多晶硅，太陽能電池和半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中的主要材料來源。在全球光伏行業(yè)初興的2004年前后，光伏級多晶硅料一度是制約我國光伏制造業(yè)發(fā)展的瓶頸。中國的多晶硅生產(chǎn)到底經(jīng)歷了哪些嚴(yán)苛的技術(shù)封鎖？國內(nèi)企業(yè)又是如何實(shí)現(xiàn)突破直至達(dá)到世界領(lǐng)先水平？
呂錦標(biāo)，2003年3月加入?yún)f(xié)鑫集團(tuán)，2007年從集團(tuán)上?？偛縼淼交I建中的江蘇徐州多晶硅生產(chǎn)基地，一呆就是7年，他見證了協(xié)鑫進(jìn)軍光伏行業(yè)、布局多晶硅基礎(chǔ)材料生產(chǎn)的全過程，在他的眼中，協(xié)鑫乃至中國光伏企業(yè)的多晶硅生產(chǎn)之路正是整個(gè)中國光伏行業(yè)從弱到強(qiáng)的縮影。
“想去參觀人家的工廠，對方直接回絕，門都沒有”
2004-2005年前后，全球的光伏市場已經(jīng)開始“爆發(fā)”，國內(nèi)也已經(jīng)有一些企業(yè)借著這股東風(fēng)在組件生產(chǎn)上小有作為。
雖然國內(nèi)組件生產(chǎn)商已經(jīng)可以在全球市場上跟跑，但最頭痛的問題是材料受制約。所謂“兩頭在外”，就是指主要原材料多晶硅需要從國外巨頭進(jìn)口，生產(chǎn)出的組件產(chǎn)品需要出口到國外市場，中國光伏企業(yè)僅僅是扮演了代加工的角色。
世界范圍內(nèi)，能夠生產(chǎn)多晶硅料的企業(yè)屈指可數(shù)，產(chǎn)量也十分有限。而且當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)有成熟的市場，光伏卻是新興的闖入者，所以，硅料廠商一定是優(yōu)先保障半導(dǎo)體企業(yè)的需求后才輪到光伏。
光伏企業(yè)只能和半導(dǎo)體企業(yè)搶多晶硅料。當(dāng)時(shí)，世界范圍內(nèi)多晶硅料的年產(chǎn)量約在3萬噸，其中只有不足1萬噸可以供給光伏企業(yè)。半導(dǎo)體行業(yè)所用的多晶硅料比光伏級多晶硅純度要高，成本也更高，但國際上老牌的多晶硅生產(chǎn)企業(yè)都和半導(dǎo)體企業(yè)有長期的供貨協(xié)議，即便是光伏級多晶硅料的市場價(jià)格已經(jīng)達(dá)到三四百美金，而半導(dǎo)體級多晶硅料只有幾十美金，他們也不會對半導(dǎo)體企業(yè)停供，兩者的長協(xié)合同是非常牢固穩(wěn)定的。
那時(shí)，協(xié)鑫正在著手進(jìn)入光伏行業(yè)，也看到了中國光伏制造核心材料受制于人的痛點(diǎn)。
其實(shí)，早在上世紀(jì)五六十年代，中國著手研究半導(dǎo)體，其間就有一些多晶硅生產(chǎn)企業(yè)興起，到七十年代末，全國已經(jīng)有十五六家多晶硅生產(chǎn)企業(yè)分布在上海、重慶、四川、江西等地，但關(guān)鍵的生產(chǎn)技術(shù)卻一直控制在德國、美國、日本等國無法實(shí)現(xiàn)突破。
國內(nèi)企業(yè)要生產(chǎn)多晶硅料，就一定要突破關(guān)鍵技術(shù)。雖有這樣的認(rèn)知，但2006年前后真正進(jìn)入行業(yè)才意識到，國外的技術(shù)封鎖是多么嚴(yán)苛，根本沒有技術(shù)交流的渠道。
