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太阳能行业近期发展状况

导读:


    太阳电池发电具有清洁、无污染、安全、取之不尽、用之不竭的特点。在当今世界资源短缺、环境污染和生态恶化的情况下,开发我国丰富的太阳能等清洁可再生能源,以替代煤炭、石油等日益紧缩的化石能源,是实现可持续发展的必由之路。
    2005年世界太阳能产业受到德国及欧洲其它国家可再生能源法的拉动进入快速发展期,太阳电池的产量达到1818MW,比2004年的1256MW增加了45%,虽然比2004年68%的增长量稍低,但也是近年来增幅较大的一年。与2004年相比,中国和欧洲的产量增加明显,表4给出了2004年和2005年世界前十大太阳电池厂的排名。
    2006年太阳能产业的平均增长速度超过60%。欧盟在1997年颁布可再生能源发展白皮书,提出2010年可再生能源占欧盟总能源消耗的12%,2050年达到50%。英国和德国都承偌2010年和2020年可再生能源的比例分别达到10%和20%。日本2010年安装760万千瓦的太阳能电池。美国2020年占发电装机增量的15%,达到3600万千瓦。
    从排名可以看出,04年排名较后的两家欧洲公司,德国的Q-Cell和SchottSolar分别上升到了第2位和第6位,可见欧洲市场的启动对于欧洲公司有地利优势。另外,中国的无锡尚德和台湾茂迪也分别从去年的并列第10位上升到第8位和第9位。2005年中国太阳电池总的产量约为150MW,其中绝大部分用于出口,自用产品仅为5至10MW。中国在05年有大量的企业上马了太阳电池生产线,估计在06年将会形成超过1000MW的产能。表5列出了据不完全统计的06年各生产厂家的太阳电池的产能。
    2005年由于受到多晶硅原材料的限制,减缓了太阳能电池行业的发展速度,表6给出了近年来世界硅材料的产能与产量的情况。
    半导体多晶硅是半导体产业最重要的基础功能材料和发展基础,多晶硅生产主要集中在美、日、德三国,世界多晶硅市场由7家公司占有。目前认为多晶硅生产的临界规模为2000t/a,年产1000t以下规模从经济上讲是不合理的,摩托罗拉、信越、小松、德克萨斯等著名半导体公司的多晶硅厂,由于规模小、不经济都停产了。
    国外多晶硅生产能力由表6可见,在2003年以前,世界硅材料产能过剩,但是自04年起产量接近产能,到05年除了MEMC之外,所有厂家全部达到产能极限,近三年产量增长迅速,但是产能增长却不大,同时也可以看出产量受到产能限制非常明显。虽说近期美国Hamlock半导体公司承诺增产,但是这需要一定的周期,估计在06年底有一定的新产能会释放出来,但是大的硅材料厂在扩产方面非常谨慎,其主要原因是Hamlock公司就曾在90年代应半导体行业的要求而将其产能从3000多吨扩产到7000吨,但是其投产工作刚做完,就遇到半导体行业的泡沫经济,使其产能严重过剩,至今硅材料厂家仍心有余悸,这些厂家一般要求大的太阳电池厂家预购订单,下订金后,才愿意按照订单扩产,由于这种方式也导致扩产速度的缓慢。我国目前仅有四川峨嵋和洛阳中硅两家多晶硅生产厂家,由于受到技术和成本的限制,技术落后、规模小、成本高,2004年多晶硅的年产量仅60吨,05年产量约为120吨,远远无法满足需要。
为适应多晶硅市场的发展需求,改变半导体硅材料受制于人的被动局面,国内厂家计划新建多晶硅生产线,以扩大其生产能力,2005年以前在建的有:
    1.四川新光硅业科技有限责任公司:建设规模年产多晶硅1000吨,引进俄罗斯工艺技术。
    2.洛阳中硅高科技有限公司:建设规模年产多晶硅300吨,利用国内试验成果的产业化工程。预计2005~2006年相继建成投产。该公司目前正在计划扩产到2000吨。
