关于物理法多晶硅

在当前严峻的市场形势下，多晶硅----这个盛极一时的宠儿，谁会想到会落到今日这步田地，且在这么短的时间内？
于是乎，几个行外的记者走马观花发表了一通似是而非的外行话，更是将以讹传讹的言论搞得云遮雾绕。
一时间，多晶硅行业倍感秋风瑟瑟。但是，多晶硅市场究竟如何？谁知乎？
现在，据说物理法多晶硅已达到市场化应用的程度。这更使这个行业前景更加扑朔迷离。
闲暇之余，来论坛逛逛，看众位大侠都在讨论西门子法多晶硅。由哪位大侠对物理法了解？不妨一并说说看。

物理法生产多晶硅，也叫冶金法，国际上叫做UMG。约占占市场份额的1%。
物理法有许多好处，同样规模的多晶硅生产，物理法的投资只有西门子法的1/5、 生产成本只有其1/2，而且整个过程没有环境污染。
参考：http://www.materials.net.cn/newsInfo.asp?NID=451

展望2009冶金法多晶硅  
作者:史珺  　来源: 新材料产业网
“作为一个将走入千家万户的基础能源材料，利用的又是地球上任何一个地方都有的阳光，多晶硅必然存在一个更清洁和更低成本的生产方式。” 显然，这句话是针对西门子法生产多晶硅而言的，而这个“更清洁、更低成本”的方法就是物理法，也叫冶金法，国际上叫做UMG。
关于物理法与化学法的区别，笔者在2008年9月常州举行的《第十届中国太阳能光伏会议》的硅材料论坛上曾给出了一个定义，凡是在工艺中硅材料本身发生了化学反应的，就叫作化学法；凡是硅在整个处理过程中不发生化学反应的，就叫作物理法。考虑到硅是基质原料，因此，以硅是否发生化学反应来作为区分化学法和物理法的依据，应当是合理而充分的，而且在2008年12月9日上海召开的《2008国际太阳级多晶硅会议》上，厦门大学陈朝教授也提出了同样的说法，可以视作学术界对此说法的认同。
一、物理法
图1是西门子公司的代表在2008年12月份在上海举行的《2008国际太阳级多晶硅会议》上展示的，从这幅图片看出，无论是半导体还是光伏应用，现在世界上75%的多晶硅都是采用西门子法生产的。如果考虑到循环流化床法其实也只不过是西门子法的改进，而锌还原法和硅烷法都是西门子法的变种，那么可以说，直到2010年包括西门子法在内的化学法所生产的多晶硅仍将占到99%。剩下的那1%就是物理法生产的多晶硅，这小小的1%能够从“其它”的方法独立地脱颖而出，被单独标示出来，是因为物理法有许多好处，同样规模的多晶硅生产，物理法的投资只有西门子法的1/5、 生产成本只有其1/2，而且整个过程没有环境污染。
图1 各种不同工艺在2005年和2010年所占的比例
其实物理法不是新技术，自从1935年有人开始采用物理法提纯硅以来，在经历了1975年的研究热潮后，人们发现它提纯的理论纯度极限也只能到7N，而一般的半导体器件起码也要求硅的纯度在9N以上，这就是在1975年西门子法诞生后就被丢到墙角、无人问津的原因。但是，在这种方法沉寂了近30年之后的2004年，光伏应用如火如荼地发展了起来，而且太阳能所用的多晶硅纯度却只要达到6N就可以了，所以物理法又被人们从墙角尘封的瓦罐中找出来，再次开始了新一轮的研究；尤其是从2006年开始的多晶硅供需不平衡导致了更多人涌入物理法多晶硅研究的领域里来。
二、全球2008：惊鸿一瞥
