关于我国高纯硅产业发展的建议

作者：国家发改委能源局可再生能源处处长 周篁博士

促进我国光伏发电产业的持续健康发展，针对我国目前光伏发电所需高纯硅材料生产能力较弱，主要依赖进口的突出问题，近期，对高纯度多晶硅（简称高纯硅）产业发展问题进行了认真研究，并赴有关高纯硅材料厂进行了重点调研。

一、国际高纯硅产业发展现状及趋势

所谓高纯硅材料，是指将工业硅提纯到硅含量在99.9999%（6N）以上的多晶硅。从物质构成来看，它基本上是由单一的硅原子所组成的，只含有极少量的杂质，且组成它的硅原子在三维空间上是规则排列的。高纯硅材料经提拉或铸锭处理后，就制成了单晶硅或多晶硅，它们是制作集成电路和光伏电池的不可或缺的基础材料，被称为“现代工业的粮食”，对半导体工业和光伏产业的发展具有重要作用。

高纯硅材料生产是集化工、冶金、自动控制技术于一体的复杂的系统工程。建设一个年产1000吨（国际公认的最小经济规模）的高纯硅厂，其投资高达10多亿元，并需要大量专业人才以及先进的技术和设备，属典型的资金、人才和技术密集型的高技术产业。特别是它对产品的纯度有着极高的要求。通常情况下，制造光伏电池所用的高纯硅，其纯度要在6N以上，制造集成电路所用高纯硅，纯度要在9N以上，而军事级的半导体器件所用高纯硅，纯度甚至要在12N以上。相当于1万亿个原子当中，只允许混有1个其它种类的原子。因此，国际上将高纯硅材料生产水平作为衡量一个国家科技水平的重要标志之一。

自美国杜邦公司于二战期间采用锌还原SiCl4制出高纯硅以来，世界高纯硅制造技术日益成熟，现已形成了两大流派，即用氢气还原SiHCl3并在硅芯发热体上沉积硅的西门子法以及SiH4热分解制备高纯硅的硅烷法。它们分别由西门子公司和国际标准电气公司于1955年和1956年研究成功。硅烷法在生产过程中产生易爆气体，工艺流程复杂，市场占有率不足20%；西门子法经过多年的实践和改进，技术比较成熟，工艺流程简单（主要包括高效的精馏提纯，低能耗高沉积速率的还原工艺，SiCl4的氢化和尾气干法回收四个环节），市场占有率超过75%，是当前高纯硅生产的主流。

目前，高纯硅材料的生产技术基本上被美国、日本和德国3个国家的7家公司所垄断，它们分别是美国的Hemlock、MEMC、RECSGS、RECAsiMi、德国的Wacker、日本的Tokuyama和三菱，这7家公司的总产能占全球产能的95%以上。其中，美国的Hemlock、德国的Wacker和日本的Tokuyama3家公司生产规模最大，其产能占全球总产能的60%。为了实现自身利益的最大化，获取超额垄断利润，这7家公司都将高纯硅材料作为战略性物资，对其它国家实行技术封锁，严格控制高纯硅材料技术的扩散。

2003年之前，世界高纯硅市场一直基本保持了供求平衡。截止到2003年底，世界高纯硅材料的供应能力为2.6万吨，需求合计为2.2万吨，其中，高纯硅材料主要用于集成电路制造，光伏电池的需求仅为5000-6000吨。但2003年之后，受德国、日本等国家对光伏产业实行财政补贴政策的影响，光伏电池对高纯硅材料的需求迅速超过半导体工业，导致高纯硅材料供不应求，且价格一路攀升，从2003年的每千克30美元上涨到2004年的45美元，2005年跳升到80美元，2006年突破了300美元。据预测，虽然目前世界主要高纯硅企业都相继安排了扩产计划，到2010年，全球高纯硅产量将达到5.2万吨，增长近一倍，但由于市场需求的更快增长，2010年全球高纯硅需求量将达到8万吨，供需之间仍存在相当大的缺口。

二、我国高纯硅产业有关情况

2004年之前，半导体工业一直提供了我国高纯硅材料大部分的市场需求。据统计，2004年，我国高纯硅材料消耗量约为1560吨，其中，半导体工业910吨，光伏产业650吨。但是，随着光伏产业的快速发展，我国对高纯硅材料的需求量与日俱增。

光伏产业也超过半导体工业，成为高纯硅材料的最大买家。2005年，我国高纯硅材料消耗量达到2800多吨，其中，半导体工业约1100吨，光伏产业约1700吨。2006年，高纯硅材料消耗量又跃升到4700吨，其中，约70%用于光伏电池生产。据有关专家预测，未来一段时间内，我国半导体工业仍将稳定增长，光伏产业发展速度将会进一步加快，到2010年，半导体工业对高纯硅材料的需求将基本稳定在3500吨左右，而光伏产业的需求将会达到10000吨。