    除了硅材料和太阳电池环节外,太阳电池产业链中的其它环节也出现迅猛的发展,在硅棒的拉制、硅锭的浇铸、切片、电池的封装、电池产业相关设备的制造、太阳电池平衡系统的制造等方面都有了很大的发展。中国在硅棒拉制及加工方面的大型企业有:晶龙实业、锦州华日、常州天合等;在多晶硅的浇铸方面有:天威英利、江西赛维、浙江精工太阳能、宁波晶元等企业。我国单晶硅产量接近3000吨,浇铸多晶硅产量接近1000吨。我国在电池产业链的设备制造方面已有部分替代进口:中国电子科技集团公司第48所和七星华创的扩散炉、西安理工大学的单晶炉、清洗台、封装成套设备均已达到世界水平。
    总而言之,2007年是世界太阳电池产业大发展的一年,太阳电池不仅受到了产业界的瞩目,也受到科技界、政府、证券市场的重视。随着世界石油价格的不断高涨,太阳能电池产业必将持续红火下去。
    展望2008年以后的世界太阳能电池市场,可以认为太阳能级晶体硅的供货会更加趋紧,因为太阳能电池的产业链中的硅片制造、电池片生产的产能持续扩大,但是,多晶硅提纯的产能无法达到预期,因此硅材料紧张程度将达到高峰,价格将会持续上涨,大宗订货的价格将在100美元以上,小宗销售价格将达到400美元以上。中国太阳电池的产量将超过美国成为世界第三大生产国,而产能更可能超过欧洲成为世界第二。中国在太阳能级单晶硅的拉制和多晶硅锭的浇铸方面将可能成为世界主要供应商之一。在设备制造方面,中国可能突破多晶硅浇铸炉、PECVD设备等技术瓶颈。但是2007年对中国太阳能产业的最大预期将是中国千吨级多晶硅提纯生产线的投产。
    多晶硅生产方法
    多晶硅用途
    硅在地壳中的含量仅次于氧,其含量达25.8%。硅自1808年发现至今近200年,但硅的工业规模生产都是本世纪初开始的。随着科学技术的发展,工业硅的用途越来越广泛。
    工业硅是生产半导体级多晶硅的原料,是半导体工业的最重要的基础功能材料,作为现代科学的一个重要领域的半导体工业,他的发展及其在各个领域中的广泛应用,极大的推动了科学技术进步和经济增长,对现代化工业、农业、国防和人类生活的影响日益广泛深入,在近代技术和国防工业中的日益占有重要的地位。微电子技术是半导体的核心和关键,而半导体材料多晶硅则是微电子技术的基础和最重要的功能材料,被称之为半导体产业的"粮食",甚至国际上称现在的时代为"硅时代"。
    众所周知,由于硅具有一系列的优良性能,是集成电路、整流器件、功率晶体管、太阳能电池的理想材料,是最重要的半导体材料,硅被称之为半导体之王,95%的器件都是半导体材料制作的。
   多晶硅产品是单晶及硅片的唯一原料,用多晶硅加工制成的硅片(硅抛光片、太阳能电池片),主要用于集成电路、整流器件、功率晶体管、分立器件、探测器、太阳能电池等半导体器件。用多晶硅作原料生产的半导体器件广泛用于计算机、通信设备、汽车电子设备、工业电子设备、太阳能电站、宇航以及国防军工系统。总之多晶硅是人类社会进步、国民经济各个部门及国防技术装备等领域不可缺少和替代的最重要的功能材料之一。
    多晶硅生产技术
    国外多晶硅的生产方法很多,各种生产方法围绕提高产品质量、降低产品成本进行着激烈的竞争,方法本身不断完善、工艺技术不断改进、设备不断更新,力求自己处于优胜者地位。各种生产方法经过了长期的演变和工艺技术的变更,目前多晶硅的生产方法主要有西门子法和新硅烷法,西门子法分传统西门子法和改良西门子法,由于原料不同,新硅烷法分棒状和粒状两种。
