太阳能多晶硅的“中国梦”

上海普罗新能源有限公司    史珺

 

中国多晶硅的发展回顾

早在二十世纪五十年代,中国就开始了多晶硅的研究,最早的是洛阳半导体厂和峨嵋半导体厂。随后,伴随着半导体技术的发展,中国又陆续在陕西、河北等地设立了多个多晶硅厂,或者在一些化工厂内设立了多晶硅车间。六十年代,“文化大革命”的十年浩劫中断了中国多晶硅的研发进展。改革开放后,由于我国电子工业的主体思路是重整机而轻器件,作为器件上游的多晶硅就更加被轻视,导致中国的多晶硅的研究继续停滞,技术远远落后于欧美。

2005年,德国可再生能源法的通过引发了光伏产业的发展热潮。由于光伏电池对于多晶硅的需求量要远远大于半导体行业对硅的需求,因此,多晶硅的需求量随之猛涨,多晶硅的价格也从稳定了二三十年之久的每公斤二十多美元的水平一路飙升。2005年,每公斤多晶硅的价格达到50美元,2006年底超过100美元,2007年底,则超过了300美元,到了20088月,多晶硅价格达到顶点,每公斤的市场现货价最高曾达到480美元。“拥硅者为王”,成为当时光伏界的信条。

价格的飙升吸引了大量的投资。相比之下,中国的投资者比国外的投资者要疯狂得多。在2006年,洛阳半导体厂成立了洛阳中硅,峨嵋半导体厂分出了四川新光,开始从事多晶硅的大规模生产。后来,峨嵋半导体厂又与东方汽轮机厂合资成立东汽峨半,继续从事多晶硅的生产。但是,一开始,这些公司的进展都不顺利,直到2008年,整个中国才生产了几百吨。

但是,高额的利润继续吸引着大量的投资。四川永祥、万州大全、青海亚洲硅业、宁夏阳光、扬州顺大、鄂尔多斯等等,仿佛在一夜之间,全国树立了大大小小近百家多晶硅企业。据估计,全国范围内,多晶硅企业的投资高达1400亿元人民币。

20089月开始的金融海啸使得多晶硅的价格在半年内从480美元跌到了50美元以下,众多的多晶硅企业戛然停产。但是,2009年,光伏产业成为众多行业中复苏最早的行业,多晶硅的价格从50美元开始上升,到了2010年,回到了90美元以上。这些多晶硅企业开始生产,其中不少企业在这期间确实赚到了一些钱,回收了一部分资金。

光伏产业的快速发展浪潮在2011年一季度达到了顶点。从20114月起,由于欧债危机、美国双反,市场对于光伏产业的信心受到打击,光伏市场的增速低于预期,导致了光伏产业的产能相对过剩。中国企业为了回笼资金开始进行残酷的竞相杀价,使得光伏组件的价格一路走低,从2011年一季度的15/瓦,降到了2013年初的3.8/瓦。而多晶硅的价格自然也不能幸免,价格从70万元人民币/吨,一直降到了14万元人民币/吨。2013年初,甚至还到过8万元人民币/吨的超低价。而中国绝大多数的多晶硅厂家的成本都在25万元人民币/吨以上,因此,90%以上的多晶硅工厂停产,就成了再自然不过的景象。2012年,我国进口了超过7.6万吨多晶硅,而国内产量还不到3万吨。

2008年后多晶硅经历的两次低谷中,始于20089月金融海啸的第一次来得凶猛而剧烈,但恢复得也较快,低谷只延续了半年多的时间;而始于20114月的第二次全球经济大萧条,则是长期下调,跌幅虽慢,但持续时间却非常长,直到现在的20135月,也未见恢复的迹象。而两次危机给多晶硅所造成的价格的总跌幅都差不多,第一次,跌幅达到90%,从480美元/公斤跌到了50美元/公斤;第二次是从70万元人民币/吨,跌到10万元人民币/吨以下,跌幅也达到了85%。但给多晶硅产业造成的伤害,第二次却要严重得多,几乎可以说是致命的。