由于国内高纯硅材料的生产数量很少（2006年，国内高纯硅材料生产量不足市场消耗量的5%），且大部分用于半导体工业，光伏产业所需要的高纯硅材料几乎全部依赖进口，加之全球高纯硅材料市场已形成了“有价无市”的严重短缺局面，使国内许多企业陷入了“无米之炊”的窘境，成为制约我国光伏产业发展的瓶颈。

我国高纯硅材料产业起步较早，20世纪50年代，我国引进了美国、日本等国外公司的传统西门子工艺，小批量生产高纯硅材料，并结合自主开发，在全国形成了一大批研究生产高纯硅材料的单位。但由于技术落后，生产规模小，成本高，质量低，污染严重，到80年代纷纷停产。至上世纪90年代中期，只剩四川峨嵋半导体厂（简称峨嵋半导体）和洛阳单晶硅厂（简称洛阳中硅）还在维持生产。

上世纪90年代中期以来，我国高纯硅材料生产取得了较大成绩。其中，峨嵋半导体在政府有关主管部门的积极支持下，开展了改良西门子工艺生产高纯硅材料的技术开发和产业化，形成了年产100吨高纯硅材料工业性试验生产线，并组建了四川新光硅业科技有限责任公司（简称新光硅业），预计2007年底可形成年产1260吨高纯硅材料的生产能力，同时，国家还支持洛阳中硅开展了年产300吨高纯硅材料工业性试验，并正在开展高效节能型还原炉研究和年产1000吨高纯硅材料高技术产业化示范工程建设。

三、当前我国高纯硅产业发展存在的问题

近年来，我国高纯硅材料产业发展迅速，在工艺技术、产业规模等方面取得了突破性进展，已掌握了百吨级高纯硅的生产技术，并初步具备了千吨级高纯硅材料生产的基本条件。但总体来看，我国高纯硅材料产业发展仍处于起步阶段，生产能力和产品质量依然不能满足市场需求，产品质量和价格缺乏竞争力。概括起来，主要有如下问题：

（一）工艺和设备落后，物料与电力消耗大。近年来，为降低高纯硅的生产成本，Hemlock、Tokyama、Wacker等企业都在研发新型反应器、汽液沉积法、流态化床法等新设备和新工艺，以提高其产品的市场竞争力。而我国的高纯硅生产基本上都是采用改良西门子法的技术路线，且尚未突破还原炉加压还原等核心技术，生产成本远高于国际先进水平。目前，美国Hemlock、日本三菱公司的还原炉为50对棒，加压操作，单炉产量可达到5吨。我国最大的还原炉是洛阳中硅的12对棒还原炉，常压操作，单炉产量1.3吨，每生产1千克高纯硅所消耗工业硅为1.8千克、氢气消耗约1.8立方米、电耗约300千瓦时，成本约40美元以上，与国外一般水平相比，分别高出约50%、80%、70%和60%。

（二）未实现综合利用，“三废”问题严重。高纯硅生产过程中，会产生大量的副产物，如SiCl4、盐酸、氢气等，这些副产物的综合利用水平，决定着高纯硅材料生产的效率和成本。国外公司都建有先进的副产物回收系统，可实现副产物的循环利用，并依托化工厂综合利用SiCl4，生产白炭黑、高纯石英和光纤预制棒等；而我国高纯硅材料生产企业均是单独建厂，必须依靠SiCl4氢化技术回收副产物，加之还原炉系统设备、氢化系统设备、大型特殊气体压缩机、自动化控制系统等满足不了连续稳定生产的工艺要求，副产物难以全部得到回收利用，不仅制造成本高于依托化工厂建设的高纯硅材料生产企业，“三废”问题也相当严重。

（三）低水平重复建设，存在“过热”现象。

2003年以来，受国内外发展光伏产业的影响，国内出现了高纯硅材料产业发展热潮。我们在考察中了解到，目前全国至少有30多家企业已落实技术方案和资金，开始筹建高纯硅材料项目。估计总投资规模在400亿元以上！业内专家分析，这些企业大多采用落后的工艺技术装备，技术人员严重缺乏，运行管理水平低，生产过程的物料循环难以平衡，不仅难以实现设计生产能力，甚至有些项目会半途夭折。特别是少数地方政府不顾客观条件，将发展高纯硅材料生产当作政绩工程，盲目追求高纯硅项目建设规模，从而进一步加剧了高纯硅生产的“过热”现象。

