攻下颗粒硅的“山头”
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！”
