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單晶硅與多晶硅的區(qū)別與應用
    多晶硅是生產(chǎn)單晶硅的直接原料，是當代人工智能、自動控制、信息處理、光電轉(zhuǎn)換等半導體器件的電子信息基礎材料。被稱為“微電子大廈的基石”。

    在太陽能利用上，單晶硅和多晶硅也發(fā)揮著巨大的作用。雖然從目前來講，要使太陽能發(fā)電具有較大的市場，被廣大的消費者接受，就必須提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本。從目前國際太陽電池的發(fā)展過程可以看出其發(fā)展趨勢為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。從工業(yè)化發(fā)展來看，重心已由單晶向多晶方向發(fā)展，主要原因為：
    [1]可供應太陽電池的頭尾料愈來愈少；
    [2] 對太陽電池來講，方形基片更合算，通過澆鑄法和直接凝固法所獲得的多晶硅可直接獲得方形材料；
    [3]多晶硅的生產(chǎn)工藝不斷取得進展，全自動澆鑄爐每生產(chǎn)周期（50小時）可生產(chǎn)200公斤以上的硅錠，晶粒的尺寸達到厘米級；
    [4]由于近十年單晶硅工藝的研究與發(fā)展很快，其中工藝也被應用于多晶硅電池的生產(chǎn)，例如選擇腐蝕發(fā)射結、背表面場、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細金屬柵電極，采用絲網(wǎng)印刷技術可使柵電極的寬度降低到50微米，高度達到15微米以上，快速熱退火技術用于多晶硅的生產(chǎn)可大大縮短工藝時間，單片熱工序時間可在一分鐘之內(nèi)完成，采用該工藝在100平方厘米的多晶硅片上作出的電池轉(zhuǎn)換效率超過14％。據(jù)報道，目前在50～60微米多晶硅襯底上制作的電池效率超過16％。利用機械刻槽、絲網(wǎng)印刷技術在100平方厘米多晶上效率超過17％，無機械刻槽在同樣面積上效率達到16％，采用埋柵結構，機械刻槽在130平方厘米的多晶上電池效率達到15.8％。

    多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。熔融的單質(zhì)硅在過冷條件下凝固時，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結合起來，就結晶成多晶硅。多晶硅可作拉制單晶硅的原料，多晶硅與單晶硅的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)方面。例如，在力學性質(zhì)、光學性質(zhì)和熱學性質(zhì)的各向異性方面，遠不如單晶硅明顯；在電學性質(zhì)方面，多晶硅晶體的導電性也遠不如單晶硅顯著，甚至于幾乎沒有導電性。在化學活性方面，兩者的差異極小。多晶硅和單晶硅可從外觀上加以區(qū)別，但真正的鑒別須通過分析測定晶體的晶面方向、導電類型和電阻率等。

    當前，晶體硅材料是最主要的光伏材料，其市場占有率在90％以上,而且在今后相當長的一段時期也依然是太陽能電池的主流材料。

    多晶硅材料的生產(chǎn)技術長期以來掌握在美、日、德等3個國家7個公司的10家工廠手中，形成技術封鎖、市場壟斷的狀況。

    多晶硅的需求主要來自于半導體和太陽能電池。按純度要求不同，分為電子級和太陽能級。其中，用于電子級多晶硅占55％左右，太陽能級多晶硅占45％，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，太陽能電池對多晶硅需求量的增長速度高于半導體多晶硅的發(fā)展，預計到2008年太陽能多晶硅的需求量將超過電子級多晶硅。

    1994年全世界太陽能電池的總產(chǎn)量只有69MW，而2004年就接近1200MW，在短短的10年里就增長了17倍。專家預測太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在二十一世紀前半期將超過核電成為最重要的基礎能源之一。

    據(jù)悉，美國能源部計劃到2010年累計安裝容量4600MW，日本計劃2010年達到5000MW，歐盟計劃達到6900MW，預計2010年世界累計安裝量至少18000MW。

    從上述的推測分析，至2010年太陽能電池用多晶硅至少在30000噸以上，表2給出了世界太陽能多晶硅工序的預測。據(jù)國外資料分析報道，世界多晶硅的產(chǎn)量2005年為28750噸，其中半導體級為20250噸，太陽能級為8500噸，半導體級需求量約為19000噸，略有過剩；太陽能級的需求量為 15000噸，供不應求，從2006年開始太陽能級和半導體級多晶硅需求的均有缺口，其中太陽能級產(chǎn)能缺口更大。

    據(jù)日本稀有金屬雜質(zhì)2005年11月24日報道，世界半導體與太陽能多晶硅需求緊張，主要是由于以歐洲為中心的太陽能市場迅速擴大，預計2006年， 2007年多晶硅供應不平衡的局面將為愈演愈烈，多晶硅價格方面半導體級與太陽能級原有的差別將逐步減小甚至消除，2005年世界太陽能電池產(chǎn)量約 1GW，如果以1MW用多晶硅12噸計算，共需多晶硅是1.2萬噸，2005－2010年世界太陽能電池平均年增長率在25％，到2010年全世界半導體用于太陽能電池用多晶硅的年總的需求量將超過6.3萬噸。

