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改良西门子法生产多晶硅的主要工艺流程及相关设备

基于TCS的改良西门子法仍是多晶硅生产最主要的方法,改良西门子法目前为全世界提供了85%以上的太阳能级多晶硅;截至2011年底,全球TOP4多晶硅供应商(保利协鑫、德国Wacker、美国Hemlock、韩国OCI)的18.165万吨产能中有18.1万吨是TCS改良西门子法,占比超过99.6%。


TCS太阳能级多晶硅综合成本的构成情况

如上图所示,电力成本、TCS(三氯氢硅)成本和折旧是多晶硅生产中最大的三项独立成本,分别占到总成本的32%、21%、16%;排在其后的是蒸汽成本和人力成本,占比降低到7%和6%;其他成本主要包括气体成本(如氢气、氯气)、用水成本、设备维护和保养成本等,占比达到18%。


改良西门子法生产多晶硅的主要工艺流程及相关设备:


改良西门子法生产多晶硅工艺如下: 

1、石英砂在电弧炉中冶炼提纯到98%并生成工业硅,  其化学反应SiO2+C→Si+CO2↑ 

2、为了满足高纯度的需要,必须进一步提纯。把工业硅粉碎并用无水氯化氢(HCl)与之反应在一个流化床反应器中,生成拟溶解的三氯氢硅(SiHCl3)。  

其化学反应Si+HCl→SiHCl3+H2↑  

反应温度为300度,该反应是放热的。同时形成气态混合物(Н2,НС1,SiНС13,SiC14,Si)。 

3、第二步骤中产生的气态混合物还需要进一步提纯,需要分解:过滤硅粉,冷凝SiНС13,SiC14,而气态Н2,НС1返回到反应中或排放到大气中。然后分解冷凝物SiНС13,SiC14,净化三氯氢硅(多级精馏)。 

4、净化后的三氯氢硅采用高温还原工艺,以高纯的SiHCl3在H2气氛中还原沉积而生成多晶硅。  其化学反应SiHCl3+H2→Si+HCl。 

     多晶硅的反应容器为密封的,用电加热硅池硅棒(直径5-10毫米,长度1.5-2米,数量80根),在1050-1100度在棒上生长多晶硅,直径可达到150-200毫米。 

 这样大约三分之一的三氯氢硅发生反应,并生成多晶硅。剩余部分同Н2,НС1,SiНС13,SiC14从反应容器中分离。这些混合物进行低温分离,或再利用,或返回到整个反应中。


在改良西门子法中,多晶硅生产主要关键设备有:氯化氢合成炉,三氯氢硅沸腾床加压合成炉,三氯氢硅水解凝胶处理系统,三氯氢硅粗馏、精馏塔提纯系统,硅芯炉,节电还原炉,磷检炉,硅棒切断机,腐蚀、清洗、干燥、包装系统装置,还原尾气干法回收装置;其他包括分析、检测仪器,控制仪表,热能转换站,压缩空气站,循环水站,变配电站,净化厂房等。

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