国外厂家的冷酷打击

值得注意的是,这两次危机中,国际的多晶硅厂家受到的伤害,都远远小于中国的多晶硅企业。如前所述,中国的多晶硅企业现在大面积停产,其中宁夏阳光等企业已经宣布破产,其余的许多也已经宣布“可能永远不会复工”。而在第一次危机前,国际上多晶硅厂家有“七巨头”之称,德国瓦克,挪威的REC,美国的HEMLOCKMEMC,日本的三菱,德山,这些国际巨头在两次危机中,虽然利润有所下降,或者有所亏损,但都没有到破产倒闭的程度。这是为什么呢?

早在1998年的“金融风暴”时,这些国际多晶硅巨头也曾经经历过一次惨痛的教训。当时的IT泡沫,使得电脑和通讯用的芯片产量大增,这些厂家也先后进行了大幅的扩产运动,但金融风暴和随后的IT泡沫破灭,使得半导体芯片的需求量大跌,导致了全球几乎所有的多晶硅厂的扩产产能都完全不能投产,有数十亿美元有去无回。一朝被蛇咬,十年怕井绳。有了那次惨痛的教训作为“前车之鉴”,这些厂家在2005年到2007年的光伏产业大潮兴起的时候,是以十分谨慎的态度来看待多晶硅的价格上升的。他们并没有为利所动随之大幅扩产,而是静观其变,看看光伏这个靠政府补贴的市场能够支撑多长时间。因此,在2008年的金融海啸到来之际,他们并没有受到很大的伤害。当然,他们的这种谨慎的态度,也使得这些厂家错过了赚取巨额利润的机会。因为,在多晶硅价格高涨至400美元/公斤之际,这些多晶硅巨头的出货价格却因为与大多数用户签订的都是“长单”价格,只能按照70美元/公斤的价格对老客户进行销售。

2009年中开始,光伏产业掀起了第二次高潮,这些巨头们也开始了稳健的扩产计划。WACKER公司的产能从2007年的3500吨增加到2万吨,HEMLOCK的产能从2008年的5000吨增加到了5万吨,其余的也均进行了一倍到数倍产能的扩产。虽然扩产的速度都很快,但是中国企业家们当时忽视了一个事实,那就是,国外厂家缘于长达四十年的生产经验和工艺的优化,多晶硅的生产成本一直控制在25美元/公斤以下,而国内的大多数厂家却都在40美元以上。这使得中国与外国多晶硅厂家的竞争在一开始,就不是一个起跑线上。但当时的较高的市场价格使得这个后来证明是中国多晶硅企业致命伤的问题一直被漠视。

如果能够给中国厂家足够长的生产时间,中国企业也能够通过工艺优化逐渐降低自己的成本。但是,冷酷的国际多晶硅的巨头们决定不让中国的企业有机会渡过这个降低成本的重要阶段。于是,借着2011年开始的二次萧条,国际多晶硅巨头开始了对中国多晶硅企业的价格阻击战。

2011年以后的多晶硅价格的第二轮下跌,并不是由中国企业挑起的,而是国际厂家主动发起的。而且,国际市场多晶硅价格下跌的曲线,与中国做得最好的多晶硅企业的成本下降曲线,几乎完全吻合。因此,这就形成了从20114月起,中国仅有一家多晶硅企业的成本能够与市场价大致持平,而其余的绝大多数的多晶硅企业每吨都要亏十万元人民币以上,部分每吨甚至要亏二十多万元。对于年产能在数千吨以上的多晶硅工厂来说,这意味着每年数亿元的亏损。没有工厂能够长期承受如此巨额的亏损,也没有工厂有这个必要承受这样的亏损,因此,中国多晶硅工厂的大面积停产就成为一个必然。

但是,多晶硅的工艺装置并不是能够无代价闲置的。通常,如果停产时间超过两年,关键的装置和管道将因腐蚀而报废。本来,这两年是中国多晶硅企业最重要的成本过渡期,应当在这个阶段通过工艺优化而降低成本,但是现在却只能白白地眼看着自己花巨资建造的精馏塔、合成塔、氢氯化装置、管道、还原装置等慢慢锈蚀、报废,看着自己的投资渐渐化为尘烟。这种令中国企业欲哭无泪的悲惨景象,正是国际多晶硅巨头的计划和目标。

