多晶硅片，是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。熔融的單質(zhì)硅在過冷條件下凝固時，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結(jié)合起來，就結(jié)晶成多晶硅。

利用價值：從目前國際太陽電池的發(fā)展過程可以看出其發(fā)展趨勢為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。

多晶硅片多用于電子上和太陽能發(fā)電。

多晶硅片分為電子級和太陽能級。先說太陽能級的，是作為太陽能產(chǎn)業(yè)鏈的原料，用于鑄錠或拉單晶硅棒，在切成硅片，生產(chǎn)成太陽能電池板，就是衛(wèi)星、空間站上的太陽能帆板，大部分還是用在建太陽能電站了，國內(nèi)的太陽能電站很少，很為他雖然環(huán)保綠色，但成本很高，電費(fèi)貴，往往需要政府補(bǔ)貼，歐洲是全球使用太陽能最多的，也是中國太陽能電池板主要的銷售方向。電子級多晶硅用于生產(chǎn)半導(dǎo)體材料，主要用于電子設(shè)備，芯片上用的比較多。

硅本身沒有毒和放射性。

但是加工過程使用很多有毒物質(zhì)和強(qiáng)電磁輻射的機(jī)器。

沉積法制備光伏級多晶硅薄膜。一般以高純硅烷或三氯硅烷為氣源，采用化學(xué)沉積、物理沉積和液向外延法。沉積出的薄膜以非晶、微晶、多晶形式存在。但是非晶硅薄膜太陽能電池存在光致衰退現(xiàn)象，所以該方法研究的一個方面就是通過改變沉積條件或?qū)Ψ蔷Ч柽M(jìn)行再結(jié)晶制備多晶硅薄膜。上述方法中，物理氣相沉積沉積因存在“空洞”和懸掛鍵密度過高等問題而不能滿足滿足太陽能電池材料的要求。據(jù)報道，日本德山曹達(dá)公司建設(shè)了一座化學(xué)氣相沉積光伏級多晶硅薄膜實(shí)驗(yàn)廠，年產(chǎn)量200噸。這些方法工業(yè)化生產(chǎn)的主要問題在于沉積速度和晶化率；能耗并不低于硅烷法。

（4） 電化學(xué)沉積非晶硅薄膜或粉末。這種方法由莫斯科工程大學(xué)研制，主要步驟為采用自蔓延高溫合成方法獲得可溶性硅化合物，之后利用膜分離工藝和超高頻電解技術(shù)獲得5個9以上的非晶硅薄膜或粉末。該技術(shù)的思路來源于超高頻電解技術(shù)提取鈾。

課題研究內(nèi)容、目標(biāo)、具體考核指標(biāo)

1、 技術(shù)方案

無氯烷氧基硅烷生產(chǎn)多晶硅工藝包括5個步驟：三乙氧基硅烷合成；三乙氧基硅烷提純；三乙氧基硅烷歧化制取硅烷；硅烷提純；硅烷熱解制取多晶硅。該方法采用的工藝流程如圖1所示。

純乙醇和干燥、純度為99%、粒度為200目硅粉反應(yīng)生成三乙氧基硅烷。主要副產(chǎn)物為少量的四乙氧基硅烷。反應(yīng)在常壓、180°C條件下進(jìn)行，采用銅基催化劑。乙醇通過蒸餾回收循環(huán)利用。三乙氧基硅烷采用吸附提純或是蒸餾提純，去除四乙氧基硅烷。

提純后的三乙氧基硅烷在常壓和接近常溫條件下，通過液體催化劑進(jìn)行歧化反應(yīng)。分離出的甲硅烷通過吸附提純，然后在800°C下進(jìn)入流化床反應(yīng)器，通過熱分解，生成150-1500μm的粒狀多晶硅。

反應(yīng)過程中產(chǎn)生的主要副產(chǎn)物四乙氧基硅烷、氫氣通過下述反應(yīng)循環(huán)利用：

3Si（OC2H5）4+Si+2H2→4SiH（OC2H5）3 （50atm，150°C）

另外四乙氧基硅烷還可以被加工成很多貴重商品，如硅溶膠、有機(jī)硅液體和樹脂等。

2、研究內(nèi)容

（1） 三乙氧基硅烷合成、三乙氧基硅烷提純、三乙氧基硅烷歧化制取甲硅烷、甲硅烷提純、甲硅烷熱解制取多晶硅各個過程的最佳工藝條件的確定，包括反應(yīng)溫度、壓力、流量、吸附劑等；

