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單晶硅與多晶硅的區(qū)別與應(yīng)用
    多晶硅是生產(chǎn)單晶硅的直接原料，是當(dāng)代人工智能、自動控制、信息處理、光電轉(zhuǎn)換等半導(dǎo)體器件的電子信息基礎(chǔ)材料。被稱為“微電子大廈的基石”。

    在太陽能利用上，單晶硅和多晶硅也發(fā)揮著巨大的作用。雖然從目前來講，要使太陽能發(fā)電具有較大的市場，被廣大的消費(fèi)者接受，就必須提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本。從目前國際太陽電池的發(fā)展過程可以看出其發(fā)展趨勢為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。從工業(yè)化發(fā)展來看，重心已由單晶向多晶方向發(fā)展，主要原因?yàn)椋?br />     [1]可供應(yīng)太陽電池的頭尾料愈來愈少；
    [2] 對太陽電池來講，方形基片更合算，通過澆鑄法和直接凝固法所獲得的多晶硅可直接獲得方形材料；
    [3]多晶硅的生產(chǎn)工藝不斷取得進(jìn)展，全自動澆鑄爐每生產(chǎn)周期（50小時）可生產(chǎn)200公斤以上的硅錠，晶粒的尺寸達(dá)到厘米級；
    [4]由于近十年單晶硅工藝的研究與發(fā)展很快，其中工藝也被應(yīng)用于多晶硅電池的生產(chǎn)，例如選擇腐蝕發(fā)射結(jié)、背表面場、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細(xì)金屬柵電極，采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)可使柵電極的寬度降低到50微米，高度達(dá)到15微米以上，快速熱退火技術(shù)用于多晶硅的生產(chǎn)可大大縮短工藝時間，單片熱工序時間可在一分鐘之內(nèi)完成，采用該工藝在100平方厘米的多晶硅片上作出的電池轉(zhuǎn)換效率超過14％。據(jù)報(bào)道，目前在50～60微米多晶硅襯底上制作的電池效率超過16％。利用機(jī)械刻槽、絲網(wǎng)印刷技術(shù)在100平方厘米多晶上效率超過17％，無機(jī)械刻槽在同樣面積上效率達(dá)到16％，采用埋柵結(jié)構(gòu)，機(jī)械刻槽在130平方厘米的多晶上電池效率達(dá)到15.8％。

    多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。熔融的單質(zhì)硅在過冷條件下凝固時，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結(jié)合起來，就結(jié)晶成多晶硅。多晶硅可作拉制單晶硅的原料，多晶硅與單晶硅的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)方面。例如，在力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)的各向異性方面，遠(yuǎn)不如單晶硅明顯；在電學(xué)性質(zhì)方面，多晶硅晶體的導(dǎo)電性也遠(yuǎn)不如單晶硅顯著，甚至于幾乎沒有導(dǎo)電性。在化學(xué)活性方面，兩者的差異極小。多晶硅和單晶硅可從外觀上加以區(qū)別，但真正的鑒別須通過分析測定晶體的晶面方向、導(dǎo)電類型和電阻率等。

    當(dāng)前，晶體硅材料是最主要的光伏材料，其市場占有率在90％以上,而且在今后相當(dāng)長的一段時期也依然是太陽能電池的主流材料。

    多晶硅材料的生產(chǎn)技術(shù)長期以來掌握在美、日、德等3個國家7個公司的10家工廠手中，形成技術(shù)封鎖、市場壟斷的狀況。

    多晶硅的需求主要來自于半導(dǎo)體和太陽能電池。按純度要求不同，分為電子級和太陽能級。其中，用于電子級多晶硅占55％左右，太陽能級多晶硅占45％，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，太陽能電池對多晶硅需求量的增長速度高于半導(dǎo)體多晶硅的發(fā)展，預(yù)計(jì)到2008年太陽能多晶硅的需求量將超過電子級多晶硅。

    1994年全世界太陽能電池的總產(chǎn)量只有69MW，而2004年就接近1200MW，在短短的10年里就增長了17倍。專家預(yù)測太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在二十一世紀(jì)前半期將超過核電成為最重要的基礎(chǔ)能源之一。