2008年之前的物理法多晶硅大多停留在实验室和学术论文的层面，尽管日本JFE在2004年就宣布用电子束和离子束的方法开始了批量的生产，但从那以后，至少到2008年为止，JFE的UMG产能如果还存在的话，也并没有扩产和提高。挪威的Elkem公司2007年也宣布用了一种“新的、类似冶金的”方法来提纯多晶硅。美国的道康宁公司也宣布成功用冶金法提纯多晶硅，但是只能将物理法多晶硅以10%的比例与化学法制成的多晶硅掺在一起混合拉晶。
进入2008年，UMG反倒有些偃旗息鼓的意思，从2008年初直到5月份，似乎都没有什么动静。是加拿大的Timminco打破了这个沉寂的局面，这家从事有色金属冶炼的多伦多上市公司从2008年4月底开始，在一些小范围的财经公司推介会上谨慎地介绍了其属下的BSI工厂采用冶金法提纯多晶硅供太阳能电池用的消息，到了6月份，这个消息才在公众媒体上公开。
2008年6月初，在德国举办的INTERSOLAR会议上，另外一家加拿大注册、生产基地在中国的公司——CSI——宣布已经100%地采用UMG，生产出了E-系列太阳能电池，这种电池的效率为13.3%，而价格则比“普通”的电池便宜15%左右。这个消息意味着UMG已经进入商业化，尽管是以“经济型”的方式进入的。
2008年11月，两家美国公司先后宣布用UMG生产出了太阳能电池，一家是位于加利福尼亚州的CaliSolar， 为此，该公司成功地融资了1亿美元，用途是扩充其UMG电池的产能；另外一家是Blue Square Energy, 正试图融资2500万美元。两家公司的UMG太阳能电池转换效率均超过了14%。这时，世界由于美国的次贷危机进入了全球性的衰退，在经济危机的背景下还能进行如此规模的融资，这也显示出了UMG的魅力。
三、中国2008：峰会路转、山重水复
中国的物理法多晶硅从2005年起进入人们的视线，早在2006年，就有不少公司先后宣布已经成功地用冶金法提纯出了6N多晶硅，但这些宣布成功的物理法多晶硅从来没有在市面上出现过。2007年，又有许多家公司先后宣布已经成功地生产出了物理法多晶硅，有不少冶金法多晶硅项目宣布投产和开工建设，其中有不少还声称签订了数千吨的合同。仅从这些消息看，中国俨然成了物理法多晶硅的大国。
进入2008年，中国物理法多晶硅似乎开始理性回归，和全球的UMG同步，所有的人突然偃旗息鼓，动静再也不像以前那样大了。2008年4月底在北京九华山庄召开的《太阳能多晶硅制备新技术及产业链关键装备研讨会》上，与会的多个专家和代表都表示，当时采用物理法提纯多晶硅的纯度仅仅达到5N以上。在被问到何时可以实现大规模生产和应用的时候，大连理工大学谭毅教授表示，应该在“不远的将来”；南安三晶的老板郑智雄则说“我早已经在大规模生产了”；赛维的总裁佟兴雪则从用户的角度表示“两年内都不会考虑采用冶金法多晶硅”；最乐观的看法是，在2008年底物理法多晶硅将达到两个目标：“可以做出太阳能电池，达到可以大规模生产的程度”，这时没有人真的相信物理法能够很快进入实用领域。
到了2008年6月初，在上海召开的国际光伏与硅材料会议，物理法成为了会议的热点议题。在会议主办的“光伏领袖高峰论坛”上，赛维的彭小峰董事长大谈了自己对冶金法多晶硅的兴趣和已经做过的调研工作；而南安三晶的郑智雄虽然在会上大谈了冶金法多晶硅的缺陷，但他的一句话“想用桑塔纳的价格买一辆奔驰，有这个可能吗？”从反面衬托出了冶金法多晶硅成本低的特点。但直到这时为止，物理法多晶硅还是藏在幕后，似乎没有人可以明确说出来这种多晶硅到底能否使用。