（2） 三乙氧基硅烷合成、三乙氧基硅烷歧化制取甲硅烷、甲硅烷熱解制取多晶硅動力學(xué)研究。

（3） 三乙氧基硅烷合成、三乙氧基硅烷歧化制取甲硅烷催化劑評選，以及新型高效催化劑分子設(shè)計及制備研究。

（4） 四乙氧基硅烷制備三乙氧基氫硅烷的工藝研究。

（5） 整個工藝過程的仿真模擬，特別是流體流動狀態(tài)的模擬，為擴(kuò)大生產(chǎn)線規(guī)模提供理論指導(dǎo)。

3、研究目標(biāo)

（1） 確定無氯硅氧烷制備多晶硅工藝流程與工藝條件。

（2） 確定各個工藝過程的反應(yīng)速率或吸附速率等動力學(xué)參數(shù)，為生產(chǎn)裝置設(shè)計提供完整數(shù)據(jù)。

（3） 完成整個工藝過程的仿真模擬。

（4） 完成年產(chǎn)500公斤多晶硅實(shí)驗(yàn)室裝置。

4、具體考核指標(biāo)

（1） 硅粉轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%，乙醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%，三乙氧基硅烷對四乙氧基硅烷選擇性達(dá)到98%，三乙氧基硅烷歧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率90%。

（2） 多晶硅粉平均粒度800-1000μm。

（3） 多晶硅質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到國家一級標(biāo)準(zhǔn)。

雜質(zhì) 電阻率或濃度

體純度 施主 （P， As， Sb） 電阻率 ≤300Ω?cm

受主（B， Al） 電阻率 ≤ 3000Ω?cm

碳 ≤ 100ppba

體金屬總量

（Fe， Cu， Ni， Cr， Zn） ≤ 500pptw

表面金屬 金屬總量 ≤ 1000pptw

關(guān)鍵技術(shù)、創(chuàng)新點(diǎn)

1、關(guān)鍵技術(shù)

（1） 三乙氧基硅烷歧化反應(yīng)催化劑選擇以及工藝條件確定。

（2） 四乙氧基硅烷氫化回收工藝條件的確定以及四乙氧基硅烷的轉(zhuǎn)化率。

（3） 甲硅烷熱裂解工藝條件確定。

（4） 粒狀多晶硅表面雜質(zhì)含量的控制。

2、創(chuàng)新點(diǎn)

（1） 采用無氟、無氯工藝制備硅烷，原料和中間產(chǎn)物不對設(shè)備產(chǎn)生腐蝕。

（2） 甲硅烷分解采用流化床工藝，降低能耗。

（3） 產(chǎn)物為粒狀，適合于單晶硅連續(xù)加料拉制工藝。

（4） 采用閉路循環(huán)，提高原料利用率。

（5） 對工藝過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究同時，建立仿真模擬系統(tǒng)，為今后擴(kuò)大生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

五、現(xiàn)有基礎(chǔ)條件（初步研究工作、技術(shù)隊伍、裝備等）

1、初步研究工作

（1） 進(jìn)行了硅粉與乙醇合成三乙氧基氫硅烷的合成研究。取得的階段性成果包括：硅粉轉(zhuǎn)化率為95%，酒精轉(zhuǎn)化率為90%，三乙氧基硅烷選擇性達(dá)到97%。伴生產(chǎn)品為氫。制取的三乙氧基硅烷通過蒸餾，分離出未充分反應(yīng)的酒精，然后對三乙氧基硅烷進(jìn)行化學(xué)吸附提純。該方法已經(jīng)申請國家發(fā)明專利。

（2） 進(jìn)行了后續(xù)各個步驟的理論研究工作和初步實(shí)驗(yàn)摸索，證明此工藝路線是可行的。

多晶硅得危害大嗎

近年，尤其是2007年以來，我國多晶硅產(chǎn)業(yè)有著迅猛的發(fā)展。1000 t以上級別多晶硅生產(chǎn)裝置陸續(xù)建成。多晶硅的危害主要在其生產(chǎn)過程中有氫氣、液氯、三氯氫硅等有害物質(zhì)生成，生產(chǎn)過程中又存在火災(zāi)、爆炸、中毒、窒息、觸電傷害等諸多危險因素。