多晶硅料的生產(chǎn)工藝主要有有四個(gè)步驟：第一步生產(chǎn)原料三氯氫硅；第二步是將三氯氫硅提純；第三步將提純后的三氯氫硅進(jìn)入還原爐還原，得到純高度的多晶硅；最后一步也是最關(guān)鍵的部分，在還原過程中會產(chǎn)生大量包括四氯化硅等在內(nèi)的尾氣，要將尾氣轉(zhuǎn)化成三氯氫硅再循環(huán)利用，這是最難的一步，也是我們尋求技術(shù)突破的關(guān)鍵。只有實(shí)現(xiàn)了四氯化硅到三氯氫硅的循環(huán)，才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本的多晶硅生產(chǎn)。
德國瓦克公司是當(dāng)時(shí)世界領(lǐng)先的多晶硅生產(chǎn)企業(yè)，從1959年開始就已經(jīng)是超純多晶硅的工業(yè)級生產(chǎn)商。瓦克在江蘇張家港投資了一個(gè)有機(jī)硅工廠，我們通過商務(wù)渠道去母公司溝通，希望去參觀人家的德國多晶硅工廠，對方直接回絕，門都沒有。此后，我們的工程師利用出差的機(jī)會到了德國，瓦克的多晶硅廠就在一個(gè)小鎮(zhèn)里面，廠區(qū)四周都是大片樹林植被的圍墻，根本就進(jìn)不了那個(gè)區(qū)域，更不用說參觀了，什么都看不到。
“最大的收獲是買到了還原爐，至少知道這是個(gè)什么東西，然后才有了后面的國產(chǎn)設(shè)備”
雖然參觀、交流都沒能成功，但我們卻在當(dāng)?shù)卣业搅艘患覟橥呖斯S提供設(shè)備支持的私營企業(yè)。
這家企業(yè)主要生產(chǎn)還原三氯氫硅的還原爐，產(chǎn)量也不大。老板叫謝斯納，年過七十卻特別能喝酒，53度的茅臺用紅酒杯干，干幾杯答應(yīng)發(fā)爐子，但還是屢屢爽約。謝斯納的廠主要生產(chǎn)12對棒還原爐，正適用于千噸級產(chǎn)線，當(dāng)時(shí)中國大陸扎堆上十幾個(gè)項(xiàng)目。
我們從謝斯納的工廠買了還原爐，2007年第四季度協(xié)鑫在江蘇徐州建成了第一條1500噸/年的多晶硅產(chǎn)線，用的就是這些爐子。
其實(shí)，無論是在國內(nèi)還是國際上，裝備的升級都要依靠工廠的生產(chǎn)探索，技術(shù)的改進(jìn)也消化在裝備中的。比如還原爐，在購買時(shí)設(shè)備廠商會提供諸如加壓、控溫等環(huán)節(jié)的基本技術(shù)參數(shù)，但在設(shè)備運(yùn)行過程中一定會涉及到參數(shù)的優(yōu)化，這就關(guān)系到裝備的變更升級。例如哪里需要挪個(gè)孔、哪個(gè)需要挪個(gè)位置，在工廠不斷優(yōu)化生產(chǎn)的過程中，裝備才會升級。后來，在2008年第二條1500噸/年產(chǎn)線投產(chǎn)的時(shí)候，國內(nèi)的企業(yè)就已經(jīng)可以生產(chǎn)還原爐。當(dāng)時(shí)，我們已經(jīng)著手從12對棒放大到18對棒、24對棒、36對棒，放大后設(shè)備布局不一樣，需要我們的技術(shù)人員和國內(nèi)企業(yè)重新計(jì)算，但我們已經(jīng)可以做到了。
現(xiàn)在想來，找德國最大的收獲是買到了還原爐，至少知道這是個(gè)什么東西，然后才有了后面的國產(chǎn)設(shè)備，當(dāng)然也有來自日本和美國的一些裝備。
現(xiàn)在，無論是江蘇還是新疆的工廠，設(shè)備國產(chǎn)化率都已經(jīng)超過了95%，與進(jìn)口設(shè)備相比，國產(chǎn)設(shè)備采購和后續(xù)運(yùn)行、維護(hù)成本要低30%以上。
“業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先企業(yè)一直觀察著中國的多晶硅生產(chǎn)，認(rèn)為中國從上世紀(jì)六七十年代開始就進(jìn)行嘗試，始終沒有成功，肯定做不起來，但我們就是成功了，我們做到了”