    改良西门子法是目前占绝对优势的生产方法,绝大部分多晶硅都是用该方法生产的,占2004年世界生产能力的74%。1955年西门子公司的E.Spenke等人研究成功在硅棒发热体上用氢还原三氯氢硅来制备多晶硅,1957年开始大规模工业生产,在生产多晶硅厂中采用西门子法工艺的工厂最多。改良西门子法是在传统西门子法工艺基础上发展起来,主要包括氢化、精馏提纯、还原及尾气干法回收。其流程特点是采用闭路循环系统,用氢化工艺将副产物四氯化硅转化为三氯氢硅,大大降低了原料消耗,使用大型不锈钢钟罩节电还原炉,能耗低。
    本工艺还在发展中,逐渐取代了传统西门子法。
    美国从70年代后期致力于廉价多晶硅生产工艺的研究,UCC公司首先开发了独特的硅烷生产新工艺,称为新硅烷法。该工艺克服了老硅烷法的缺点,不需采用较昂贵的硅镁合金,而以四氯化硅为原料,包括氢化、歧化、热分解、氢回收等,且呈闭路循环,几乎无副产物排出。
    新硅烷法近几年发展较快,确定有许多改良西门子法无比拟的优点。诸如硅烷热分解温度较低、耗电少、硅烷容易提纯、产品纯度高、硅烷中硅含量较高(87.5%)、原料消耗低等,是一种有发展前景的新工艺。但硅烷是易燃易爆气体,不易保存,生产安全问题不如改良西门子法易于处理。硅烷热分解炉比较复杂,硅棒直径受到限制,这也是该方法尚待解决的问题。
    粒状多晶硅是采用流化床法生产的,经过十余年开发研究,美国奥本爱尔(ALBEMARLE)公司(由MEMC合并)于1987年建成了年生产能力为1250吨的粒状多晶硅生产线,生产能力占1998年多晶硅生产能力的7%左右。流化床法生产粒状多晶硅的最大特点是热效率高,耗电仅为改良西门子法的1/10。多晶硅生产成本低,也为直拉单晶硅连续拉制奠定了基础。粒状多晶硅是个很好的方法,但由于粒状表面积大,容易被污染是生产中特别关切的问题。
    多晶硅质量指标
    目前生产的多晶硅产品质量基本上能满足集成电路及功率器件发展的技术要求,用户可不经腐蚀、清洗直接装炉。多晶硅质量指标好,产品稳定,多晶硅N型电阻率都在1000Ωcm以上。表7、表8、表9为几家代表性厂商的多晶硅质量指标。
    多晶硅生产的主要工序都应用计算机控制,自动化水平和设备装备水平都较高,为多晶硅向大直径化和大型节点还原炉方向发展创造了条件。多晶硅棒直径可达200~250mm,日本三菱高纯度硅公司已有硅棒49对棒、棒长2000mm、产品直径150~200mm,每炉产量4500~5000kg的大型还原炉投入使用。
    多晶硅主要生产技术经济指标降低原辅材料及动力消耗,降低成品成本,提高经济效益,是发展多晶硅的关键。合理的工艺流程,对成品成本及质量起着决定性的作用。
    多晶硅生产技术不断发展和完善:
    1.改良西门子法技术的不断完善与发展,使原辅材料及能耗大为降低,产品成本也随之降低,每公斤多晶硅成本为20~25美元。
    2.新硅烷法技术不断取得进展,除保证多晶硅的纯度较高的特点外,直径也从原来的不足100mm增大至140mm,晶粒多晶硅已规模生产,产能达2700t/a。
    3.多晶硅生产均采用闭路循环工艺流程,使副产物得以合理、充分的利用。
    国外多晶硅市场现状及前景
    多晶硅市场与半导体市场息息相关
    半导体的应用范围在不断扩大,从应用计算机扩展到电子通讯系统、汽车产品、工业自动化、家用电器和国防系统,从而使半导体的需求日益增加,市场呈现一片繁荣景象。
    半导体硅材料是半导体工业的基础,是主要的基础功能材料,是半导体工业发展的依托,两者是互为促进的关系,硅材料市场走向与半导体工业密切相关。随着世界各国信息高速公路的发展,从而促进半导体的需求日益增加,半导体市场一直十分兴旺。
    进入90年代,电子信息产业持续健康发展,促进了半导体市场的繁荣,也带来了硅材料工业的兴旺,年均增长率为12%。半导体硅材料曾一度出现供不应求的局面。