    據(jù)悉，美國能源部計(jì)劃到2010年累計(jì)安裝容量4600MW，日本計(jì)劃2010年達(dá)到5000MW，歐盟計(jì)劃達(dá)到6900MW，預(yù)計(jì)2010年世界累計(jì)安裝量至少18000MW。

    從上述的推測分析，至2010年太陽能電池用多晶硅至少在30000噸以上，表2給出了世界太陽能多晶硅工序的預(yù)測。據(jù)國外資料分析報(bào)道，世界多晶硅的產(chǎn)量2005年為28750噸，其中半導(dǎo)體級為20250噸，太陽能級為8500噸，半導(dǎo)體級需求量約為19000噸，略有過剩；太陽能級的需求量為 15000噸，供不應(yīng)求，從2006年開始太陽能級和半導(dǎo)體級多晶硅需求的均有缺口，其中太陽能級產(chǎn)能缺口更大。

    據(jù)日本稀有金屬雜質(zhì)2005年11月24日報(bào)道，世界半導(dǎo)體與太陽能多晶硅需求緊張，主要是由于以歐洲為中心的太陽能市場迅速擴(kuò)大，預(yù)計(jì)2006年， 2007年多晶硅供應(yīng)不平衡的局面將為愈演愈烈，多晶硅價格方面半導(dǎo)體級與太陽能級原有的差別將逐步減小甚至消除，2005年世界太陽能電池產(chǎn)量約 1GW，如果以1MW用多晶硅12噸計(jì)算，共需多晶硅是1.2萬噸，2005－2010年世界太陽能電池平均年增長率在25％，到2010年全世界半導(dǎo)體用于太陽能電池用多晶硅的年總的需求量將超過6.3萬噸。

    世界多晶硅主要生產(chǎn)企業(yè)有日本的Tokuyama、三菱、住友公司、美國的Hemlock、Asimi、SGS、MEMC公司，德國的Wacker公司等，其年產(chǎn)能絕大部分在1000噸以上，其中Tokuyama、Hemlock、Wacker三個公司生產(chǎn)規(guī)模最大，年生產(chǎn)能 力均在3000－5000 噸。

    國際多晶硅主要技術(shù)特征有以下兩點(diǎn)：

    多種生產(chǎn)工藝路線并存，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)封鎖、壟斷局面不會改變。由于各多晶硅生產(chǎn)工廠所用主輔原料不盡相同，因此生產(chǎn)工藝技術(shù)不同；進(jìn)而對應(yīng)的多晶硅產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)、用途、產(chǎn)品檢測方法、過程安全等方面也存在差異，各有技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)秘密，總的來說，目前國際上多晶硅生產(chǎn)主要的傳統(tǒng)工藝有：改良西門子法、硅烷法和流化床法。其中改良西門子工藝生產(chǎn)的多晶硅的產(chǎn)能約占世界總產(chǎn)能的80％，短期內(nèi)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)壟斷封鎖的局面不會改變。

    低成本多晶硅工藝技術(shù)研究空前活躍。除了傳統(tǒng)工藝及技術(shù)升級外，還涌現(xiàn)出了幾種專門生產(chǎn)太陽能級多晶硅的新工藝技術(shù)，主要有：改良西門子法的低價格工藝；冶金法從金屬硅中提取高純度硅；高純度SiO2直接制??；熔融析出法；還原或熱分解工藝；無氯工藝技術(shù)，Al－Si溶體低溫制備太陽能級硅；熔鹽電解法等。

    我國集成電路的增長，硅片生產(chǎn)和太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大大帶動多晶硅材料的增長。

    太陽能電池用多晶硅按每生產(chǎn)1MW多晶硅太陽能電池需要11－12噸多晶硅計(jì)算，我國2004年多晶、單晶太陽能電池產(chǎn)量為48.45MW，多晶硅用量為678噸左右，而實(shí)際產(chǎn)能已達(dá)70MW左右，多晶硅缺口達(dá)250噸以上。