技術(shù)突破并不是在哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)上突然就有了怎樣的巨變，而是通過一點(diǎn)一滴的嘗試逐步實(shí)現(xiàn)的。
其實(shí)在2007年第一條徐州產(chǎn)線上馬的時(shí)候，最關(guān)鍵的工藝流程四氯化硅向三氯氫硅轉(zhuǎn)化并沒有完全突破，氫化處理工藝是在同步研究和中試的。所以，當(dāng)時(shí)的很多工藝嘗試也是在第一條產(chǎn)線上試運(yùn)的，從這個(gè)角度講，首條1500噸/年的產(chǎn)線在一定程度上也起到了試驗(yàn)場的作用。
既然沒有現(xiàn)成的工藝包，外出取經(jīng)也沒能成功，我們就只能自己研究摸索。從上世紀(jì)五十年代開始的研究雖然沒有重大的技術(shù)突破，但卻積累了部分專業(yè)人才。當(dāng)時(shí)，為了突破這最關(guān)鍵的一環(huán)，國內(nèi)化工、半導(dǎo)體、電子、電力等行業(yè)的工程師以及化工設(shè)計(jì)院、裝備制造企業(yè)都參與其中。后來，國內(nèi)精細(xì)化工行業(yè)的工程師從有機(jī)硅制備中得到啟發(fā)，最終沖破了氫化這道技術(shù)難關(guān)。多晶硅生產(chǎn)過程產(chǎn)生的尾氣非常多，實(shí)現(xiàn)了從四氯化硅到三氯氫硅的循環(huán)，我們才可以真正控制成本并且實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)從而擴(kuò)大規(guī)模。
在兩條1500噸/年的產(chǎn)線上馬后，國內(nèi)的技術(shù)已經(jīng)不斷走向成熟。在2008年全球金融危機(jī)前，協(xié)鑫接連擴(kuò)產(chǎn)，連上三條5000噸/年規(guī)模的產(chǎn)線，總規(guī)模達(dá)到18000噸/年，一躍成為亞洲第一大多晶硅生產(chǎn)商。
這時(shí)候國際上的一流企業(yè)包括那些曾經(jīng)把我們的技術(shù)交流人員拒之門外的公司是非常震驚甚至懷疑的。其實(shí)，業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先企業(yè)一直觀察著中國的多晶硅生產(chǎn)，認(rèn)為中國從上世紀(jì)六七十年代開始就進(jìn)行嘗試，始終沒有成功，肯定做不起來。但我們就是成功了，我們做到了。
現(xiàn)在，協(xié)鑫在對國外技術(shù)和設(shè)備引進(jìn)吸收、集成再造并國產(chǎn)化的基礎(chǔ)上，對氯氫化、反歧化、高效化學(xué)氣相沉積等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行大量自主創(chuàng)新，獨(dú)創(chuàng)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的GCL法多晶硅超大規(guī)模清潔生產(chǎn)技術(shù)。這一工藝法完全實(shí)現(xiàn)了物料的全循環(huán)利用，與目前國際三大多晶硅生產(chǎn)企業(yè)Hemlock、OCI、瓦克所采用的工藝相比，流程更短、物料和能量利用率更高，不僅極大地降低生產(chǎn)成本，而且實(shí)現(xiàn)多晶硅的清潔生產(chǎn)、綠色制造，完全零排放，總體技術(shù)水平已經(jīng)處于國際領(lǐng)先地位。