2013年初,国际多晶硅厂家给了中国的多晶硅最后一击。这时,多晶硅的价格跌破了12万元/吨,也就是20美元/公斤的国际厂家的成本价,这个价格,使中国成本最低的保利协鑫也出现了亏损。但所幸这个价格仅仅维持了不到两个月就恢复到了14万元/吨的国际厂家成本线以上,但即便如此,保利协鑫也在2012年亏损了3.5亿元港币。而这已经是2012年中国的多晶硅企业最好的业绩了。

成本:西门子法的命门

德国的光伏补贴客观上成就了中国成为世界上最大的光伏组件生产国。美国虽然还没有像德国那样对于光伏进行那么大规模的补贴,但是,美国人以特有的冷战思维作了提前的打算。他们绝对不希望美国纳税人的钱通过光伏补贴的方式流向中国。而光伏组件价格近两年的持续下降,使美国和欧盟意识到,光伏成为支柱能源已经不再是遥远的未来。而任何一个“负责任的大国”都不会让一个支柱能源的器件和装备制造依赖于别国,而且是一个意识形态完全不同的国家,这就是美国和欧盟先后发起“双反”诉讼的根本原因。

但是, “双反”这种贸易保护主义的大棒,并不能保护欧美的光伏企业。国际多晶硅巨头们虽然有成熟的技术和丰富的市场经验,可他们还是忽略了一个基本的事实,那就是,光伏的成本下降是必然的趋势,光伏发电对于多晶硅的成本的要求,们目前的主流工艺无法保证的。

几乎全世界的多晶硅厂家所用的工艺都是被称为“西门子法”的工艺。这个工艺有很多优点,但唯一的缺点就是能耗过高导致的成本过高,不能满足光伏发电对多晶硅的成本需求。目前,西门子法从金属硅后的制粉、三氯氢硅合成、精馏、还原以及尾气循环到最后的多晶硅产出等各个环节的总能耗约在160千瓦时/公斤以上。对于半导体用硅来说,西门子法的成本不是问题。但是,光伏发电目前最大的问题就是成本偏高。而作为光伏电池最主要的原料----多晶硅,成本当然是决定光伏发电成本的关键因素。无论是中国的还是外国的企业,只要采用的是西门子法,多晶硅的成本都不可能下降到满足光伏发电“平价上网”的程度。

于是,新的工艺也在不断的被探索中。硅烷法,是不少人曾经寄以厚望的新工艺。硅烷法一样可以达到西门子法的纯度,而且成本更低。但硅烷这种有个天生的缺点,就是一旦接触空气就要爆炸。从1970年以来,尽管世界上曾经先后有过二十多座硅烷法的多晶硅生产线(产能均小于500/年),但几乎无一例外的以爆炸而告终。而最近所谓的新硅烷法,无外乎就是用大量氢气来稀释硅烷以提高爆炸容限,再加上流化床工艺。这样,爆炸的危险虽然有所降低但有限,而成本却大大提高。更重要的是,这种危险一旦发生,就是致命的,其危害的程度不亚于大规模杀伤性武器。即便真的有吃熊心吞豹胆的企业家敢于建厂,任何地方政府都不会同意的。

中国也曾有两家企业试图采用硅烷法,而且都已经开始建厂,一家是位于保定的英利集团的六九硅业,一家是浙江衢州的中宁硅业。但是,这两家工厂都没有能够完成,先后终止了项目建设。最近,保利协鑫也宣布要采用硅烷法,但是否真的会上马,还有待观察。

