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年产200t单晶硅及1200万片单晶硅切片生产线项目
来源:吉林省投资促进网

  一、 产品概述

  硅是地球上储藏最丰富的材料之一,从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后,它几乎改变了一切,甚至人类的思维。直到上世纪60年代开始,硅材料就取代了原有锗材料。硅材料――因其具有耐高温和抗辐射性能较好,特别适宜制作大功率器件的特性而成为应用最多的一种半导体材料,目前的集成电路半导体器件大多数是用硅材料制造的。现在,我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用,晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。

  单晶硅也称硅单晶,是电子信息材料中最基础性材料,属半导体材料类。单晶硅已渗透到国民经济和国防科技中各个领域,当今全球超过2000亿美元的电子通信半导体市场中95%以上的半导体器件及99%以上的集成电路用硅。

  高纯的单晶硅棒是单晶硅太阳电池的原料,硅纯度要求99.999%。单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池,它的构和生产工艺已定型,产品已广泛用于空间和地面。为了降低生产成本,现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒,材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料,经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒。单晶硅是转化太阳能、电能的主要材料。在日常生活里,单晶硅可以说无处不在,电视、电脑、冰箱、电话、汽车等等,处处离不开单晶硅材料;在高科技领域,航天飞机、宇宙飞船、人造卫星的制造,单晶硅同样是必不可少的原材料。

  在科学技术飞速发展的今天,利用单晶硅所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能,实现了迈向绿色能源革命的开始。现在,国外的太阳能光伏电站已经到了理论成熟阶段,正在向实际应用阶段过渡,太阳能单晶硅的利用将普及到全世界范围,市场需求量不言而喻。

  二、市场需求预测

  (一)国外市场分析及预测

  (1)太阳能光伏发电

  目世界光伏组件在过去15年快速增长,21世纪初,发展更加迅速,最近三年平均年增长率超过20%。2006年光伏组件生产达到1282MW。在产业方面,各国一直通过扩大规模、提高自动化程度,改进技术水平、开拓市场等措施降低成本,并取得了巨大进展。商品化电池效率从10-13%提高到16-17.5%。单条生产线生产规模从1-5MW/年发展到5-35MW/年,并正在向

  50MW甚至100MW扩大;光伏组件的生产成本降到3美元/瓦以下。

  (2)21世纪世界光伏发电的发展将具有以下特点:

  ①产业将继续以高增长速率发展。多年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域之一。预测今后10年光伏组件的生产将以20-30%甚至更高的递增速度发展。光伏发电的未来前景已经被愈来愈多的国家政府和金融界(如世界银行)所认识。许多发达国家和地区纷纷制定光伏发展规划,如到2010年,美国计划累计安装4.6GW(含百万屋顶计划);欧盟计划安装3.7GW(可再生能源白皮书);日本计划累计安装5GW(NEDO日本新阳光计划),预计其他发展中国家1.5GW(估计约10%),预计世界总累计安装14-15GW。到下世纪中叶,光伏发电成为人类的基础能源之一。

  世界光伏市场和产业在政策法规和各种措施的强力推动下呈快速、增速发展。

  △最近10年的平均年增长率为28.6% (从1996年的105MW增加到2006年的1282MW)。

  △最近5年的年平均增长率为36.8%(从2001年的261MW增加到2006年的1282MW)。

  ②随着太阳能光伏组件的成本逐渐下降,光伏发电系统安装成本每年以5%速率降低。降低成本可通过扩大规模、提高自动化程度和技术水平、提高电池效率等技术途径实现。因此今后太阳电池组件成本逐渐降低是必然的趋势。

  ③光伏产业向百兆瓦级规模和更高技术水平发展。目前光伏组件的生产规模在5—20MW/年。许多公司在计划扩建和新建年产50—100MW级光伏组件生产厂。同时自动化程度、技术水平也将大大提高、电池效率将由现在的水平(单晶硅15%-17%,多晶硅13%-15%)向更高水平(单晶硅18%-20%,多晶硅16%-18%)发展。

  ④太阳能光伏建筑集成及并网发电的快速发展。建筑光伏集成具有多功能和可持续发展的特征,建筑物的外壳能为光伏系统提供足够的面积,不需要占用昂贵的土地,省去光伏系统的支撑结构;光伏阵列可以代替常规建筑材料,从而节省安装和材料费用,例如常规外墙包覆装修成本与光伏组件成本相当;光伏系统的安装可集成到建筑施工过程,降低施工成本;在用电地点发电,避免传输和配电损失(5-10%),降低了电力传输和配电的投资和维修成本;集成设计使建筑更加洁净、完美,更使人赏心悦目,更容易被专业建筑师、用户和公众接受。太阳能光伏系统和建筑的完美结合体现了可持续发展的理想范例,国际社会十分重视,许多国家相继制定了本国的屋顶计划。

