一、多晶硅原料是什么

多晶硅生產(chǎn)的原料是三氯氫硅和氫氣，按照一定的比例計(jì)入還原爐內(nèi)進(jìn)行熱分解和還原反應(yīng)產(chǎn)生多晶硅棒。

三氯氫硅是用氯化氫和工業(yè)硅粉在合成爐內(nèi)反應(yīng)生成，氯化氫是用氫氣和氯氣在氯化氫合成爐內(nèi)燃燒生成，氯氣是氯化鈉工業(yè)鹽水通過通電反應(yīng)生成，氫氣即可以用氯化鈉工業(yè)鹽水通過通電反應(yīng)生成。也可以用水通電電解生產(chǎn)。工業(yè)硅粉是用石英礦與碳在通電的情況下還原反應(yīng)生成工業(yè)硅塊，經(jīng)粉碎變成工業(yè)硅粉。

現(xiàn)價(jià)段，中國的多晶硅廠家都是直接購進(jìn)三氯氫硅，有合成三氯氫硅工序的很少。因?yàn)槿葰涔璧暮铣墒锹葰夂凸璺墼诟邏焊邷叵路磻?yīng)生成，類似于合成氨。所以一方面危險(xiǎn)性高，另一方面硅粉分離比較成問題，還有一方面投資也大。本來一個(gè)年產(chǎn)300噸多晶硅規(guī)模的不要合成三氯氫硅工序就要投資一億多，所以一般企業(yè)都不上。

二、多晶硅生產(chǎn)工藝流程

1、改良西門子法

改良西門子法是一種化學(xué)方法，首先利用冶金硅（純度要求在99.5%以上）與氯化氫（HCl）合成產(chǎn)生便于提純的三氯氫硅氣體（SiHCl3，下文簡稱TCS），然后將TCS精餾提純，最后通過還原反應(yīng)和化學(xué)氣相沉積（CVD）將高純度的TCS轉(zhuǎn)化為高純度的多晶硅，還原后產(chǎn)生的尾氣進(jìn)行干法回收，實(shí)現(xiàn)了氫氣和氯硅烷閉路循環(huán)利用。

改良西門子法包括五個(gè)主要環(huán)節(jié)：即SiHCl3合成、SiHCl3精餾提純、SiHCl3的氫還原、尾氣的回收和SiCl4的氫化分離。

改良西門子法是目前生產(chǎn)多晶硅最為成熟、最容易擴(kuò)建的工藝；目前，全球80%以上的多晶硅企業(yè)采用改良西門子法（閉環(huán)式三氯氫硅還原法）生產(chǎn)多晶硅，該法生產(chǎn)電子級多晶硅具有一定的優(yōu)勢，其沉積速率較快，安全性能較好，但是相比硅烷法（SiH4分解法）具有能耗高、副產(chǎn)品量較高、投資成本大等缺點(diǎn)。

2、硅烷法

硅烷法制備多晶硅主要技術(shù)是將冶金級硅粉與四氯化硅和氫氣轉(zhuǎn)化為三氯氫硅，再將三氯氫硅通過精餾工序提純及歧化反應(yīng)，生成電子級硅烷氣送至多晶硅反應(yīng)器，通過化學(xué)氣相沉積（CVD）生長成多晶態(tài)硅棒。

硅烷法是利用硅烷熱分解的方法制備多晶硅，反應(yīng)溫度低，原料氣體硅烷易提純，雜質(zhì)含量可以得到嚴(yán)格的控制。

3、冶金法

冶金法又稱物理冶金法，是指應(yīng)用冶金技術(shù)方法提純冶金級硅的過程，主要是以工業(yè)硅為原料，采用濕法冶金、真空熔煉、氧化精煉、定向凝固、特種場熔煉等技術(shù)組合而制備多晶硅的方法。

冶金法的特點(diǎn)是在提純過程中硅不參與任何化學(xué)反應(yīng)，依靠硅與雜質(zhì)物理性質(zhì)的差異，通過冶金熔煉的方法將雜質(zhì)去除，從而獲得滿足太陽能電池性能需求的多晶硅。冶金法是近年來正在發(fā)展的一種低成本、低能耗和環(huán)境友好的多晶硅制備的新技術(shù)。