硅烷法的不顺利正是国际西门子法多晶硅厂家愿意看到的。因为,只要没有新的工艺,只要击溃了中国的多晶硅企业,他们就可以回到2007年以前“七巨头”称霸世界的局面,将他们的垄断地位长期保持下去,来分享光伏带来的巨大的多晶硅市场盛宴。从某种程度上来说,他们确实得逞了,因为,他们几乎已经将所有的中国多晶硅企业一举全歼了。但是,他们却忘了一件最根本的事情,那就是,这几年光伏产业的迅速发展,使“拥硅者为王”的形势发生了变化,变为“成本为王”。这些西门子法巨头们真正的敌人,并不是中国的多晶硅企业,而是新的、成本更低的工艺。而这种工艺,并不是人们曾经一度以为的硅烷法。

国际冶金法多晶硅的发展

考虑到光伏发电与火力发电最终要趋向一致(如果不是更低的话),硅的价格应当保持在10美元以下,这个价格是用西门子法无法达到的成本,同样也是硅烷法无法达到的成本。这就是为什么冶金法得到多国的科学家和企业家青睐的原因之一。除了成本的原因外,冶金法受到青睐还有一个原因,就是纯度。西门子法可以得到9N以上的纯度,但光伏所需要的纯度在7N以下,而且最合适的纯度应当在6.5N左右。目前,光伏行业的下游工厂在购买了西门子法生产的多晶硅以后,还要进行掺杂,掺杂的方法是在拉单晶或者是铸造多晶时加入硼硅合金,这显然造成了能源的双重浪费。而冶金法的理论提纯纯度,恰巧就在6~7N之间,冥冥中注定是为光伏所准备的工艺。

国际上,从事冶金法多晶硅研究的科研机构,包括夫琅和费研究所、日本东京大学、九州大学、挪威科技大学等。但是,与硅在半导体应用发展早期的研究一样,冶金法提纯太阳能级硅的关键的技术进展也是由企业为主导进行的。日本的JFE(川崎制铁)的试验从2001年就开始了,他们倾向于使用等离子体束和电子束对磷硼进行去除,并取得了良好的效果。但是,他们的工艺成本一直高居不下,这使得JFE后来不得不放弃了冶金法多晶硅的研究。JFE的不少科学家后来分别到了新日铁和夏普公司,继续从事冶金法多晶硅的研究和应用。但是,2012年中,新日铁也传出了要出售其冶金法多晶硅的部门资产的消息,2013 年初,夏普公司也开始在中国寻求技术合作。

欧洲的冶金法多晶硅的研究的企业代表是ELKEM公司。这是一家原本从事金属硅和有机硅生产的公司。他们采用炼钢中所用的合成渣洗的工艺,来代替日本人所用的等离子体束和电子束,然后再用酸洗(湿法冶金)加上在定向凝固的方法得到太阳能级的硅。他们得到了6N的纯度,并在2008年建成了第一条2000吨年产能的生产线。另一个3000吨的生产线原计划在2010年建成,但一场火灾和随后的光伏萧条延迟了这条生产线的建设。2011年初,这家公司被来自中国的蓝星化工收购,尽管后者感兴趣的是他们所拥有的欧洲有机硅市场份额,但ELKEM从事冶金法多晶硅提纯的技术团队得以保留。

在北美,最早提出宣布冶金法多晶硅的是道康宁公司。2008年,他们宣布用一种“不同于西门子法的工艺”生产出了成本较低的多晶硅,这种多晶硅可以与道康宁旗下的HEMLOCK公司所生产的西门子法多晶硅混掺使用。由于HEMLOCK当时是世界上产能最大的西门子法多晶硅公司,因此,道康宁对于冶金法的研究投入并不是太大也就不那么令人惊讶。

加拿大的TIMMINCO公司是从事铝镁和金属硅生产的公司。他们旗下的BSI公司在2008年宣布采用一种“独特的、成本很低的”工艺生产出了纯度为6N的太阳能级硅,并销售给了德国的Q-CELL公司和生产基地位于中国的CSI公司,前者是当时世界上最大的光伏电池生产商。BSI公司采用的工艺是天然气燃烧加热进行渣洗,然后粗略定向凝固后酸洗。在2008年下半年的金融海啸后,TIMMINCO公司对于BSI在冶金法多晶硅的研发上的投入就越来越少,到了2011年,BSI49%的股份被道康宁收购,但太阳能多晶硅的部门并未出售,这个部门坚持到了2012年,由于一笔400万美元的贷款未被银行通过,他们被迫宣布将太阳能多晶硅的部门(内部称为HP1)的所有资产全部出售。