    世界多晶硅主要生產(chǎn)企業(yè)有日本的Tokuyama、三菱、住友公司、美國的Hemlock、Asimi、SGS、MEMC公司，德國的Wacker公司等，其年產(chǎn)能絕大部分在1000噸以上，其中Tokuyama、Hemlock、Wacker三個公司生產(chǎn)規(guī)模最大，年生產(chǎn)能 力均在3000－5000 噸。

    國際多晶硅主要技術特征有以下兩點：

    多種生產(chǎn)工藝路線并存，產(chǎn)業(yè)化技術封鎖、壟斷局面不會改變。由于各多晶硅生產(chǎn)工廠所用主輔原料不盡相同，因此生產(chǎn)工藝技術不同；進而對應的多晶硅產(chǎn)品技術經(jīng)濟指標、產(chǎn)品質(zhì)量指標、用途、產(chǎn)品檢測方法、過程安全等方面也存在差異，各有技術特點和技術秘密，總的來說，目前國際上多晶硅生產(chǎn)主要的傳統(tǒng)工藝有：改良西門子法、硅烷法和流化床法。其中改良西門子工藝生產(chǎn)的多晶硅的產(chǎn)能約占世界總產(chǎn)能的80％，短期內(nèi)產(chǎn)業(yè)化技術壟斷封鎖的局面不會改變。

    低成本多晶硅工藝技術研究空前活躍。除了傳統(tǒng)工藝及技術升級外，還涌現(xiàn)出了幾種專門生產(chǎn)太陽能級多晶硅的新工藝技術，主要有：改良西門子法的低價格工藝；冶金法從金屬硅中提取高純度硅；高純度SiO2直接制取；熔融析出法；還原或熱分解工藝；無氯工藝技術，Al－Si溶體低溫制備太陽能級硅；熔鹽電解法等。

    我國集成電路的增長，硅片生產(chǎn)和太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大大帶動多晶硅材料的增長。

    太陽能電池用多晶硅按每生產(chǎn)1MW多晶硅太陽能電池需要11－12噸多晶硅計算，我國2004年多晶、單晶太陽能電池產(chǎn)量為48.45MW，多晶硅用量為678噸左右，而實際產(chǎn)能已達70MW左右，多晶硅缺口達250噸以上。

    到2005年底國內(nèi)太陽能電池產(chǎn)能達到300MW，實際能形成的產(chǎn)量約為110MW，需要多晶硅1400噸左右，預測到2010年太陽能電池產(chǎn)量達300MW，需要多晶硅保守估計約4200噸，因此太陽能電池的生產(chǎn)將大大帶動多晶硅需求的增加。

    2005年中國太陽能電池用單晶硅企業(yè)開工率在20％－30％，半導體用單晶硅企業(yè)開工率在80％－90％，都不能滿負荷生產(chǎn)，主要原因是多晶硅供給量不足所造成的。預計多晶硅生產(chǎn)企業(yè)擴產(chǎn)后的產(chǎn)量，仍然滿足不了快速增長的需要。

    2005年全球太陽能電池用多晶硅供應量約為10448噸，而2005年太陽能用硅材料需求量約為22881噸，如果太陽能電池用多晶硅需求量按占總需求量的65%計，則太陽能電池用多晶硅需求量約為14873噸，這樣全球太陽能電池用多晶硅的市場缺口達4424噸。2005年半導體用多晶硅短缺 6000噸，加上太陽能用多晶硅缺口4424噸，合計10424噸，供給嚴重不足，導致全球多晶硅價格上漲。目前多晶硅市場的持續(xù)升溫，導致各生產(chǎn)廠商紛紛列出了擴產(chǎn)計劃，根據(jù)來自國際光伏組織的統(tǒng)計，至2008年全球多晶硅的產(chǎn)能將達49550噸，至2010年將達58800噸。預計到2010年全球多晶硅需求量將達85000噸，缺口26200噸。從長遠來看，考慮到未來石化能源的短缺和各國對太陽能產(chǎn)業(yè)的大力支持，需求將持續(xù)增長。根據(jù)歐洲光伏工業(yè)聯(lián)合會的2010年各國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展計劃預計，屆時全球光伏產(chǎn)量將達15GW，設想其中60%使用多晶硅為原材料，如果技術進步每MW消耗10噸多晶硅，保守估計全球至少需要太陽能多晶硅5萬噸以上。

