滿足“碳達峰、碳中和”要求光伏材料顆粒硅新工藝來了

來源：科技日報

作者：張曄  季天宇

光伏產(chǎn)業(yè)需要的多晶硅純度達99.9999％以上。目前，世界上絕大部分廠家生產(chǎn)的硅料，均采用傳統(tǒng)的改良西門子法，這是最為成熟、應(yīng)用最廣泛的工藝技術(shù)。而與改良西門子法生產(chǎn)的多晶硅相比，硅烷流化床法（FBR）生產(chǎn)的顆粒硅體積更小，能耗和成本大大降低。

投資減少30%，生產(chǎn)電耗降低65%，人員降低30%……

保利協(xié)鑫近日發(fā)布公告稱，該公司硅烷流化床法（FBR）顆粒硅1萬噸項目投產(chǎn)后，經(jīng)過生產(chǎn)運營及下游客戶使用實證，顆粒硅各項指標再獲新突破——頭尾壽命、尾碳、成晶率、單產(chǎn)、轉(zhuǎn)換效率均領(lǐng)先行業(yè)水準。

該公告發(fā)布后，引起資本市場和光伏產(chǎn)業(yè)界高度關(guān)注。

目前，光伏發(fā)電的上游原材料主要是改良西門子法制備多晶硅，F(xiàn)BR顆粒硅問世后，有業(yè)內(nèi)專家判斷，顆粒硅有望引發(fā)多晶硅制造的一場顛覆性技術(shù)革命。那么FBR顆粒硅究竟是一個什么樣的工藝產(chǎn)品？它與傳統(tǒng)多晶硅有什么不同又為何能異軍突起？科技日報記者4月2日就這些問題對業(yè)內(nèi)專家進行了專訪。

眾所周知，光伏產(chǎn)業(yè)有著一條明確而清晰的產(chǎn)業(yè)鏈，硅料、硅片、電池片、組件、應(yīng)用系統(tǒng)是產(chǎn)業(yè)鏈上的5大環(huán)節(jié)。其中，硅料和硅片處于光伏產(chǎn)業(yè)鏈上游。

硅料環(huán)節(jié)不僅制造及研發(fā)門檻高，而且資金投入極大。同時，硅料的價格和質(zhì)量對光伏發(fā)電的成本和效率也起著至關(guān)重要的作用。

近年來，光伏行業(yè)發(fā)展勢頭越來越猛，2020年我國光伏新增裝機規(guī)模48.2GW，同比增長60%。在終端市場帶動和國家法規(guī)的倒逼下，各家原料企業(yè)都在研發(fā)硅料新工藝。在這一背景下，顆粒硅逐漸走入人們視線。

硅料即多晶硅，光伏產(chǎn)業(yè)需要的多晶硅純度達99.9999％以上。目前，世界絕大部分廠家生產(chǎn)的硅料，均采用傳統(tǒng)的改良西門子法，這是最為成熟、應(yīng)用最廣泛的工藝技術(shù)。

“改良西門子法主要原理是，把石英砂放在電爐中冶煉還原制成99%的工業(yè)硅粉，再與四氯化硅和氫氣反應(yīng)得到三氯氫硅，經(jīng)過精餾、提純、高溫還原、尾氣回收等一系列工藝流程，最終產(chǎn)出棒狀多晶硅?！北＠麉f(xié)鑫研究院副院長蔣立民介紹說。

FBR顆粒硅也是多晶硅，但與改良西門子法多晶硅相比，顆粒硅更小，僅有綠豆般大。自2010年開始，保利協(xié)鑫子公司中能硅業(yè)便開始自主研發(fā)顆粒硅技術(shù)，并通過收購海外資產(chǎn)，最終實現(xiàn)顆粒硅量產(chǎn)。