除了BSI外,加拿大还有一家6N SILICON公司采用铝熔的方式也在进行多晶硅的冶金法提纯。该公司2010年被来自美国加州的CALISOLAR公司收购,后者还曾宣布过计划于2011年在美国建立一个年产15000吨的冶金法多晶硅工厂,但2011年光伏市场的萧条后,就没有再听到过该公司的消息。

中国冶金法多晶硅的产业状况与中国西门子法多晶硅的进程有些类似。这种类似主要表现在光伏高峰期的一哄而上和随后低谷时期的销声匿迹。但不同的是,冶金法多晶硅由于是新技术,因此,真正大规模投产的企业很少,这也使得中国冶金法多晶硅企业所受的创伤不是那么严重。

2005年起,中国就有大批的从事金属硅生产的公司开始进行冶金法多晶硅的提纯工作;由于早期的这些公司没有与学院派的科学家合作,因此,在取得了一定限度的(也曾经是令人激动的)进展后,就偃旗息鼓了。这期间,由于多晶硅的价格一度高得惊人,还引来了不少别有用心的逐利者;在2008年前,最多的时候,中国从事冶金法多晶硅的企业数量高达30多个。关于冶金法的各种五花八门和稀奇古怪的工艺让人眼花缭乱,这些混乱和真假不一的信息,使得冶金法多晶硅技术发展受到了严重的伤害。

2008年金融海啸后,中国从事冶金法多晶硅的企业数量锐减为个位数。2009年,又有不少新的公司进入冶金法多晶硅的研究和生产,到了2011年第二季度,多晶硅价格的持续下跌再次使得中国不少企业对于冶金法多晶硅技术的研究失去了信心。其实,真正具有洞察力的企业家已经认识到,多晶硅市场价格的下跌,使得冶金法多晶硅的低成本优势比以往任何时候都更有价值,“成本为王”的时代,从这个时候才开始。

中国冶金法多晶硅的崛起

近几年,国际多晶硅厂家之所以能够通过操控市场价格来对中国的多晶硅企业进行剿杀,原因就在于他们手中掌握着西门子法的工艺,因而能够以更低的成本来与中国的多晶硅新手们竞争厮杀。而中国企业在冶金法多晶硅领域的努力,将使这种情况获得改变。

在中国光伏产业蓬勃发展的大背景下,冶金法多晶硅的研究在中国取得了令人瞩目的进展。尽管早期的冶金法研究存在一些混乱,但这种混乱状况从2009年下半年起获得了根本扭转。对这个转变起了决定性的作用、并让中国的冶金法多晶硅的研究和开发后来有了长足进步的,是中国冶金法多晶硅联盟的成立。这个联盟包括了二十余家企业和研究机构,包括厦门大学、东北大学、中国科学院、中山大学、北京科技大学、大连理工大学、昆明理工大学等多家著名的大专院校,以及上海普罗、宁夏发电集团、厦门佳科等企业。上海普罗新能源有限公司的史珺博士担任首届理事长。联盟聚集了中国真正在从事冶金法多晶硅的主流科学家和企业家,使得大家有了一个交流的平台,同时,也有了一个关于冶金法多晶硅研究进展的权威的官方发言机构。

联盟于20096月在厦门市组织召开了中国第一届冶金法太阳能多晶硅技术研讨会,。20109月,该联盟又主办了世界上第一届冶金法多晶硅国际研讨会,这次会议在中国西北的宁夏银川的沙湖国际会议中心召开。两次会议的参加人数都大大超出了预计。银川会议发表了80多份报告和近百篇论文,中国从事冶金法多晶硅的研究机构之多、研究程度之深、企业取得的进展之大,让来自美国、加拿大、澳大利亚、日本、德国和挪威的专家都大吃一惊。20118月,借助第八届国际先进材料与技术大会(IFAMST8)召开之际,联盟在日本福冈召开了第二次国际冶金法多晶硅研讨会,该研讨会被列为IFAMST8的一个分会场,史珺博士任分会场主席。