    我國多晶硅工業(yè)起步于五、六十年代中期，生產(chǎn)廠多達20余家，生由于生產(chǎn)技術難度大，生產(chǎn)規(guī)模小，工藝技術落后，環(huán)境污染嚴重，耗能大，成本高，絕大部分企業(yè)虧損而相繼停產(chǎn)和轉(zhuǎn)產(chǎn)，到1996年僅剩下四家，即峨眉半導體材料廠，洛陽單晶硅廠、天原化工廠和棱光實業(yè)公司，合計當年產(chǎn)量為102.2 噸，產(chǎn)能與生產(chǎn)技術都與國外有較大的差距。

    1995年后，棱光實業(yè)公司和重慶天原化工廠相繼停產(chǎn)?，F(xiàn)在國內(nèi)主要多晶硅生產(chǎn)廠商有洛陽中硅高科技公司、四川峨眉半導體廠和四川新光硅業(yè)公司、到 2005年底，洛陽中硅高科技公司300噸生產(chǎn)線已正式投產(chǎn)，二期擴建1000噸多晶硅生產(chǎn)線也同時破土動工，河南省計劃將其擴建到3000噸規(guī)模，建成國內(nèi)最大的硅產(chǎn)業(yè)基地。四川峨眉半導體材料廠是國內(nèi)最早擁有多晶硅生產(chǎn)技術的企業(yè)，2005年太陽能電池用戶投資，擴產(chǎn)的220噸多晶硅生產(chǎn)線將于 2006年上半年投產(chǎn)，四川新光硅業(yè)公司實施的1000噸多晶硅生產(chǎn)線正在加快建設，計劃在2006年底投產(chǎn)，此外，云南、揚州、上海、黑河、錦州、青海、內(nèi)蒙、宜昌、廣西、重慶、遼寧、邯鄲、保定、浙江等地也有建生產(chǎn)線設想。

    同國際先進水平相比，國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)業(yè)化方面的差距主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

    1、產(chǎn)能低，供需矛盾突出。2005年中國太陽能用單晶硅企業(yè)開工率在20％－30％，半導體用單晶硅企業(yè)開工率在80％－90％，無法實現(xiàn)滿負荷生產(chǎn)，多晶硅技術和市場仍牢牢掌握在美、日、德國的少數(shù)幾個生產(chǎn)廠商中，嚴重制約我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

    2、生產(chǎn)規(guī)模小、現(xiàn)在公認的最小經(jīng)濟規(guī)模為1000噸/年，最佳經(jīng)濟規(guī)模在2500噸/年，而我國現(xiàn)階段多晶硅生產(chǎn)企業(yè)離此規(guī)模仍有較大的距離。

    3、工藝設備落后，同類產(chǎn)品物料和電力消耗過大，三廢問題多，與國際水平相比，國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)物耗能耗高出1倍以上，產(chǎn)品成本缺乏競爭力。

    4、千噸級工藝和設備技術的可靠性、先進性、成熟性以及各子系統(tǒng)的相互匹配性都有待生產(chǎn)運行驗證，并需要進一步完善和改進。

    5、國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)技術創(chuàng)新能力不強，基礎研究資金投入太少，尤其是非標設備的研發(fā)制造能力差。

    6、地方政府和企業(yè)項目投資多晶硅項目，存在低水平重復建設的隱憂。

    1、發(fā)展壯大我國多晶硅產(chǎn)業(yè)的市場條件已經(jīng)基本具備、時機已經(jīng)成熟，國家相關部門加大對多晶硅產(chǎn)業(yè)技術研發(fā)，科技創(chuàng)新、工藝完善、項目建設的支持力度，抓住有利時機發(fā)展壯大我國的多晶硅產(chǎn)業(yè)。

   2、支持最具條件的改良西門子法共性技術的實施，加快突破千噸級多晶硅產(chǎn)業(yè)化關鍵技術，形成從材料生產(chǎn)工藝、裝備、自動控制、回收循環(huán)利用的多晶硅產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線，材料性能接近國際同類產(chǎn)品指標；建成節(jié)能、低耗、環(huán)保、循環(huán)、經(jīng)濟的多晶硅材料生產(chǎn)體系，提高我們多晶硅在國際上的競爭力。

   3、依托高校以及研究院所，加強低成本工藝技術基礎性及前瞻性研究，建立低成本太陽能及多晶硅研究開發(fā)的知識及技術創(chuàng)新體系，獲得具有自主知識產(chǎn)權的生產(chǎn)工藝和技術。

   4、政府主管部門加強宏觀調(diào)控與行業(yè)管理，避免低水平項目的重復投資建設，保證產(chǎn)業(yè)的有序、可持續(xù)發(fā)展。

    單晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)，在晶格上整齊的、周期性的、平行的排列起來的硅原子晶體稱為單晶硅。

多晶硅也是單質(zhì)硅的一種形態(tài)，有兩個或兩個以上的單晶體組成的晶體硅稱為多晶硅。二者最根本的區(qū)別是硅原子的排列不同。單晶硅的硅原子排列是有序、整齊的。多晶硅的硅原子排列是無序、雜亂的。
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