中國粉體網(wǎng)訊 隨著能源危機的不斷加劇，國家對于清潔能源的發(fā)展越來越重視，光伏產(chǎn)業(yè)作為清潔能源的代表之一，自2007年開發(fā)以來，迅速占領市場并廣受好評。隨著全球光伏市場的爆發(fā)性增長，作為光伏原料的多晶硅市場也是門庭若市，而多晶硅制備技術也在不斷推陳出新，其中，改良西門子法、硅烷法、流化床法是市場應用最多的方法。
改良西門子法作為主流的多晶硅生產(chǎn)技術，一度曾占據(jù)全球90%的市場份額，伴隨著光伏行業(yè)的快速發(fā)展，改良西門子法在成本方面的潛力已挖潛殆盡，面對這種局面，具有先天成本優(yōu)勢的流化床法重新進入大眾視野，成為熱門技術研究方向。并且，在未來五到十年之間，極有可能取代改良西門子法成為最佳的多晶硅制造技術。
流化床法一般是以硅烷或氯硅烷作為硅源氣、以氫氣作為載氣，在流化床反應器內(nèi)預先放置的硅籽晶上發(fā)生氣相沉積反應。隨著生產(chǎn)進行，從流化床底部不斷排出長大的顆粒硅產(chǎn)品，同時從頂部添加適量的硅籽晶。
優(yōu)點：與改良西門子法相比，流化床法生產(chǎn)顆粒硅的生產(chǎn)能耗大幅降低，其連續(xù)運行的生產(chǎn)模式對于提高生產(chǎn)效率十分有利。另外，顆粒狀產(chǎn)品利于下游使用。
目前成功實現(xiàn)多晶硅商業(yè)化生產(chǎn)的流化床裝置都采用了硅烷流化床，其原料為硅烷與氫氣。硅烷易與其他氯硅烷分離，本身分解溫度低，分解率高，副反應少，這就賦予了硅烷流化床法很大的優(yōu)勢：精餾、尾氣處理工序簡單，能耗和單體投資都能大大降低，反應轉(zhuǎn)化率接近100%，流化床電耗僅為改良西門子法的10%~20%。另外，由于反應徹底，副反應少，整個反應體系能夠做到完全閉路循環(huán)。
我們知道，多晶硅按純度要求分為金屬級、電子級（EG）和太陽能級（SOG），特別是對于電子級而言，要求多晶硅的純度在11N。這就對多晶硅生產(chǎn)方法的產(chǎn)品純度提出了難題。
由于對于產(chǎn)品純度的苛刻要求，流化床法生產(chǎn)過程比其他流態(tài)化過程更為復雜，對裝備制造也提出了更高的要求。
在反應過程中，硅烷氣進入流化床后會迅速分解，一部分發(fā)生異相反應，沉積至硅顆粒表面；另一部分發(fā)生均相反應，生成氣相微核，該微核經(jīng)過一系列聚合長大過程生成硅粉，在此聚合過程中還有一定比例粘附到硅顆粒表面，成為顆粒硅產(chǎn)品的一部分。這個復雜的過程導致了顆粒硅生產(chǎn)中某些問題會無法避免。
難點一：壁面沉積
硅烷流化床的控制目標是在床層內(nèi)硅籽晶顆粒上進行化學氣相沉積，從而得到不斷長大的顆粒硅，但是由于流態(tài)化本身的特性，劇烈的顆粒運動使得流化床內(nèi)的物質(zhì)濃度、溫度分布均勻，不可避免的在床層與裝置接觸面上發(fā)生氣相沉積，比如內(nèi)壁面、噴嘴等關鍵部位，甚至會發(fā)生尾氣管道的堵塞。在內(nèi)壁面上硅沉積會嚴重地降低流化床的傳熱效率，還可能誘發(fā)器壁的破裂，沉積嚴重時，流化床裝置運行較短時間就需要停車進行清理，降低了生產(chǎn)效率。
難點二：流態(tài)化控制
在硅烷流化床中，隨著反應的進行，硅顆粒粒徑逐漸增大，同時作為進料氣的硅烷和氫氣密度較小，獲得良好流態(tài)化的操作難度非常大。為了適合下游使用并兼顧生產(chǎn)經(jīng)濟性，硅顆粒產(chǎn)品粒徑一般控制在700到2000微米，按照經(jīng)典的Geldart分類法屬于典型的D類顆粒，在流化時容易產(chǎn)生極大氣泡和節(jié)涌，操作穩(wěn)定性不好，同時大氣泡對于控制硅烷的均相沉積和增加氣體與顆粒的接觸面積都不利，進而會降低硅烷的轉(zhuǎn)化率并產(chǎn)生更多硅粉。流化床內(nèi)顆粒粒徑難以直接測量，只能通過排出產(chǎn)品顆粒大小和經(jīng)驗來估算，但是顆粒粒徑對于流化床進料量是決定性的，同時該流化床本身操作區(qū)間和彈性較小，一旦控制不好很容易出現(xiàn)落床、節(jié)涌等異常情況，對設備和生產(chǎn)運行帶來損害。
難點三：產(chǎn)品純度控制
產(chǎn)品純度控制曾一度是流化床法的軟肋，這也是流化床法具備如此大成本優(yōu)勢仍被西門子法擊敗的主要原因。隨著近年來材料、控制等相關技術領域的不斷進步，流化床法的純度控制得到了極大改善，已經(jīng)能夠滿足光伏領域的需求，某些好的產(chǎn)品甚至能夠達到電子級品質(zhì)。但是在裝置開發(fā)和生產(chǎn)運行中，顆粒硅純度控制仍是需要重點關注的領域。因為床內(nèi)顆粒的長時間磨蝕，常用的金屬材料會給反應體系帶入大量的金屬污染，較為常見的解決思路是運用高強度的非金屬特殊材質(zhì)作為反應器內(nèi)襯，杜絕此環(huán)節(jié)的金屬污染。同時作為原料的硅烷提純也需要得到保證，特別是循環(huán)利用的氫氣，在后端分離和重新提純的環(huán)節(jié)中需要重點關注。
參考文獻：周舟，吳鋒，呂磊，硅烷流化床高純多晶硅材料制備技術分析2016.9月
