攻下颗粒硅的“山头”

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2023-08-08    来源:科技日报

      编者按:2023年8月8日《科技日报》头版头条刊发文章《协鑫科技勇闯新一代多晶硅制备技术路径——攻下颗粒硅的“山头”》关注协鑫科技颗粒硅研发之路。以下为文章全文:

      约85%,这是目前主流多晶硅制备技术路线——采用GCL西门子法(改良西门子法)制备棒状硅的市场占有率。

  但在去年,多晶硅的另一条制备技术路线——采用硅烷流化床法生产FBR颗粒硅,呈现出强劲增长势头。

  其中,位于江苏徐州经济技术开发区的协鑫科技控股有限公司(以下简称协鑫科技)表现十分抢眼。2022年,该公司生产的颗粒硅较2021年同期增长537.3%,目前在硅料市场中的占比从个位数迅速飙升到15%左右。

  “所有的创新都源于前面没有一个可以抄作业的人。从‘0’到‘1’看上去很短,但如果把小数点往后放n位,实际上可以无限长,只要走不到‘1’,前面都是‘0’。”回望颗粒硅产业化走过的路,42岁的协鑫科技联席首席执行官兰天石十分感慨。日前,他在接受科技日报记者专访时说,企业历时11年“押中”颗粒硅,研发、资本、人才的不断投入,以及时间的等待,四者缺一不可。

  居安思危觅新机

  江苏中能硅业科技发展有限公司是协鑫科技光伏产业的发源地。厂区内,闪耀着金属光泽的硅烷反应塔高耸林立,身披蓝色外衣的流化床装置发出阵阵低鸣声。

  流化床是孕育颗粒硅的温床。在这里,硅烷气、氢气以及硅籽晶在高温下发生化学反应,生成绿豆大小的颗粒硅。

  2006年,在当时还算偏远的徐州经济技术开发区内,协鑫科技母公司协鑫(集团)控股有限公司果断投建了当年全国最大的多晶硅项目,采用改良西门子法生产棒状硅。

  5年后,公司发展势头如日中天:营业收入约255亿港元,净利润42.7亿港元;棒状硅总产能达6.5万吨,打破欧、美、韩等国垄断,成为全球最大多晶硅研发与生产商,并迅速占据全球27%的市场份额。

  但协鑫集团董事长朱共山却“嗅”到危机。当时,全球光伏市场波诡云谲,金融海啸余波犹在。在企业内部“头脑风暴会”上,他发出一系列“灵魂拷问”:如果协鑫集团未来失去竞争力,靠什么救活自己?是不是要开展同质化竞争?为了降低成本,是不是要步同行后尘,不得不搬到电价更低的西部地区谋生存?

  要想在电价相对较高的徐州扎根,协鑫科技必然面对成本挑战,而借助传统的改良西门子法工艺降低成本,空间越来越小。朱共山与公司决策层果敢地决定“另起炉灶”,他们将目光投向新一代多晶硅制备技术全新革命路径——硅烷流化床法制备颗粒硅。

  作为多晶硅的化学提纯方法之一,硅烷流化床法技术雏形出现在1952年。由于门槛高、工艺难度大,工业化之路推进异常艰辛,美国厂商已经放弃了这条技术路线。

  对于颗粒硅的未来前景,朱共山却很乐观:协鑫集团有着成熟的棒状硅生产工艺基础和研发实力,颗粒硅这座“山头”再难,也一定能攻下来。

  持续投入见成效

  出于保密需要,协鑫科技组建了完全独立于改良西门子法之外的“秘密工厂”。协鑫科技助理副总裁宋昊回忆,公司百来人组成扁平化的科研团队,在这个“科研特区”,从人事、供应链、设计,到设备运营、安装以及专家、工程师待遇,均“与众不同”。

  2011年,第一代流化床第一次开车,颗粒硅分厂上下满怀期望,目标连续开车180天。

  半个月后,意外出现了:生成的颗粒硅大若西瓜,将进料口彻底堵死了。“跌跌撞撞”坚持了一年多后,团队决定放弃此前的技术工艺。

  调整工艺后,开车时间延长到了68天。但新的问题又来了——热量传不进去,产量不到目标产能的1/10,且成本非常高。

  改进加热方式后,采用第三代技术工艺的流化床一次最长开车时间延长到了89天。

  虽然离目标还有不小的差距,但正如兰天石评价的:“就像竹笋在土下长了3年,在没有出头的时候,其实根已经非常深了。”

  转眼到了2016年,颗粒硅依然箭在弦上,公司内部有了杂音。朱共山不为所动,笃定继续加大投入。同时,他动员所有高管勒紧腰带过日子——工资砍半,奖金停发。但研发费用一分不少,研发人员工资和奖金一分不欠。

  又过了3年,协鑫科技颗粒硅产线实现超过180天长周期稳定运行。

  虽然开车时长、产量达标了,但颗粒硅品质还很不稳定,总金属杂质含量曾一度高达上百ppbw(十亿分之一,为以质量计数的浓度),且伴有“挂灰”“氢跳”等多个行业难题。

  精益求精练内功

  2019年,兰天石接棒,将颗粒硅从科研并入生产进行常态化管理。

  “现在回头看,这一步很重要。”兰天石解释,“好比到了半山腰,发现还有更好的方法,那就迭代,把之前的东西全抛弃掉。在公司每年10多亿元的研发投入里,我们甚至有一两个亿花在‘抛弃’上,因为没有想得特别好,或者‘想得太好了’。”

  接下来,协鑫科技采用模块化的方式,将目标锁定为某一代床,根据下游客户对产品的反馈,倒逼改进。

  “我们的目标是杂质含量小于10^-9。打个形象的比方,10亿只鸡蛋里边不能让一只‘坏蛋’混进去。”兰天石说,要提高质量,需要控制的指标非常多,为此大家做了无数次的正交实验。

  所谓正交实验,就是分析网格里每一个实验的结果,发现差异,找出中间可能对结果有正向影响的因子。

  与此同时,兰天石组织团队开始了快速自我迭代:从最初的1个流化床,迭代出多个流化床,将颗粒硅生产基地从徐州复制到了乐山、包头以及呼和浩特。

  终于在2020年,协鑫科技生产的颗粒硅被一步推向客户并获得实证,截至目前,总金属含量低于1ppbw的产品比例已超过85%。

  十年磨一剑。2011年至今,协鑫科技在颗粒硅研发及中试装置上已累计投入100多亿元。下一步他们要面对的,是即将到来的N型太阳能电池技术更迭浪潮。

  “习近平总书记最近在江苏考察时指出,能源保障和安全事关国计民生,是须臾不可忽视的‘国之大者’。”朱共山对记者说,“作为能源企业,我们要坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力,练就过硬本领,更好应对绿色贸易壁垒、全球化发展带来的挑战!”