多晶硅生產(chǎn)過程中主要危險、有害物質(zhì)中氯氣、氫氣、三氯氫硅、氯化氫等主要危險特性有：

１）氫氣：與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱或明火即會發(fā)生爆炸。氣體比空氣輕，在室內(nèi)使用和儲存時，漏氣上升滯留屋頂不易排出，遇火星會引起爆炸。氫氣與氟、氯、溴等鹵素會劇烈反應(yīng)。

２）氧氣：易燃物、可燃物燃燒爆炸的基本要素之一，能氧化大多數(shù)活性物質(zhì)。與易燃物（如乙炔、甲烷等）形成有爆炸性的混合物。

３）氯：有刺激性氣味，能與許多化學(xué)品發(fā)生爆炸或生成爆炸性物質(zhì)。幾乎對金屬和非金屬都起腐蝕作用。屬高毒類。是一種強(qiáng)烈的刺激性氣體。

４）氯化氫：無水氯化氫無腐蝕性，但遇水時有強(qiáng)腐蝕性。能與一些活性金屬粉末發(fā)生反應(yīng)，放出氫氣。遇氰化物能產(chǎn)生劇毒的氰化氫氣體。

５）三氯氫硅：遇明火強(qiáng)烈燃燒。受高熱分解產(chǎn)生有毒的氯化物氣體。與氧化劑發(fā)生反應(yīng)，有燃燒危險。極易揮發(fā)，在空氣中發(fā)煙，遇水或水蒸氣能產(chǎn)生熱和有毒的腐蝕性煙霧。燃燒（分解）產(chǎn)物：氯化氫、氧化硅。

６）四氯化硅：受熱或遇水分解放熱，放出有毒的腐蝕性煙氣。

７）氫氟酸：腐蝕性極強(qiáng)。遇H發(fā)泡劑立即燃燒。能與普通金屬發(fā)生反應(yīng)，放出氫氣而與空氣形成爆炸性混合物。

８）硝酸：具有強(qiáng)氧化性。與易燃物（如苯）和有機(jī)物（如糖、纖維素等）接觸會發(fā)生劇烈反應(yīng)，甚至引起燃燒。與堿金屬能發(fā)生劇烈反應(yīng)。具有強(qiáng)腐蝕性。

９）氮?dú)猓喝粲龈邿?，容器?nèi)壓增大。有開裂和爆炸的危險。

１０）氟化氫：腐蝕性極強(qiáng)。若遇高熱，容器內(nèi)壓增大，有開裂和爆炸的危險。

１１）氫氧化鈉：本品不燃，具強(qiáng)腐蝕性、強(qiáng)刺激性，可致人體灼傷。

火災(zāi)、爆炸、中毒是多晶硅項目在生產(chǎn)中的主要危險、有害因素，另外，還存在觸電、機(jī)械傷害、腐蝕、粉塵等危險、有害因素。主要有：

１）氫氣制備：電解槽、氫、氧貯罐等，火災(zāi)爆炸、觸電、機(jī)械傷害。

２）氯化氫合成：氯化氫合成爐、氯氣、氫氣緩沖罐等，火災(zāi)爆炸、中毒、觸電。

３）三氯氫硅合成：三氯氫硅合成爐、合成氣洗滌塔、供料機(jī)等，火災(zāi)爆炸、中毒、腐蝕、觸電、機(jī)械傷害、粉塵。

４）合成氣分離：混合氣洗滌塔、氯化氫吸收塔、氯化氫解析塔、混合氣壓縮機(jī)等，火災(zāi)爆炸、中毒、腐蝕、觸電、機(jī)械傷害。

５）氯硅烷分離：精餾塔、再沸器、冷凝氣等，火災(zāi)爆炸、中毒、腐蝕、觸電、機(jī)械傷害。

６）三氯氫硅還原：三氯氫硅汽化器、還原爐、還原爐冷卻水循環(huán)泵等，火災(zāi)爆炸、中毒、腐蝕、觸電、機(jī)械傷害。

７）還原尾氣分離：混合氣洗滌塔、混合氣壓縮機(jī)、氯化氫吸收塔等，火災(zāi)爆炸、中毒、腐蝕、觸電、機(jī)械傷害。

８）四氯化硅氫：化四氯化硅汽化器、氫化爐等，火災(zāi)爆炸、中毒、腐蝕、觸電、機(jī)械傷害。

通過以上分析，火災(zāi)爆炸、化學(xué)中毒是主要潛在危險、有害因素，在工藝、設(shè)備、設(shè)施和防護(hù)方面存在隱患和缺陷時，非常容易發(fā)生，所以應(yīng)針對可能發(fā)生的原因，采取防范措施預(yù)以積極排除。