    然而形势很快发生了变化，不久，苏州阿特斯宣布用100%的物理法多晶硅生产出了太阳能电池的消息，给了中国物理法多晶硅的业者很大鼓舞，同时也带来了很大的压力。2008年9月份，宁夏银星多晶硅宣布用冶金法多晶硅制成了电池，并且已经安装了100kVA由冶金法多晶硅制成的太阳能发电站。江西赛维宣布已经与德国Q-CELL公司签订了总量为2万t的硅片加工合同，而且这些硅片的材料全部是用冶金法来生产的。
在这样的背景下，2008年9月下旬在常州举行的国际太阳能会议上，物理法已经成了一个热门的话题。南昌大学周浪教授在会上介绍了在西班牙光伏展上多家太阳能巨头力挺冶金法多晶硅的情况；浙江大学杨德仁教授则介绍了物理法多晶硅有关技术方面的情况；上海普罗新能源有限公司也在会议上介绍了自己在物理法多晶硅方面的进展，并给出了详尽的成份数据和硅片、电池片的数据，包括磷硼的含量、硅片的电阻率和少子寿命以及电池片的光电转换效率。绝大多数业内人士对冶金法的怀疑不再是能不能用，而是何时可以大规模用的问题。
常州会议结束后的1个多月，在2008年11月初，常州天合也宣布成功地用冶金法多晶硅生产出了太阳能电池，效率达到14%，成为中国继阿特斯之后第二个采用冶金法多晶硅生产电池的企业。
但随后就爆发了金融海啸，国际形势一片萧条，太阳能电池片的价格暴跌了50%以上，其中大部分是因为多晶硅材料价格的暴跌，6N的材料价格从320万元/t跌到了120万元/t。在这种情况下，物理法多晶硅的成本优势变得比较微妙了，第一，多晶硅需求的减少使供需不平衡的局面得到缓解，导致对物理法的需求减少很多；第二，化学法多晶硅价格的下降使物理法的纯度弱势更显突出，掺料的需求也不再迫切；这一切导致了中国的物理法多晶硅进入了销售呆滞期。但同时随着价格的下降，化学法多晶硅的边际利润减少，而且目前中国的化学法多晶硅成本比国外普遍高出近1倍，如果国外大厂扩产的产能一旦释放，那么多晶硅价格可能就会跌到比国内厂商的成本还低的程度。
而物理法多晶硅由于具有成本优势，不仅是国外西门子法的最有力竞争者，而且也会使自己立于不败之地，因此不少新的投资者包括一些化学法多晶硅的投资者也将目光转向了物理法。2008年12月9日，在上海召开的《2008国际太阳级多晶硅会议》上，来自峨嵋半导体厂的丁中江副总经理在发言时谈到：“长期来看，改良西门子法不是产业发展方向，在各种新的多晶硅生产工艺上，冶金法应该排在第一，是最有希望的。”作为国内第一个西门子法生产多晶硅的工厂的高管，丁副总经理的这席话至少表明了业界的主流已经有这样的看法：物理法不仅值得重视，而且必须给予重视。
四、处境：山雨欲来、黑云压城
生产UMG多晶硅决不是一件轻而易举的事情，其低成本和高利润本身就意味着生产的难度之大。过去3年，当太阳能和微处理器行业激烈争夺多晶硅的时候，UMG硅的热潮逐渐兴起。不过到目前为止，众多UMG多晶硅制造商依然停留在很小的规模，所有公司都还在致力于解决那些阻碍UMG被广泛接受的技术障碍。物理法多晶硅的效率还不能像西门子法多晶硅那样高，其中，磷或硼等影响太阳能组件性能杂质的去除成为最主要的障碍。目前，大多数的UMG多晶硅被用来和西门子法多晶硅进行混掺使用，这样才能达到普通太阳能电池的效率。
目前，UMG所面临的最大问题就是纯度还不能完全满足太阳能电池的要求。通常的太阳能电池对多晶硅纯度的要求为6N，但现在全球所有的UMG多晶硅厂家都不能够证实自己的材料纯度可以达到6N，这样不仅所生产的电池效率达不到化学法多晶硅17%的商业化水平，而且还存在着衰减的现象。所谓衰减就是电池片刚生产出来的时候比较高，如大于16%，但光照后就很快衰减到13%~14%，甚至更低。物理法的这个问题使得UMG硅制造商不得不拼命地努力工作来证明其技术水平，同时，也使得UMG硅制造商只能依赖低价销售作为竞争的最大武器。Prometheus Institute 的总裁Travis Bradfords曾经说，“所以关键问题是，用UMG所生产的组件价格到底能够多廉价，而且要看是否能够廉价到诱使客户冒险来使用新产品。”