此外，我国高纯硅产业能力建设比较薄弱，没有建立起从科研、设计、建设到设备制造的比较完备的产业体系，高纯硅有关测试和试验的技术规范不健全，产品认证工作明显滞后，从事高纯硅技术研究的机构和专业人才匮乏。特别是国家对高纯硅材料技术研发的支持力度不足，没有实行优惠的电价和税收政策，不利于促进高纯硅产业的快速发展。

四、关于加快高纯硅产业发展的建议

光伏发电是资源潜力最大、发展速度最快的可再生能源发电技术，代表着世界能源工业的发展方向。加快光伏产业发展，既是解决当前能源供需矛盾的重要措施，更是实现未来能源可持续发展的必然选择。据统计，最近10年光伏发电的年平均增长率为37%，最近5年的年平均增长率为45％。在过去的25年间，光伏发电的成本下降了95%，光伏电池的效率由6%提高到17%。光伏电池组件的生产成本从70年代的80美元/瓦,下降到2美元/瓦左右，降低了近40倍。目前，世界光伏电池年产量已达250万千瓦，累计装机容量约850万千瓦。根据权威机构的预测，今后5年光伏产业仍将保持30%-40%的年平均增长率，预计2010年全球光伏电池年产量将达到1000万千瓦，这为高纯硅产业发展提供了十分广阔的市场。

为此，建议如下：（一）与高耗能产业相区别，明确高纯硅的战略地位。高纯硅材料是高附加值产品，其万元产值能耗远低于我国目前的万元GDP能耗水平。目前，国际市场工业硅的价格大约是每吨1.2万元,而1吨高纯硅的售价高达200多万元，大量出口廉价的工业硅，再从国外高价进口高纯硅，极不经济，也不利于资源节约型、环境友好型社会的建设。据估算，生产1吨高纯硅，耗电约30万千瓦时，可生产100千瓦光伏电池，其能源的回收期约为3年，远低于光伏电池的使用寿命。按此计算，预计到2010年，我国光伏电池年产量将达到2000MW，需高纯硅材料2万吨，约耗电60亿千瓦时，折合标煤200万吨。因此，高纯硅产业发展，不会对国家的能源消费产生大的影响，国家应从发展光伏产业的战略出发，对高纯硅生产给予大力支持。

（二）加强高纯硅规划工作，有序发展高纯硅产业。做好高纯硅规划工作，是高纯硅产业健康发展的重要保障。为了避免低水平重复建设，减少资源浪费，国家应根据半导体工业和光伏产业发展需要，统筹规划，合理布局，集中资金和技术力量，以具备较好基础的重点企业为龙头，建设若干个高纯硅产业基地，使其达到较大的经济规模，并大力延伸高纯硅材料的产业链，形成产业集群和规模效益，使我国高纯硅产业真正做大做强，具有较高的国际竞争能力。

（三）加大研究开发力度，促进高纯硅技术进步。应以国内高纯硅生产的重点企业为主体，结合国家有关科技攻关和产业化计划，突破还原炉加压还原、尾气干法回收等关键技术瓶颈，实现改良西门子法高纯硅材料规模化稳定生产，提高产品纯度，降低运行成本，减少废物排放。同时，采取引进消化吸收再创新的方式，加强流态化床法、物理法等新一代低成本工艺技术的研究，建设产、学、研一体的高纯硅材料技术创新能力平台，建立低成本高纯硅研究开发的知识及技术创新体系，力争早日拥有我国自主知识产权的低成本高纯硅材料生产技术，实现低成本高纯硅材料规模化生产。

（四）加强有关能力建设，引导行业健康发展。为了促进高纯硅产业的健康发展，必须加快高纯硅产业体系建设，制定统一的高纯硅材料国家标准和技术规范，建立相应的高纯硅产品检测和质量认证体系，使我国对高纯硅产品的质量和纯度的要求与国际标准接轨，并支持一些基础较好的理工科大学开办相关专业，为我国高纯硅产业培养基础和专业人才。

（五）落实有关优惠政策，支持高纯硅产业发展。我国高纯硅产业刚刚起步，产业基础还比较薄弱，需要政府部门的扶持才能发展。针对目前光伏产业的原料和市场“两头在外”的现状，应根据《可再生能源法》的要求，落实有关优惠政策，即时启动国内市场，利用可再生能源专项资金，加快并网光伏发电项目建设。同时，要将高纯硅产业与高耗能产业严格区分开来，为高纯硅产业创造良好的市场环境，制定有关电价和税收优惠政策，积极支持高纯硅产业的发展。