中國粉體網訊 目前，光伏發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，有業內專家判斷，顆粒硅有望引來多晶硅制造的一場顛覆性的技術革命。那么FBR法顆粒硅究竟是一個什么樣的工藝和產品？它與傳統多晶硅有什么不同？它又為何能異軍突起？
顆粒硅
（圖片來源：中國科技網）
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了利用氫氣還原三氯硅烷（SiHCl3）在硅芯發熱體上沉積的工藝技術，并于1957年開始了工業規模的生產，這就是通常所說的西門子法。在西門子法工藝的基礎上，通過增加還原尾氣干法回收系統、SiCl4氫化工藝，實現了閉路循環，于是形成了改良西門子法——閉環式SiHCl3氫還原法。
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（1）改良西門子法優點：
改良西門子法工藝成熟穩定，過程簡單可控，設備標化，容易復制和擴大。生產的硅料質量好致密度高，一直是全球多晶硅料生產的主要方法，市場占比超過80%。
改良西門子法也特別適合重工業基礎好、電力人工成本低、融資擴產也比較便利的中國，尤其是在電價便宜的西部。
（2）改良西門子法現存缺點：
①間斷生產高能耗
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過程，還原爐內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，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利用。一次轉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，影響晶體質量。破碎成本每公斤1-3元人民幣，在國外要1美元。國內便宜，是因破碎方式人工原始，帶入雜質的可能性更大。
柱狀多晶硅
（圖片來源：中國科技網）
2. 硅烷硫化床法——顆粒硅異軍突起
顆粒硅流化床法生產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，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。（流化床反應器結構圖如下）
（1）顆粒硅的競爭優勢
①生產成本低
根據保利協鑫數據，顆粒硅生產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，FBR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成本。根據保利協鑫數據，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/免破碎環節/減少復投異常/節省復投器/復投增量/初裝增量上可分別節省3%/1%/9%/1%/1%/3%/1%的成本。
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②無需破碎，生產過程自動化
顆粒硅無需破碎環節，更利于生產過程自動化，可通過飲水機模式減少包裝與人工環節，實現加料自動化（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，不利于后續投入生產；另外，顆粒硅表面存在氫鍵，熔化時產生氫氣易引起跳料。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，流化床顆粒硅生產技術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，一是因為產品性能穩定性和成熟度尚有待觀察，二是當前產能還比較少。
參考來源：中國科技網、雪球網、方正證券、保利協鑫、未來智庫等
（中國粉體網編輯整理/初心）
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