在2008年冬天到来的时候，全球的经济似乎也随着北半球的气候一起进入了冬季，与其它的资源类产品一样，多晶硅的价格也从500美元/kg的高位跌倒了150美元/kg。疲弱的市场和快速下降的多晶硅价格，就像突然之间从四面八方涌来的一股无边无际的强烈寒流，使得UMG多晶硅公司的精英们在解决技术问题之外，还同时要面临残酷的商业竞争。多晶硅不再那么紧缺，而自己的竞争对手——化学法多晶硅生产商不断调低销售价格，所有客户都不断削减可接受的购买价格，UMG硅生产商突然发现自己似乎很难顺利渡过这次金融海啸引致的经济低迷时期。
同时，对于一些多晶硅公司的诟病也开始在业内流传。National Bank Financial（NBF）的资产研究员Rupert Merer 在2008年11月的一周内2次调低了对加拿大Timminco公司的评级，并将Timminco公司的股票价格从每股20加元下调到每股10加元，理由是Timminco没有达到他们设定的降低产品成本的目标。Timminco公司在早些时候说生产的UMG多晶硅成本只要10~15加元/kg，比多晶硅价格的一半还低，但是，公司的第三季度成本只能降低到31元/kg，而第二季度的生产成本为32元/kg；同时，Timminco的销售价格却按照每季度18.5%的比例逐季下降，从65元/kg下降到了53元/kg，这对于太阳能电池的用户应该是好消息，但对Timminco的财务报表却不是。为此，Timmico不得不将2008年早些时候所公布的产能扩张延迟。它的主要竞争对手之一，挪威的Elkem也面临着同样的麻烦，宣布可能不能按期完成与Q-CELL公司的供货合同。
随着金融海啸的肆虐，全球UMG行业大有黑云压城城欲摧、山雨欲来风满楼之势。
五、2009展望：脱胎换骨、柳暗花明
虽然2008年物理法多晶硅的厂家没有大肆宣传，但还是传出了不少的消息。可以生产出能够制造太阳能电池的物理法多晶硅的中国厂家已经有南安三晶、上海普罗、宁夏银星、厦门佳科等，如果把那些将自己的原料与其它的硅料混掺，再铸锭或拉晶后才能生产太阳能电池的厂家算进来，数量则要多得多。
对于这些UMG的制造商来说，即将到来的2009年将会是艰苦的一年。目前的经济气候给太阳能产业也注入了不少恐惧，但疲弱的市场需求其实还不是UMG所面临的唯一问题，UMG面临的主要问题还是要尽快将纯度提高，然后必须解决的问题是纯度的稳定性度。现在，业界对UMG的看法甚至是稳定度比纯度更加重要，如果品质稳定，即便是5N的UMG多晶硅也一样可以用来生产太阳能电池；而如果品质不稳定的话，即便是用6N的材料来生产电池也会有问题。
现在，虽然全世界的UMG厂家都使用冶金法或者物理法，但其实各家的工艺都不相同，各有各的高招，各有各的软肋，这次金融危机其实将对UMG产业进行一次大的洗牌。技术粗糙、资金实力又不强的公司将停滞不前，但由于目前形势犹如逆水行舟，不进则退，所以，这些公司将逐渐脱离行业主流，只能专攻一些缝隙市场。对于技术底蕴深厚、又有资金实力的公司， 2009年将是大踏步前进的一年，这些公司应当尽快将自己的工艺进行优化和整理，解决目前质量不稳定的问题，进入真正的工业化生产，他们将是2009年物理法多晶硅的主角。而那些技术虽然落后、但资金实力也较强的公司，如果能够认识到自己的不足，取长补短，或者与技术先进的公司进行合作，那么也将能够赶上来，否则，也容易被淘汰出局。
