太阳能电池级石英的制造工艺和原料

太阳能电池级石英的制造工艺和原料E?拉尔森 等摘 要 晶体硅太阳能电池是目前最重要的太阳能电池。 下一个十年中很可能仍将保持这种现状。未来的硅原料很可能不再是电子级硅生产废料。 将会出现一种更为直接的太阳能级硅生产方法 ,它将 “ 绕弯道” 的电子级硅生产工序排除在外。2001 年预测的全球太阳能电力需要量要求大约 5 500 t 硅原料。这一数量的硅原料需要 6 500 t 石英。如果这一趋势继续下去 ,2010 年的太阳能电力需要量将会需要大约 30 000 t 硅原料和 350 000t 石英。 不过石英的需要量可能要低于这一数值。 在太阳能电池生产链中石英岩一直被认为是最适合的初级原料。因为冶金级硅生产的原料要求很可能会发生变化 ,这种情形可能也要变化。 另外 ,石英或者产自其它岩石中的含 SiO2 矿物可能具有较高的纯度 ,或者包含较少数量的有害元素。 这有利于未来太阳能级硅原料生产链中初级原料的深度选矿。关键词 太阳能电池 硅原料 选矿 石英概 述由于温室效应引发的公众关心和政策压力使得人们对可再生能源产生了更大的兴趣 。 太阳能电池或光生伏打电池电力是一种最有前途的技术 。 估计其年增长率约为 20 %～ 25 % ,去年的增长率甚至达到了 40 %。太阳能电池主要以半导体材料硅为基础 。 硅在市场中起如此主要作用的最重要原因是在光伏电池出现以前硅技术就已经取得了很大的进展 。 半导体市场使用的高纯度材料已经生产成功 ,并且钢铁和铝工业中使用量极大的冶金级硅也已经生产成功 。挪威是硅铁合金和金属硅主要生产国 。 在该国利用其生产能力和资源的光伏电池工业的出现是一种新的趋势 。 一些公司和大学正在参与研究工作 ,特别是一些与太阳能硅原料相关的研究工作 。 占有15 %市场份额的世界最大金属硅生产商 Elkem 公司已极大地加强了对太阳能级硅的重视程度 。 挪威也已经成为一个太阳能电池工业用的多晶硅片的主要生产国和供应国 。 ScanWafer 公司占有世界多晶硅片产量 10 %的市场份额 ,正在兴起的挪威光伏电池工业就是以该公司为中心的 。 ScanWafer 公司将电子级硅废料和次品加工成全球光伏电池制造商使用的硅片 ,去年它的生产能力从 20 MW 扩大到了50 MW 。通过对硅片生产过程的自动化 、 尽量降低硅锭成形过程中的损耗 、 减少并回收锯切的废料和降低硅片破损等来提高生产效率 。 该公司坚信即使原料价格不下降 ,在接下的来 3～ 4 年中也能实现成本降低 40 %的目标 。由于硅片占有多晶硅光伏电池组件约 49 %的成本 ,这说明 ,若组件成本大幅度下降 ,就意味着能源成本更具竞争性 。与太阳能电池有关的主要问题是生产成本 。 目前火电和水电要比太阳能电池电力便宜许多 。而且 ,制造晶体硅太阳能电池的硅原料供应数量有限 ,它被认为是对光伏电池工业进一步增长的主要障碍 。 生产硅原料的典型技术路线是 :石英 → 冶金级硅 (M G - Si) → 电子级硅 ( EG - Si) 。 然后用 EG - Si生产的废料制造硅片和太阳能电池 。然而 ,这种情形并不能令人满意 ,因为它会引起硅原料的短缺 。数量本身不是争论的焦点 ,具有合适价格的数量才是问题的所在 。除去昂贵的价格以外 ,对许多元素而言 ,硅原料 (EG - Si 废料 ) 的纯度超过了光伏电池工业纯度要求的 1 000倍 。极其昂贵的硅原料生产方法以及浪费巨大的硅片生产过程是未来晶体硅太阳能电池生产扩张的最主要威胁 。来自全球化工行业的一些主要团体有建立太阳能级硅 (硅原料 ) 供应源的计划 。 日本川崎钢铁公司建起了一座小型试验厂 ,进行冶金级硅提纯为太阳能级硅 (SoG - Si) 的研究 ,但是 ,是否能将它放大为具有足够规模的为光伏电池工业服务的工厂还不清楚 。 此外 ,在针对专用 SoG - Si 供应而进行的研究当中 ,挪威可以发挥重要的作用 。 上个世纪 ,对于能源密集的化学和冶金加工业而言 ,充裕而廉价的水电 资 源 使 得 挪 威 处 于 一 个 具 非 常 优 势 的 地 位 。Elkem 公 司 去 年 与 美 国 电 池 和 组 件 生 产 商 As2tropower 公司签订了一份建设一个低成本 、 大容积光伏电池硅原料制造设备的技术合作协议 。可是 ,2005 年以前此协议对光伏电池 SoG - Si 市场的影响很可能是有限的 。但是 ,有助于解决近期光伏电池工业原料问题02 国 外 金 属 矿 选 矿 2005. 