  (二)国内市场分析预测

  2002年以来,随着尚德、英利等新建规模企业的陆续投产和原有企业的产能扩张,中国光伏组件生产规模年均增长300%以上。尽管2003年底以来硅片的短缺多少影响了中国光伏产量的进一步放大。截止2007年底中国光伏电池总产能超过800MW,组件总产能超过1200 MW,并且仍然不断有企业新进投资光伏产业。中国光伏组件的生产能力已经跻身世界前三行列。

  中国光伏产业的高速增长是在世界光伏市场需求急剧增长情况下取得的,由于国际上光伏最大市场的并网应用在国内仍然处于零星示范论证阶段,中国光伏生产规模的增量大部分用于出口市场。未来中国光伏市场的持续增长仍然需要政府出台相关支持政策。

  我国光伏组件生产逐年增加,成本不断降低,市场不断扩大,装机容量逐年增加。应用领域包括农村电气化、交通、通讯、石油、气象、国防等。特别是光伏电源系统解决了许多农村学校、医疗所、家庭照明、电视等用电,对发展边远贫困地区的社会经济和文化发挥了十分重要的作用。

  20年来我国光伏产业已经形成了较好的基础,但在总体水平上我国同国外相比还有很大差距。根据光伏工业自身的发展经验,生产量和规模每增加一倍,成本下降约20%。我国政府于04年4月在德国柏林召开的全球可再生能源发展会议上对外承诺,至2010年中国可再生能源将达到总发电装机容量的10%,其中光伏系统为450MW。至2020年中国可再生能源将达到总发电装机容量的20%,以此推算,光伏系统的安装容量将达到4~8GW。光伏的发电成本在2020年估计在每千瓦时0.5~1.0元,在相当大的市场上开始具有竞争力,在2030年左右,则在几乎整个电力市场上都具有竞争力。

  三、产品方案及生产规模

  (一)产品方案

  年产200吨8英寸单晶硅(硅纯度为99.9999%)及1200万片单晶硅切片,产品主要用于单晶硅太阳电池的制造,是单晶硅太阳电池的主要原料。

  (二)生产规模

  年产200t单晶硅及1200万片单晶硅切片。

  四、原料来源

  本项目原辅材料消耗按年产200t单晶硅计算,本项目的主要原材料是硅料及辅助材料。

  主要原料硅材可从国内和国外采购,原辅材料可从吉林市及周边地区获得。

主要原辅材料供应一览表

  序号

  原辅材料名称

  包装规格

  单位

  消耗量

  1

  多晶硅料

  /

  t/a

  192

  2

  氢氟酸(55%)

  5kg/桶,塑料桶

  t/a

  96

  3

  硝酸(65%)

  15kg/桶,塑料桶

  t/a

  102

  4

  片 碱

  50kg/袋,蛇皮袋

  t/a

  30

  5

  冰醋酸(99%)

  15kg/桶,塑料桶

  t/a

  48

  6

  双氧水(30%)

  15kg/桶,塑料桶

  t/a

  0.48

  7

  氨 水(30%)

  15kg/桶,塑料桶

  t/a

  0.48

  8

  无水乙醇

  1kg/瓶,玻璃瓶

  t/a

  0.72

  9

  免清洗单晶硅料

  /

  t/a

  288

  10

  液氩

  /

  m3/a

  3200

  11

  切割液

  200kg/桶,塑料桶

  t/a

  540

  12

  SiC粉末

  /

  t/a

  540

  13

  洗涤剂

  /

  t/a

  14

  14

  磨液

  10kg/桶,塑料桶

  t/a

  3.2

  15

  细砂(喷砂用)

  /

  t/a

  3.2

  16

  外购硅片

  /

  万片/a

  40

  五、工艺技术

  (一) 工艺技术路线

  本项目投产后,产品产量为:单晶硅200t/a(切割能力约1200万片/a)。其工艺包括前道硅料腐蚀,单晶硅生产,单晶硅切片,以下分别介绍各工艺:

  (1)硅料腐蚀工艺

  1)硅料酸洗腐蚀工艺

  图1硅料酸洗腐蚀生产工艺流程图

  ①废硅料。主要为多晶硅料、头尾料和锅底料等不可直接利用的原料。

  ②分选、打磨/喷砂。即根据硅料的电阻率(利用电阻仪进行测试)不同进行分类(以电阻率0.1Ω·cm为界限,即0.1Ω·cm以上的硅料方可利用),同时去除表面肉眼可见的杂质,并将分类的废硅料进入下一道工序生产;若硅料表面较脏且人工无法去除,则采用打磨或喷砂的方式进行去除;部分硅料需利用无水乙醇进行擦拭,以去除其表面的少量油污。

  ③装篮、浸泡腐蚀、超声波清洗、冲洗。将需要酸洗的硅料放入塑料防腐蚀篮内,装入质量约3kg/个;若废硅料表面杂质较多,则需要进入氢氟酸(浓度为55%)腐蚀槽进行浸泡腐蚀,硅料放入后立即关闭腐蚀槽,操作条件为常温,时间约24h~48h/批,主要去除硅料表面的SiO2杂质及金属杂质;若废硅料表面较清洁,则可将装篮的废硅料直接放入超声波清洗机内进行清洗去除硅料表面的少量油脂,主要加入一些洗涤剂(如无磷洗衣粉等),时间约10~15min;经超声波清洗后将硅料用自来水进行冲洗(2遍)。

  ④酸洗、清洗、冲洗。将经氢氟酸浸泡或冲洗后的部分硅料放入酸洗槽内进行酸洗,硅料放入后浸泡2~3min后即酸洗完毕,主要去除硅料表面的SiO2杂质及金属杂质;少量硅料由于表面酸洗不彻底需对其利用1号清洗液(由双氧水〈33%〉、氨水〈30%〉及自来水按1:1:7的体积比进行配比)进行清洗处理;酸洗或清洗完毕后利用高纯水进行冲洗(共6道)以去除硅料表面残留的酸液。

  ⑤超声波清洗、高纯水浸泡。将冲洗后的硅料放入超声波清洗机内进行清洗,进一步去除硅料表面附着的残留酸液,使其表面无酸液附着;之后将清洗完毕的硅料放入高纯水中浸泡5min,用以去除硅料表面痕量的酸液,直至确定无酸液附着(主要测试高纯水电导率来确定,要求在0.8μs/cm以下)。

  ⑥甩干、烘干、包装入库。经高纯水浸泡后的硅料放入甩干机内进行甩干以去除硅料表面残留的水分,之后送入烘箱(采用电加热)内进行烘干处理对硅料进行彻底干燥(烘干温度为115℃,时间约0.5~5h不等);经烘干后的硅料即可包装入库,以便进行后道加工。

  2)硅料碱腐蚀+酸洗工艺

  

  2硅料碱腐蚀+酸洗生产工艺流程图

  工艺流程说明:

  ①硅料、分选、装篮、浸泡腐蚀、超声波清洗、冲洗。其工序与前述酸洗腐蚀工艺一起完成,除酸洗腐蚀外的部分硅料,采用碱腐蚀+酸洗工艺。

  ②腐蚀、清洗、超声波清洗。将冲洗后的硅料放入碱腐蚀槽(1个,规格为Ф1m×1m)内进行腐蚀,硅料放入后腐蚀时间在30s~10min不等,腐蚀温度约80℃,主要去除硅料表面的SiO2等非金属杂质;另外,腐蚀槽上方设置集气抽风装置,进出料时开启抽风装置,产生的碱雾进入废气处理设施处理;腐蚀完毕后的硅料利用高纯水进行清洗(共3道),以去除硅料表面残留的碱液;之后利用超声波清洗进一步去除硅料表面残留的痕量碱液。

  ③酸洗、浸泡。将超声波清洗完毕的硅料送入酸洗槽(0.20m2,1个)内进行酸洗,硅料放入后浸泡2~3min后即酸洗完毕,进一步去除硅料表面的SiO2杂质及金属杂质;酸洗完毕后将硅料放入氢氟酸(浓度为5%)浸泡槽(1个,面积为1.0m×1.0m)内进行浸泡3~5min使硅料表面的金属非金属杂质基本上清除完毕(运作时间约为8h/d)。

  ④冲洗、超声波清洗、高纯水浸泡、甩干、烘干、包装入库。上述工序说明具体见前述酸洗腐蚀工艺流程说明。

  (2)单晶硅生产工艺

  3单晶硅生产工艺流程图

  工艺流程说明:

  ①硅料。单晶硅生产过程中使用的硅料,均为成品(无需再进行腐蚀、酸洗等处理;其中部分硅料由企业自身腐蚀、酸洗得到,其余均由外单位进行腐蚀加工)即可投炉加工。

  ②配比装炉、拉晶、冷炉拆炉。即将成品硅料根据要求与相应的母合金(主要是P、Be等元素含量多一点的硅片,加入量约为硅料加入量的百万分之一)进行混合装入单晶炉内拉晶(控制温度约为1420℃,时间约为30~40h/批,每批生产量约为20kg/炉;拉晶过程中单晶炉内采用液氩作为保护气体;该过程主要是利用高温使高纯硅在单晶炉内熔融并使原子进行有序排列,待有序排列完毕后由单晶炉上方拉晶成柱状硅棒);硅棒生长完毕后对单晶炉进行冷却,之后将硅棒从单晶炉内卸下,以便后道加工处理。

  ③测试、分段。利用各类检测设备对成规则柱状硅棒进行电阻率、氧、碳等成分进行测试,经测试合格后(测试不合格的硅棒则送单晶炉或结晶炉作回炉重新拉晶处理)送入切断机内进行分段处理(一般直径为125mm,长度以30~40cm不等)便得到成品硅棒,分段的目的主要是使硅棒能够顺利进入切片机内进行切片处理;分段过程采用自来水对设备进行冷却,经冷却后排入厂区内污水处理设施。

  

  (3)单晶硅片切割生产工艺

  4单晶硅片切割工艺流程图

  切片后的清洗过程包括以下步骤:硅片→自来水洗→纯水洗(2道)→清洗剂清洗(3道)→纯水洗(2道)→离心甩干

  工艺流程说明:

  ①硅棒。去头尾、切方,即利用切断机对硅棒进行去头尾处理,之后利用切方机对其进行切方处理使其成为规则柱状;然后进行分段。其头尾切料及废硅料回炉利用。该过程采用自来水对设备进行冷却,经冷却后排入厂区内污水处理设施。

  ②切片。将分段的成品硅棒送入切片机内进行切片处理(每台切片机需加入250kg切割液及250kgSiC粉末作为冷却液,其在使用过程中经设备自带的过滤装置过滤后循环使用、定期排放;更换量约8.0t/d);切片得到的硅片厚度约为200μm。

  ③清洗、离心甩干。对切好的硅片须进行清洗处理,主要包括自来水洗(时间约6min,控制温度为30~40℃)、纯水洗(2道,每道控制条件为:时间约6min,温度为30~40℃)、清洗剂清洗(共3道,其中前两道清洗剂浓度为5%,后道为1~2%,每道控制条件为:时间约6min,温度为65℃)、纯水洗(2道,每道控制条件为:时间约6min,温度为30~40℃),经清洗后的硅片送入离心机内进行甩干处理以去除硅片表面残留的少量水分。

  ④检测、包装。对成品硅片进行检测(主要对其电阻率、氧、碳等成分及外观),经检测合格后即可包装出厂。

 

  (4)研磨硅片生产工艺

  5研磨硅片生产工艺流程图

  工艺流程说明:研磨硅片生产过程中使用的原料均为外购成品,之后将硅片依次放入硅片研磨机内(每次加工量为15片,该过程需加入磨液避免硅片在研磨过程中发生破裂并达到相应的研磨效果〈主要为硅片厚度及表面亮度〉);之后将研磨完毕的硅片放入超声波清洗机内进行清洗(共3道,采用高纯水,每道时间约6min,控制温度为30~40℃);清洗完毕后在自然条件下风干即为成品,经包装后即可出厂。

  六、经济效益估算

  固定资产总投资:本次投资固定资产总额为10500万元,其中;

  设备及安装工程: 9559万元(540万美元);

  建设期利息120万元;

  其他费用:821万元。

  项目总投资:13000万元(含铺底流动资金2500万元)。

  流动资金:8000万元(含铺底流动资金2500万元)。

  资金来源:固定资产投资由企业自筹6000万元,或银行贷款4500万元。流动资金银行贷款5500万元,企业自筹2500万元。

  达产后,年销售收入66000万元;增值税2247万元,所得税1742万元,利润总额为6970万元。

  七、联系方式

  联系单位:吉林经济技术开发区投资促进一局

  联 系 人:赵霞、吴春雷

  联系电话:0432-63451928、63451984

  手机:13364400656、15981180372

  传真:0432-63451984

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