“保利協(xié)鑫顆粒硅采用獨創(chuàng)的硅烷流化床法制造，將原料三氯氫硅歧化制得硅烷，硅烷在流化床中進行分解反應(yīng)制得顆粒狀多晶硅，單程轉(zhuǎn)化率可達99%，減少了尾氣回收和精餾環(huán)節(jié)，反應(yīng)溫度也只有改良西門子法的60%，可以連續(xù)化生產(chǎn)，能耗和成本都大大降低?！笔Y立民告訴記者。

據(jù)介紹，下游硅片廠家拿到傳統(tǒng)多晶硅后，還需要破碎、清洗然后用于拉單晶，而顆粒硅不需要破碎和清洗，可以直接投料拉單晶，而且流動性好，相比于傳統(tǒng)多晶硅更適合新一代連續(xù)投料直拉工藝。

早在多年前，光伏產(chǎn)業(yè)鏈登陸國內(nèi)之時，就有聲音質(zhì)疑光伏產(chǎn)業(yè)鏈能耗高，造成的污染和溫室氣體排放高于發(fā)電收益。

隨著自主技術(shù)進步和實踐檢驗，這種質(zhì)疑聲音已經(jīng)逐漸消失。但是，硅料和硅片制造環(huán)節(jié)的較高能耗，不僅制約光伏發(fā)電的成本降低，也影響我國“碳達峰、碳中和”目標的實現(xiàn)。

據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，目前光伏產(chǎn)業(yè)鏈中能耗最高的是硅料制造環(huán)節(jié)，能耗占比達45%。2020年5月，工信部發(fā)布《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件（2020年本》（征求意見稿），該規(guī)范規(guī)定，新/擴建多晶硅綜合電耗不大于70千瓦時/千克。

“根據(jù)我們實測，F(xiàn)BR顆粒硅綜合電耗僅為18千瓦時/千克，遠低于行業(yè)規(guī)范?！笔Y立民說。

我國已承諾，到2030年風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上，這將帶動大批光伏發(fā)電項目投建運營。根據(jù)工信部規(guī)范要求，記者沿著FBR顆粒硅和改良西門子法多晶硅的生產(chǎn)流程，分別對二者生產(chǎn)的多晶硅組件，在整個光伏產(chǎn)業(yè)鏈的路徑進行碳足跡溯源，可以看出，僅硅料環(huán)節(jié)生產(chǎn)1吉瓦顆粒硅可減排13萬噸二氧化碳，較改良西門子法降低74%，從整個產(chǎn)業(yè)鏈來看，生產(chǎn)1吉瓦組件至少可降低二氧化碳排放量47.7%。

憑借著產(chǎn)能、成本控制和技術(shù)等諸方面的優(yōu)勢，世界光伏產(chǎn)業(yè)重心逐步向中國轉(zhuǎn)移。截至2019年，中國在多晶硅、硅片、電池片和組件環(huán)節(jié)的產(chǎn)量占全球比例均已超過60%，分別為67%、97%、79%和71%。

按照2020年國內(nèi)硅料產(chǎn)能約43萬噸測算，由FBR替代西門子法每年將減少二氧化碳排放1927萬噸。根據(jù)瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究推論，一公頃樹冠面積每年可消耗205噸二氧化碳，1927萬噸二氧化碳需要9.4萬公頃樹冠面積，相當于每年多種了約9400萬棵樹。

為淘汰落后光伏產(chǎn)能，工信部規(guī)范已明確提出“光伏制造企業(yè)應(yīng)采用工藝先進、節(jié)能環(huán)保、產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)成本低的生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備”。

蔣立民向科技日報記者介紹，經(jīng)過10年研究改進，F(xiàn)BR顆粒硅已經(jīng)較好地解決產(chǎn)品質(zhì)量、長周期連續(xù)運行、低成本等大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化問題。2019年，實現(xiàn)了關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化及關(guān)鍵材料替代，保利協(xié)鑫還領(lǐng)銜主編了顆粒硅國家標準。未來，F(xiàn)BR顆粒硅將對我國光伏產(chǎn)業(yè)鏈碳減排起到至關(guān)重要的作用。