4、流化床法

流化床法制造多晶硅需要用到流化床反應(yīng)器，具體反應(yīng)過程如下：將SiHCl3和H2由底部注入到流化床反應(yīng)裝置中，在加熱器和預(yù)熱氣體的雙重作用下把床層溫度提高到反應(yīng)所需溫度。硅烷氣體通過被加熱的硅顆粒床層時(shí)分解生成硅和氫氣，硅在硅顆粒表面沉積，硅顆粒長大到一定尺寸后形成產(chǎn)品，從反應(yīng)器底部取出。在流化床法制備多晶硅過程中，可通過反應(yīng)氣體的進(jìn)口速率調(diào)節(jié)系統(tǒng)流態(tài)化和氣體停留時(shí)間，從而提高轉(zhuǎn)化率。

5、硅石碳熱還原法

硅石碳熱還原法是利用C來還原SiO2進(jìn)行多晶硅的制備，反應(yīng)方程式如下：SiO2 C=Si CO2。這種多晶硅制備方法經(jīng)過Sintef公司改進(jìn)后，生產(chǎn)過程如下：在離子回轉(zhuǎn)爐中通過C對SiO2進(jìn)行還原，得到產(chǎn)物SiC，再將SiC投入到電弧爐中繼續(xù)和SiO2反應(yīng)，可以得到液態(tài)的硅。

實(shí)驗(yàn)表明，這種液態(tài)硅中雜質(zhì)含量非常少，幾乎只有C這一種雜質(zhì)。為了去除液態(tài)硅中的C元素，首先，需要將液態(tài)硅進(jìn)行冷卻處理，使溫度逐漸降下來，再對硅中的C進(jìn)行精煉，將硅進(jìn)行提純。當(dāng)溫度降低后，C將會(huì)與Si發(fā)生反應(yīng)生成SiC，進(jìn)而讓C從硅中分離出來。然后，向反應(yīng)裝置中注入Ar/H2O氣體，讓Si中殘留的C元素能夠以CO的形式分離出去。最后，使提純后的硅定向結(jié)晶，進(jìn)而得到多晶硅。通過這種方法得到的多晶硅，其中C元素的含量不超過0.0005%，由此可見，硅石碳熱還原法得到的多晶硅的純度相當(dāng)之高。

6、電解法

電解法采用電解硅酸鹽的方式得到純度較高的硅，在電解裝置中，以C作為陽極，反應(yīng)溫度控制在1000℃，在經(jīng)過一段時(shí)間的電解反應(yīng)后，Si單質(zhì)將會(huì)在陰極上附著，陽極生成CO2氣體。

電解反應(yīng)對電極材料的要求較高，這是因?yàn)樵陔娊夥磻?yīng)中，尤其是溫度較高的反應(yīng)條件下，電極極易發(fā)生腐蝕，進(jìn)而將新的雜質(zhì)引入反應(yīng)體系中，如B、P等，對硅的純度造成影響。以CaCl2作為熔鹽電解為例，使用石墨作為陽極，陰極采用特制材料。電解完成后，需要將陰極置于真空環(huán)境，通過熔點(diǎn)的不同可以將Si與陰極材料進(jìn)行分離，通過這種方法得到的硅的純度可以達(dá)到99.8%，在很大程度上避免了B、P等雜質(zhì)對硅的污染，極大地提高了多晶硅的純度。

7、氣液沉積法

氣液沉積法（VLD法）由日本Tokuyama公司研發(fā)，反應(yīng)物質(zhì)為SiHCl3和H2，通過這兩種物質(zhì)來制備多晶硅。SiHCl3與H2的反應(yīng)需要在石墨管中進(jìn)行，反應(yīng)溫度需要控制在1500℃左右。反應(yīng)物由石墨管的上部注入，經(jīng)過一段時(shí)間的反應(yīng)后，生成的Si將會(huì)以液態(tài)的形式聚集在石墨管的底部。

這種制備多晶硅的方式與西門子法相比，減少了硅棒破碎的過程。與流化床法相比，有效地解決了反應(yīng)器壁沉積的問題，促使Si的生成效率大幅度提高。