4的最好办法也许来自于一个日本 / 美国 / 欧洲的合资经营项目 。 3 月末 ,挪威可再生能源公司 (REC) 签订了一份意向性文字材料 ,以资金和技术开发能力作为与 ASiM I 公司合资项目的股份 。由于电子工业滑坡 ,ASiM I 公司一座产量为 3 000 t 的硅烷气体生产厂处于闲置状态 。 合资目的是利用该厂生产太阳能用途的多晶硅 。1 太阳能电池的现状111 太阳能电池分类目前太阳能电池的两种主要类型是晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。 晶体硅太阳能电池主要包括单晶 、 多晶和硅带太阳能电池 ,而薄膜电池最常用的材料包括非晶质硅 (a - Si) 、 镉碲化物 (CdTe) 和铜铟 (镓 ) 的二硒化物 (CIS 或 CIGS) 。其它种类的太阳能电池包括电化学 (色敏 ) 电池 、 有机电池及另外的薄膜技术 。单晶硅太阳能电池用被称作毛坯的生长单晶硅制造的 ,毛坯被切割成约 300μ m 厚的硅片 ,再由这些硅片制造太阳能电池 。 多晶硅太阳能电池的制造方式与此相似 。在进行太阳能电池的最终制造以前 ,硅先被铸成硅锭 ,而后被切割成硅片 。 硅的生长和铸造是极其耗能的 ,切片也是一个非常昂贵且会发生大量损耗的过程 。 硅带太阳能电池避免了锯切过程 。 借助一个石墨铸模将结晶硅拉成片状硅 ,这样材料损失很小 。薄膜太阳能电池的制造是借助半导体材料在涂层玻璃或钢片上的淀积 。 许多气相淀积技术被用于生产此类太阳能电池 ,该类电池需要的半导体材料非常少 。单晶硅和多晶硅太阳能电池是当今最重要的太阳能电池 。 这主要与硅技术的发展史有关 ,但是也和此类电池比多数其它太阳能电池技术具有较高的电池转换效率有关 。今天 ,在实验室中单晶硅太阳能电池的最高电转换效率已达到了 2417 % ,此数值很接近于理论最大值 。然而 ,可以获得商业应用的单晶硅和多晶硅太阳能电池的运行效率约为 12 %～ 16 % ,单晶硅太阳能电池略具优势 。其它商业型太阳能电池的运行效率低于 10 %。 这意味着 ,低效率太阳能电池比高效率太阳能电池需要更大的面积 ,这也影响到电能成本 。112 从石英到晶体硅太阳能电池现今多数太阳能电池是以硅片为基础的。 这包括分别采用生长法制造的单晶毛坯和采用铸造法制造的多晶铸锭 。 标准的硅片制造技术可以分成如下几个阶段 :1) 原料的开采和选别 ;2) 石英炭热还原为冶金级硅 ( M G - Si) ;3 ) 采用气相分解 、 蒸馏和还原技术将冶金级硅提纯为电子级硅 ( EG - Si) ;4 ) 电子级硅生产废料 、 回收的毛坯 / 硅锭头尾切割料以及硅片锯切损耗料的熔炼和再结晶 ;5 ) 将毛坯或硅锭切割成硅片 。 成品硅片被进一步加工成太阳能电池 ,并经过封装成为太阳能电池组件 。硅是地壳中含量位居第二的元素 ,是所有普通硅酸盐矿物的一种主要成分 。 这些矿物构成了许多种常见岩石 。 硅与氧具有非常强的亲合力 ,与氧结合可生成石英 (SiO2)和各种硅酸盐矿物 。虽然硅大量地存在于多种岩石和矿物中 ,但是石英岩是当今冶金级金属硅生产中最常用的原料。 这是因为石英岩几乎是一种单矿物岩石 ,而且储量比较丰富。 此外 ,炭热还原工艺还要求石英具有高热强度和特定粒度。 块状石英岩的正常粒度在 10～ 150 mm 范围之内。 这样 ,对冶金级金属硅生产来说 ,石英的选矿仅限于将其破碎至小块状 ,并进行筛分和洗矿。 因此 ,块状石英价格相对便宜 ,约为 40 ＄ / t 。冶金级硅是在电弧炉中用炭 (煤 、 木屑或焦炭 )还原块状石英而制成的 ,生产过程中消耗电能 ,依据的总反应方程为 :SiO2 + 2C → Si + 2CO (1)多数工厂生产 1 t 金属硅的电能消耗为 11～ 13MWh 。 硅成品率按 85 %～ 90 %计算 ,生产 1 t 金属硅约需 214 t 石英。 产品的纯度取决于石英和还原剂的纯度。 冶金级硅的纯度一般为 99 % ,其中的主要杂质是 Al (1200～ 4000 ppm) 、 Fe(1600～ 3000 ppm) 、Ca(400～ 900 ppm) 和 Ti (150～ 200 ppm) 。 B 和 P 的含量一般在 20～ 60 ppm 范围内。 比硅惰性的元素将被还原而进入硅产品中 ,此后净化它们是困难的 ,且费用高昂。 MG- Si 的价格约为 1～ 2 ＄ / kg。