滿足“碳達峰、碳中和”要求光伏材料顆粒硅新工藝技術出爐

光伏產業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的硅料，均采用傳統的改良西門子法，這是最為成熟、應用最廣泛的工藝技術。而與改良西門子法生產的多晶硅相比，硅烷流化床法(FBR)生產的顆粒硅體積更小，能耗和成本大大降低。

投資減少30%，生產電耗降低65%，人員降低30%……

保利協鑫近日發布公告稱，該公司硅烷流化床法(FBR)顆粒硅1萬噸項目投產后，經過生產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、轉換效率均領先行業水準。

該公告發布后，引起資本市場和光伏產業界高度關注。

目前，光伏發電的上游原材料主要是改良西門子法制備多晶硅，FBR顆粒硅問世后，有業內專家判斷，顆粒硅有望引發多晶硅制造的一場顛覆性技術革命。那么FBR顆粒硅究竟是一個什么樣的工藝產品?它與傳統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日就這些問題對業內專家進行了專訪。

硅料的價格和質量對光伏發電至關重要

眾所周知，光伏產業有著一條明確而清晰的產業鏈，硅料、硅片、電池片、組件、應用系統是產業鏈上的5大環節。其中，硅料和硅片處于光伏產業鏈上游。

硅料環節不僅制造及研發門檻高，而且資金投入極大。同時，硅料的價格和質量對光伏發電的成本和效率也起著至關重要的作用。

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

硅料即多晶硅，光伏產業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的硅料，均采用傳統的改良西門子法，這是最為成熟、應用最廣泛的工藝技術。

“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%的工業硅粉，再與四氯化硅和氫氣反應得到三氯氫硅，經過精餾、提純、高溫還原、尾氣回收等一系列工藝流程，最終產出棒狀多晶硅。”保利協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，保利協鑫子公司中能硅業便開始自主研發顆粒硅技術，并通過收購海外資產，最終實現顆粒硅量產。

“保利協鑫顆粒硅采用獨創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制得顆粒狀多晶硅，單程轉化率可達99%，減少了尾氣回收和精餾環節，反應溫度也只有改良西門子法的60%，可以連續化生產，能耗和成本都大大降低。”蔣立民告訴記者。

據介紹，下游硅片廠家拿到傳統多晶硅后，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，相比于傳統多晶硅更適合新一代連續投料直拉工藝。

碳中和對光伏產業鏈提出更高要求

早在多年前，光伏產業鏈登陸國內之時，就有聲音質疑光伏產業鏈能耗高，造成的污染和溫室氣體排放高于發電收益。

隨著自主技術進步和實踐檢驗，這種質疑聲音已經逐漸消失。但是，硅料和硅片制造環節的較高能耗，不僅制約光伏發電的成本降低，也影響我國“碳達峰、碳中和”目標的實現。

據業內人士介紹，目前光伏產業鏈中能耗最高的是硅料制造環節，能耗占比達45%。2020年5月，工信部發布《光伏制造行業規范條件(2020年本》(征求意見稿)，該規范規定，新/擴建多晶硅綜合電耗不大于70千瓦時/千克。

“根據我們實測，FBR顆粒硅綜合電耗僅為18千瓦時/千克，遠低于行業規范。”蔣立民說。

我國已承諾，到2030年風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億千瓦以上，這將帶動大批光伏發電項目投建運營。根據工信部規范要求，記者沿著FBR顆粒硅和改良西門子法多晶硅的生產流程，分別對二者生產的多晶硅組件，在整個光伏產業鏈的路徑進行碳足跡溯源，可以看出，僅硅料環節生產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%，從整個產業鏈來看，生產1吉瓦組件至少可降低二氧化碳排放量47.7%。

憑借著產能、成本控制和技術等諸方面的優勢，世界光伏產業重心逐步向中國轉移。截至2019年，中國在多晶硅、硅片、電池片和組件環節的產量占全球比例均已超過60%，分別為67%、97%、79%和71%。

按照2020年國內硅料產能約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。根據瑞士蘇黎世聯邦理工學院研究推論，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。

為淘汰落后光伏產能，工信部規范已明確提出“光伏制造企業應采用工藝先進、節能環保、產品質量好、生產成本低的生產技術和設備”。

蔣立民向科技日報記者介紹，經過10年研究改進，FBR顆粒硅已經較好地解決產品質量、長周期連續運行、低成本等大規模產業化問題。2019年，實現了關鍵設備國產化及關鍵材料替代，保利協鑫還領銜主編了顆粒硅國家標準。未來，FBR顆粒硅將對我國光伏產業鏈碳減排起到至關重要的作用。