    近年来,受金融危机影响,世界半导体市场处于低迷,1998年是世界半导体市场自90年代中期以来最差的一年,销售额仅为1222亿美元,下滑15.4%左右。受其影响,半导体硅材料需求量增幅明显减缓,多晶硅需求量下降为15000t,比1997年的16050t减少6.5%,产品供过于求。
    随着经济的复苏,世界各国信息产业的发展,世界半导体市场好转,2004年进入70年代以来第七个增长期,全球半导体销售额创历史新高,达2136亿美元,比上年增长29.9%。预计今后几年半导体市场销售将有所增加,表11列出半导体市场销售额。
    60年代,半导体工业特别是在IC方面,美国占极大优势,70年代日本IC工业兴起,形成美国、日本、欧洲三级的局面。与之相应硅片的生产也集中在这些地区。亚太地区在世界半导体占有率由2000年的25.1%上升到2004年的40.2%,跃居第一位。由于亚太地区半导体市场及IC生产的增长在四极中是最快的,与之相应硅需求量在各地区的增长也是最快的。
    阳光工程促进多晶硅需求
    太阳能是取之不竭的无污染绿色能源,各国政府都致力于"新阳光计划"或"太阳能百万屋顶计划",进行太阳能电池制造技术的研究开发,随着光电转换效率的提高和制造成本的降低,太阳能电池的普及速度逐年提高,太阳能电池用多晶硅消耗量逐年增加。
2004年太阳能电池为1000MW,多晶硅消耗量为8700吨,实际产量为7650吨,太阳能电池用多晶硅缺口1000吨,若太阳能电池以30%以上速度增长,多晶硅严重不足是可预见的。表12列出了近年来世界太阳能电池产量及其多晶硅量。全球多晶硅供应日趋紧张
    多晶硅产品是单晶硅及硅片的唯一原材料,硅片大部分用来制作集成电路,其市场走向跟半导体集成电路市场密切相关,进入20世纪90年代以来,在半导体市场的推动下,多晶硅生产能力不断扩大,产量逐年增加,1993~1996年曾出现多晶硅供不应求的局面。多晶硅生产能力从1994年的10500t增至2003年的26700t,年均增长率为11%。预计2004年生产能力及产量分别达27500t及25000t。
    随着半导体工业的发展,硅片需求旺盛,太阳能电池产量大幅度增加,多晶硅需求量将以年均增长10%以上的速度增加。2004年已出现多晶硅供不应求,价格上涨的局面。
    2004年太阳能电池用多晶硅供给缺口约1000吨,到2007年预计半导体用多晶硅将超过20000吨以上,太阳能电池用多晶硅近20000吨,目前的生产能力远不能满足日益增长的需求,需扩大其产能来适应市场的消费。
    日本及亚太地区多晶硅缺口较大:
    日本是单晶硅及硅片主要生产国,2004生产单晶硅6027吨,同时也是进口多晶硅最多的国家,每年需进口多晶硅5000吨以上,如2003年进口6899吨,来满足国内市场的需要。
    亚太地区包括韩国、马来西亚、新加坡、印尼、中国台湾和香港,该地区没有多晶硅生产厂,所需多晶硅全部依赖进口,每年进口2000吨以上。70年代前美国半导体工业占绝对优势,70年代形成了美国、日本、欧洲三极局面,90年代形成了美国、日本、欧洲、亚太地区的四极局面,据WSTS发表的数据显示,日本及亚太地区的市场份额占46%以上。
    太阳能是取之不竭的绿色能源,世界各国对太阳能发电充满了浓厚的兴趣,从20世纪70年代太阳能电池商品化以来,太阳能电池产量以较高的速度逐年增加,目前全球太阳能生产为1GW,预计2010年将达到4.6GW。目前太阳能电池的生产主要以晶体硅太阳能电池为主,占其世界总产量的83.8%,世界各国政府对太阳能发电充满了浓厚兴趣,制度了"新阳光计划"或"太阳能百万屋顶计划",阳光工程将促进太阳能电池硅片及多晶硅的用量大幅增加。

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