作为太阳能电池组件主要原料的一种更便宜替代品，UMG多晶硅已经在光伏产业销售了很长时间，但直到2008年才首次100%地用UMG生产出了太阳能电池。随着越来越多的电池厂家采用UMG来生产电池，UMG电池的效率也将不断提高。预计2009年UMG的纯度将达到6N级，所生产的光伏电池效率将越来越高，在2009年6月底以前就可望达到16%以上，2009年底将达到17%以上，而且，还会出现效率超过20%的N型UMG光伏电池。相应地，UMG的纯度将不断提高，质量的稳定性也会越来越好。从金属硅到多晶硅的提纯工艺将会越来越成熟、越来越简化，所有这些技术进步都会导致UMG的成本越来越低，预计到2009年底，UMG的成本将降低到20美元/kg以下。到2009年底，中国UMG的产量预计将达到5000t以上，这还仅仅是直接用来生产UMG电池的，没有包括那些与化学法多晶硅进行混掺的部分。
2009年，将会出现几个完全用UMG光伏电池组成的、装机容量超过10MWp 的大型太阳能发电站，整个电站系统投资的成本将下降到3万元/kW以下。
六、如果供需缓解，UMG还有生命力吗？
物理法多晶硅之所以倍受重视，是因为化学法的产能不足，造成供求不平衡，人们试图另辟蹊径，希望增加一个供货的来源。现在，因为化学法多晶硅产能增加，而市场需求又骤然减少，供求矛盾大大缓解，所以才出现价格下跌的状况。如果化学法多晶硅的供应能够满足光伏的需求，人们还需要物理法多晶硅吗？
从一个角度看，人们会产生这样的疑问。但如果从另外一个角度看，假如冶金法多晶硅真的能够进入这个产业，并且能够替代化学法多晶硅来生产光伏电池的话，那么冶金法多晶硅的成本优势将使西门子法多晶硅在光伏产业遇到大麻烦。物理法多晶硅有3个方面的优势，首先没有污染，第二投资小，第三成本低。用户更关心的是成本，现在，国际上的西门子法成本大约在30~40美元/kg，国内改良西门子法的成本则在60~70美元/kg，而物理法多晶硅的成本则在20美元/kg左右。此外，同等规模工厂，物理法的投资只有西门子法的1/5，例如，一个1000t的多晶硅工厂，冶金法做一个从金属硅到多晶硅环节的工厂，投资只要2亿元就足够了，而一个西门子法的工厂至少需要10亿元，而且其间的折旧成本相差多大，可想而知，再加上成本差异，投资的回收孰短孰长，毋庸多言。
设想一下，假如2009年多晶硅的价格降到60美元/kg，会出现什么局面？国际的多晶硅厂家还有近50%的毛利；物理法多晶硅厂家即便以40美元/kg销售（考虑到纯度可能还不能达到6N），依然和国际的西门子多晶硅厂商一样会有50%的毛利；而国内改良西门子法的多晶硅厂将只能维持生产成本和日常费用，投资回收遥遥无期，甚至连折旧都不能摊销，数十亿元的资金可能会打了水漂，那个时候可能会引发许多问题。
不过令人欣慰的是，尽管国内外对UMG的硅生产商有不少负面消息，但几家国际的大厂如Timminco和DC Chemical都在规划和建设新的制造工厂；国内也有几家千吨级的物理法多晶硅生产线在建设中，而且与前两年不同，是那些已经用自己的多晶硅生产出了电池的厂家在扩建生产线，而不是纸上谈兵。尽管存在技术和制造障碍，UMG硅公司也还是在不断地吸引新的用户，用户数量一直在增加，而且越来越多的行业巨头加入了UMG用户名单。