所以無需人工成本和雜質(zhì)引入較高的后處理工序。只是瓦克的項目很小，目前還處于試驗階段。

據(jù)悉，GCL通過其美研中心歷時8年的自主研發(fā)，已突破FBR法無法長周期穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸，并且通過吸收SunEdison先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)了FBR法技術(shù)、品質(zhì)的雙優(yōu)化。目前為止，GCL是全世界唯一擁有成熟FBR法和其長周期管理經(jīng)驗團(tuán)隊的集團(tuán)，在全球擁有技術(shù)專利700余項，業(yè)內(nèi)尚無人能在這一領(lǐng)域望其項背。

FBR法生產(chǎn)多晶硅因其工藝路線簡潔，去除了還原、凈化工序，故其系統(tǒng)能耗、物耗、副產(chǎn)物、物料轉(zhuǎn)化率均優(yōu)于改良西門子法棒狀硅生產(chǎn)工藝。

因其產(chǎn)品呈顆粒狀，可以100%滿足RCZ、CCZ系列用料需求，所以無需人工成本和雜質(zhì)引入較高的后處理工序。GCL現(xiàn)有FBR法可實現(xiàn)全成本約40元/kg，并進(jìn)一步推動光伏平價上網(wǎng)的到來。

3、物理（冶金）法

物理法生產(chǎn)多晶硅的主要工藝是：選擇純度較好的工業(yè)硅（即冶金硅）進(jìn)行水平區(qū)熔單向凝固成硅錠，去除硅錠中金屬雜質(zhì)聚集的部分和外表部分后，進(jìn)行粗粉碎與清洗，在等離子體融解爐中去除硼雜質(zhì)，再進(jìn)行第二次水平區(qū)熔單向凝固成硅錠，去除第二次區(qū)熔硅錠中金屬雜質(zhì)聚集的部分和外表部分，經(jīng)粗粉碎與清洗后，在電子束融解爐中去除磷和碳雜質(zhì)，直接生成太陽能級多晶硅。

而物理法開始于2001年日本JFE一條中試線，也是首個宣布掌握物理法提純6N多晶硅的企業(yè)，但該企業(yè)的技術(shù)人員表示物理法的成本太高，而且降不下來，因此停止了中試線的運(yùn)作。真正讓物理法走入前臺的應(yīng)該是2008年中國阿特斯使用加拿大TIM物理法多晶硅生產(chǎn)了太陽能電池組件（轉(zhuǎn)換率13.3%～14.0%）并且獲得了大量的訂單，而且計劃2009年建設(shè)一個150MW的UMG硅電池組件基地，這個事件可以認(rèn)為物理法走入前臺的標(biāo)志，另外一個事件就是2008年11月Q-CELL與LDK簽訂每年2萬噸的硅片加工協(xié)議，而這份協(xié)議提及的2萬噸多晶硅全部是UMG硅（來自加拿大TIM和挪威ElkemSolar）。

對于目前多晶硅生產(chǎn)工藝進(jìn)行比較，結(jié)果如下：

表 多晶硅生產(chǎn)工藝優(yōu)劣對比

資料整理：隆眾資訊

所以整體看，物理冶金法的純度不能滿足目前光伏產(chǎn)業(yè)下游生產(chǎn)的要求。硅烷流化床法成本相對較低，但目前操作的安全性很難保證，而且，技術(shù)僅掌握在少數(shù)幾家公司手上。所以，目前市場主流多晶硅廠家多采用相對成熟，相對安全的改良西門子法，即氯化氫合成生成HCl，同硅粉在三氯氫硅合成爐裝置中生成三氯氫硅，同時利用冷氫化裝置，硅粉與還原尾氣回收的四氯化硅、氯化氫以及氫氣反應(yīng)生成三氯氫硅，經(jīng)過徹底除塵后的混合氣體通過冷凝器分離得到氫氣和由反應(yīng)生成的三氯氫硅、未反應(yīng)的四氯化硅等組成的混合液，氫氣回系統(tǒng)重新參與反應(yīng)，混合液則用精餾的方法分離出高純度的三氯氫硅（四氯化硅經(jīng)過提純后回氫化回收利用），再將汽化的三氯氫硅與氫氣按一定比例混合引入多晶硅還原爐，在置于還原爐內(nèi)的棒狀硅芯兩端加以電壓，產(chǎn)生高溫，在高溫硅芯表面，三氯氫硅被氫氣還原成元素硅，并沉積在硅芯表面，逐漸生成所需規(guī)格的多晶硅棒。該工藝實現(xiàn)完全閉環(huán)生產(chǎn)，技術(shù)成熟，生產(chǎn)穩(wěn)定、安全、可靠，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

因此，作為上游基礎(chǔ)原料產(chǎn)業(yè)的多晶硅，清潔生產(chǎn)符合國家大力發(fā)展新能源的能源政策和產(chǎn)業(yè)政策，對改善我國能源結(jié)構(gòu)、推動我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、減少溫室氣體排放等具有重要意義。