    到2005年底國內(nèi)太陽能電池產(chǎn)能達(dá)到300MW，實(shí)際能形成的產(chǎn)量約為110MW，需要多晶硅1400噸左右，預(yù)測到2010年太陽能電池產(chǎn)量達(dá)300MW，需要多晶硅保守估計(jì)約4200噸，因此太陽能電池的生產(chǎn)將大大帶動多晶硅需求的增加。

    2005年中國太陽能電池用單晶硅企業(yè)開工率在20％－30％，半導(dǎo)體用單晶硅企業(yè)開工率在80％－90％，都不能滿負(fù)荷生產(chǎn)，主要原因是多晶硅供給量不足所造成的。預(yù)計(jì)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)后的產(chǎn)量，仍然滿足不了快速增長的需要。

    2005年全球太陽能電池用多晶硅供應(yīng)量約為10448噸，而2005年太陽能用硅材料需求量約為22881噸，如果太陽能電池用多晶硅需求量按占總需求量的65%計(jì)，則太陽能電池用多晶硅需求量約為14873噸，這樣全球太陽能電池用多晶硅的市場缺口達(dá)4424噸。2005年半導(dǎo)體用多晶硅短缺 6000噸，加上太陽能用多晶硅缺口4424噸，合計(jì)10424噸，供給嚴(yán)重不足，導(dǎo)致全球多晶硅價格上漲。目前多晶硅市場的持續(xù)升溫，導(dǎo)致各生產(chǎn)廠商紛紛列出了擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，根據(jù)來自國際光伏組織的統(tǒng)計(jì)，至2008年全球多晶硅的產(chǎn)能將達(dá)49550噸，至2010年將達(dá)58800噸。預(yù)計(jì)到2010年全球多晶硅需求量將達(dá)85000噸，缺口26200噸。從長遠(yuǎn)來看，考慮到未來石化能源的短缺和各國對太陽能產(chǎn)業(yè)的大力支持，需求將持續(xù)增長。根據(jù)歐洲光伏工業(yè)聯(lián)合會的2010年各國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃預(yù)計(jì)，屆時全球光伏產(chǎn)量將達(dá)15GW，設(shè)想其中60%使用多晶硅為原材料，如果技術(shù)進(jìn)步每MW消耗10噸多晶硅，保守估計(jì)全球至少需要太陽能多晶硅5萬噸以上。

    我國多晶硅工業(yè)起步于五、六十年代中期，生產(chǎn)廠多達(dá)20余家，生由于生產(chǎn)技術(shù)難度大，生產(chǎn)規(guī)模小，工藝技術(shù)落后，環(huán)境污染嚴(yán)重，耗能大，成本高，絕大部分企業(yè)虧損而相繼停產(chǎn)和轉(zhuǎn)產(chǎn)，到1996年僅剩下四家，即峨眉半導(dǎo)體材料廠，洛陽單晶硅廠、天原化工廠和棱光實(shí)業(yè)公司，合計(jì)當(dāng)年產(chǎn)量為102.2 噸，產(chǎn)能與生產(chǎn)技術(shù)都與國外有較大的差距。

    1995年后，棱光實(shí)業(yè)公司和重慶天原化工廠相繼停產(chǎn)?，F(xiàn)在國內(nèi)主要多晶硅生產(chǎn)廠商有洛陽中硅高科技公司、四川峨眉半導(dǎo)體廠和四川新光硅業(yè)公司、到 2005年底，洛陽中硅高科技公司300噸生產(chǎn)線已正式投產(chǎn)，二期擴(kuò)建1000噸多晶硅生產(chǎn)線也同時破土動工，河南省計(jì)劃將其擴(kuò)建到3000噸規(guī)模，建成國內(nèi)最大的硅產(chǎn)業(yè)基地。四川峨眉半導(dǎo)體材料廠是國內(nèi)最早擁有多晶硅生產(chǎn)技術(shù)的企業(yè)，2005年太陽能電池用戶投資，擴(kuò)產(chǎn)的220噸多晶硅生產(chǎn)線將于 2006年上半年投產(chǎn)，四川新光硅業(yè)公司實(shí)施的1000噸多晶硅生產(chǎn)線正在加快建設(shè)，計(jì)劃在2006年底投產(chǎn)，此外，云南、揚(yáng)州、上海、黑河、錦州、青海、內(nèi)蒙、宜昌、廣西、重慶、遼寧、邯鄲、保定、浙江等地也有建生產(chǎn)線設(shè)想。

