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深度剖析:光伏和半导体行业都离不开的“硅”

来源:网络整理 编辑:采集侠 时间:2018-02-13

在上海自然博物馆入口的一面墙上有这么一句话:“如果宇宙是答案,那么什么是问题?”不同世纪的岩层、多样的生物以及人类走出非洲后的全球迁徙,原来我们花了100万年才进入青铜时代,而现代科技的发展却是加速度的几何倍增长,我们就这样从碳基时代悄无声息的切换到了硅基时代。

  在上海自然博物馆入口的一面墙上有这么一句话:“如果宇宙是答案,那么什么是问题?”不同世纪的岩层、多样的生物以及人类走出非洲后的全球迁徙,原来我们花了100万年才进入青铜时代,而现代科技的发展却是加速度的几何倍增长,我们就这样从碳基时代悄无声息的切换到了硅基时代。

  碳,驱动世界万物生长,驱动机械的运动;硅,驱动着能源与计算,驱动高阶进化。如果有一天,硅基文明将能源和计算合为一体,如果人类将被取代,那么,是否现在就该问问“什么是答案”。

  一、硅产业链

  人类走过石器时代、青铜时代、铁器时代、蒸汽时代、电气时代,在聚集和相互融合的过程中是一场旷日持久的信息积累与交互,聚集能量塑造文明。而人类的文明应该以什么来定义?也许有人认为是科技进步,或是科技进步后的经济水平,从物质的角度来看,我觉得或许可以是材料。如果以工业革命来划分,前两次是煤炭与石油的应用,第三次人类社会的变革引领便是计算机,相对应的便是“碳时代”与“硅时代”。

  自硅晶体的半导体特性被发现和运用之后,几乎改变了人类的思维方式,一是光伏的发明将太阳光辐射能直接转换为电能,二是制成各种集成电路。前者拓展了清洁能源的边界,而后者的发明更是为现代信息奠定基础。

  无论是光伏还是半导体,原料都离不开硅。地球上存在的硅是极为常见的一种元素,广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中,不过它极少以单质的形式在自然界出现,而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式存在。硅在宇宙中的储量排在第八位,在地壳中它是第二丰富的元素,构成地壳总质量的26.4%,仅次于第一位的氧(49.4%),因此硅元素的取得并不难。

  工业硅又称金属硅,是由硅石和碳质还原剂在矿热炉内冶炼成的产品,是制作多晶硅的原料。我国的工业硅在产能与产量方面都是全球第一,世界占比逾50%,且继续呈上升趋势。2016年我国的工业硅产能达到460万吨,产能连续扩张,然而2016年产量仅为210万吨,产能利用率低。此外,我国的工业硅生产集中程度不高,前10家工业硅企业产量只占到全国产量的34%左右。

  在工业硅的下游需求中,出口占到很重要的一部分,占比约30%,但由于西方国家对我国实行反倾销,我国的工业硅出口效益低;其次铝合金、有机硅和多晶硅是我国工业硅的主要下游应用。2014年时我国工业硅产量和需求量基本保持平衡,不过自2015 年以来出现了供大于需的情形。

  铝合金和有机硅都是工业硅的下游应用,在这篇文章中我们主要阐述多晶硅这一分支。多晶硅的生产工艺其实就是硅的提纯工艺,多晶硅料可分为电子级多晶硅料和光伏级多晶硅料,顾名思义前者进而生产集成电路而后者主要生产光伏材料。两者的区别就在于电子级和光伏级的纯度不同,且两种硅料都有一二三级之分,第三级的纯度最高。

  通常来说光伏级多晶硅纯度为6-11N,电子级多晶硅为9-12N,N可以简单理解为纯度的表示。从纯度上来说,光伏级多晶硅料是低于电子级的多晶硅料的,半导体工业用硅必须进行高度提纯。

  半导体多晶硅一直以来都是高新技术材料,制造难度高,我国技术很难达到,因此被欧美日所垄断。而欧美又用几十年的电子级多晶硅提纯技术来发展太阳能级多晶硅,比我们具有先天的技术优势。2016年全球的多晶硅产量为37万吨,中国占比52.7%为19.5万吨,而国内的硅片产能占全球的70%,因此仍有40%左右的硅料需要通过进口来补充。

  多晶硅料通过铸锭形成多晶硅锭,或者通过拉晶形成单晶硅棒,然后切片制作成硅片。硅产业链比较复杂,可以简单的理解为多晶硅片和单晶硅片是平行关系,不过单晶硅片的性能要远优于多晶硅片,两者的差异主要表现在物理性质方面。例如,在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面,远不如单晶硅明显;在电学性质方面,多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著;单晶硅片被称为“世界上最纯净的物质”。

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