2011年后,中国从事冶金法多晶硅的产业技术开发的企业已经数量锐减,不少处于暂停或暂缓的阶段,但大部分都保留了冶金法多晶硅的研发平台。作为中国冶金法多晶硅联盟的理事长单位,上海普罗一直坚持用最低的成本、最低的能耗来发展自己的工艺路线。无论市场行情如何,从来没有被市场的价格波动所影响。2012年,上海普罗完成了对冶金法多晶硅提纯工艺的第三代技术的改进,形成了被称为PM法的新的工艺。这种方法采用合成渣洗的工艺作为第一步除硼,然后通过定向凝固进行金属去杂;之后再通过一个叫做DVC的装置,对硅液进行真空雾化脱气提纯和等离子体提纯,最后再进行一次真空定向凝固提纯。由于DVC装置内部有使硅液循环的机制,使得等离子体束在除硼时对硅的损耗大大降低,而巧妙的雾化使得比表面积大大提高,因而大大改善了真空提纯和脱磷的效果。PM法不仅成功地提高了纯度,使得冶金法多晶硅能够达到近7N的水平,而且保证了生产过程中质量的均匀性。更重要的是,该装置使得年产一万吨的产能得以在仅仅数千平方米的场地里实现,并且将生产成本降低到了10美元以下。第一个PM法多晶硅工厂于2013年初开始在河南某地兴建,计划于2013年第四季度竣工投产。预计该厂的单位能耗在低于12千瓦时。

在进行大规模产业化的同时,中国冶金法多晶硅联盟还于2011年承担了一项由国家科技部支持的国家科技支撑计划,目前也正在申报“973”和“863”计划。承担这些科技计划的主要目的是建立关于冶金法太阳能多晶硅大规模清洁生产的科学基础和研究体系,这对于冶金法多晶硅的大规模生产和成本的进一步降低,起到重要的学科支撑作用。

实现多晶硅的“中国梦”

无论是上面提到的上海普罗的冶金法多晶硅进展,还是冶金法联盟开展的关于冶金法多晶硅提纯的基础科学层面的研究,中国在全球冶金法多晶硅领域的技术水平,都已经达到了国际领先的水平。这样的情形,在我国光伏和其它行业,都是十分罕见的。这种技术领先,将彻底打破欧美长期以来在多晶硅领域的技术垄断,使中国企业获得以前从未有过的竞争优势和市场话语权,真正实现多晶硅领域的“中国梦”。

但是,中国长期落后造成的思维惯性使得无论是投资者还是政府,对这种情况都理解得十分缓慢,大多数人还是觉得中国人在某种技术上能够领先于世界,是件难以相信的事情。因此,上海普罗和冶金法联盟要想证明自己,只能通过一个途径,那就是实现冶金法多晶硅的大规模生产,否则任何研究进展都会失去价值和光彩。

一个新的工艺要实现大规模生产,不仅要有全新的、可靠而实用的工艺,还要自行研制全套的新设备,当然,所有的前提是还要获得足够的投资。在目前的中国,尤其是光伏行业,要满足这些前提十分困难。所幸的是,在国家发改委、工信部、科技部以及各省市政府的大力支持下,这些条件都正在逐一地得到满足。可以说,中国现在已经具备了冶金法多晶硅大规模生产工艺的成功的外在条件,但多晶硅的“中国梦”归根结底是中国企业的梦,最终的大规模工艺生产的实现还是要靠企业家和科学家们通过自身的努力来完成。我们有理由相信并期待中国的科学家们和企业家们的成功,现在,我们要做到的就只剩下一件事:把这些年所有的努力在第一套万吨级的生产线上体现出来,成功实现太阳能级冶金法多晶硅的大规模生产,实现多晶硅的“中国梦”。

 

2013年04月16日

太阳能多晶硅的“中国梦”

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