    同國際先進(jìn)水平相比，國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)業(yè)化方面的差距主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

    1、產(chǎn)能低，供需矛盾突出。2005年中國太陽能用單晶硅企業(yè)開工率在20％－30％，半導(dǎo)體用單晶硅企業(yè)開工率在80％－90％，無法實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷生產(chǎn)，多晶硅技術(shù)和市場仍牢牢掌握在美、日、德國的少數(shù)幾個生產(chǎn)廠商中，嚴(yán)重制約我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

    2、生產(chǎn)規(guī)模小、現(xiàn)在公認(rèn)的最小經(jīng)濟(jì)規(guī)模為1000噸/年，最佳經(jīng)濟(jì)規(guī)模在2500噸/年，而我國現(xiàn)階段多晶硅生產(chǎn)企業(yè)離此規(guī)模仍有較大的距離。

    3、工藝設(shè)備落后，同類產(chǎn)品物料和電力消耗過大，三廢問題多，與國際水平相比，國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)物耗能耗高出1倍以上，產(chǎn)品成本缺乏競爭力。

    4、千噸級工藝和設(shè)備技術(shù)的可靠性、先進(jìn)性、成熟性以及各子系統(tǒng)的相互匹配性都有待生產(chǎn)運(yùn)行驗(yàn)證，并需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)。

    5、國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力不強(qiáng)，基礎(chǔ)研究資金投入太少，尤其是非標(biāo)設(shè)備的研發(fā)制造能力差。

    6、地方政府和企業(yè)項(xiàng)目投資多晶硅項(xiàng)目，存在低水平重復(fù)建設(shè)的隱憂。

    1、發(fā)展壯大我國多晶硅產(chǎn)業(yè)的市場條件已經(jīng)基本具備、時機(jī)已經(jīng)成熟，國家相關(guān)部門加大對多晶硅產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)，科技創(chuàng)新、工藝完善、項(xiàng)目建設(shè)的支持力度，抓住有利時機(jī)發(fā)展壯大我國的多晶硅產(chǎn)業(yè)。

   2、支持最具條件的改良西門子法共性技術(shù)的實(shí)施，加快突破千噸級多晶硅產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，形成從材料生產(chǎn)工藝、裝備、自動控制、回收循環(huán)利用的多晶硅產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線，材料性能接近國際同類產(chǎn)品指標(biāo)；建成節(jié)能、低耗、環(huán)保、循環(huán)、經(jīng)濟(jì)的多晶硅材料生產(chǎn)體系，提高我們多晶硅在國際上的競爭力。

   3、依托高校以及研究院所，加強(qiáng)低成本工藝技術(shù)基礎(chǔ)性及前瞻性研究，建立低成本太陽能及多晶硅研究開發(fā)的知識及技術(shù)創(chuàng)新體系，獲得具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)。

   4、政府主管部門加強(qiáng)宏觀調(diào)控與行業(yè)管理，避免低水平項(xiàng)目的重復(fù)投資建設(shè)，保證產(chǎn)業(yè)的有序、可持續(xù)發(fā)展。

    單晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)，在晶格上整齊的、周期性的、平行的排列起來的硅原子晶體稱為單晶硅。

多晶硅也是單質(zhì)硅的一種形態(tài)，有兩個或兩個以上的單晶體組成的晶體硅稱為多晶硅。二者最根本的區(qū)別是硅原子的排列不同。單晶硅的硅原子排列是有序、整齊的。多晶硅的硅原子排列是無序、雜亂的。
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