太阳能电池中使用的硅或者是通常所说的太阳能级硅 (SoG - Si) 必须要比 M G - Si 纯净的多 ,有害元素的含量约为 1 ppm (取决于元素种类 ) 。对多种杂质已确定了其不降低太阳能电池质量的容许浓度 。 根据 Van Den Avyle 等人的研究 ,太阳能级硅中 B 、 P、 Fe、 Ca、 Ti 、 Al 、 C 和 Na 等杂质的含量应低于1 ppm ,金属类杂质含量要低于 1 ppb 。 Rohatgi 等人研究了 Ti 、 Cu 和 Fe 的容许浓度 。 他们发现 ,浓度高于 4?1011个原子 / cm3 (～ 8 ppt ) 时钛会严重降低硅太阳能电池效率 。 Ti 浓度为 2?1014个原子 / cm3 (～4 ppb) 时会导致电池效率损失 63 %。 Cu 浓度低于122005. 4 国 外 金 属 矿 选 矿 1016个原子 / cm3 (～ 012 ppm) 对电池效率的影响是微不足道的 ,高于这一浓度时 ,Cu 偶尔会引起电池效率损失 10 %～ 15 %。 铁浓度高于 2?1014个原子 /cm3 时 ,开始对电池效率产生不良影响 。铁浓度为117?1015个原子 / cm3 (～ 35 ppb) 时会导致电池效率损失 46 %。 然而 ,今天尚未有太阳能级硅的工业化生产 。 它的生产要借助于纯净且很昂贵的电子级硅( EG - Si) 。生产电子级硅的标准方法是西门子工艺 ,首先将硅转化为含硅气体 (氯化硅烷 ) ,然后采用蒸馏法提纯 ,且用氢气将硅烷气体还原为硅 ,其总反应方程为 :Si + 3HCl → HSiCl3 + H2 (2)4HSiCl 3 + 2H 2 → 3Si + SiCl4 + 8HCl (3)此过程中硅成品率相当低 。约 80 %的初始冶金级硅原料在提纯过程中被损失掉了 。同样 ,能耗也是非常高的 。这使得 EG - Si 的价格非常昂贵 ,每公斤的售价约为 50～ 60 美元 。另外 , EG - Si 的纯度 (ppb～ ppt) 远远超过了光伏电池工业的纯度要求 (ppm～ ppb) 。因此 , EG - Si 生产废料被用于太阳能电池的生产 ,废料价格为 25～ 30 ＄ / kg。单晶硅和多晶硅太阳能电池的下一步生产分别包括能量密集而昂贵的生长和铸造工艺 ,特别是单晶硅的生产最为昂贵 。 硅锭要通过一个硅片锯切过程 ,在此过程中 ,一半以上的硅以截口或切割损失的形式被浪费掉了 。另外 ,现今的切片工艺不允许硅片厚度低于 200～ 300μ m 。 这导致硅片价格极其昂贵 ,约 200 ＄ / kg。 最后 ,硅片被用于制造太阳能电池并被装配到太阳能电池模块中 。为了生产 1MW p ,硅基光伏工业约需要 15～ 20t 硅原料 。 因此 ,330 MW p , (约等于 2001 年晶体硅组件市场 ) 的全球产量需要总量约 5 500 t 硅原料 。此数量的硅原料需要大约 27 500 t 的 M G - Si 和65 000 t 石英 。然而 ,回收废料尤其是回收硅片生产过程中的废料会使这些数量大大降低 。根据 Sauar 的研究结果 ,太阳能电池组件的生产成本主要与硅片制造 (～ 33 %) 、 电池生产 ( ～25 %) 和组件装配 (～ 33 %) 三个过程有关 。包括采矿 、 选矿 、 冶金级硅生产和 EG - Si 废料生产等过程在内的硅原料生产过程约占总组件成本的 8 %( 图1) 。 EG - Si 废料生产成本占据了这些成本的绝大部分 ,而采矿和选矿过程成本仅仅占有这 8 %的很小一部分 。113 市场的发展1990 年到 2001 年太阳能发电量的年平均增长率约为 22 % ,但是 ,2001 年全球太阳能电池产量增长了 3917 % ,达到 40114 MW 。根据 Schmela提供的数据 ,日本占 2001 年全球电池产量的 43 % ,欧洲公司的产量 (2416 %) 首次超过了它们的美国同行(2416 %) 。1980 年以来各种太阳能电池技术市场份额的分配情况 (见图 2) 说明晶体硅电池技术的优势地位正在不断加强 。 我们同样可以看到多晶硅太阳能电池已经赶上了甚至超过了作为最主要技术的单晶硅太阳能电池 。 现在多晶硅和单晶硅太阳能电池分别占太阳能电池市场的 50 %和 30 %。图 2 各种太阳能电池技术的市场份额电子级硅生产废料不超过目前 EG - Si 约20 000/ a 总产量的 15 %。晶体硅组件具有特定硅需要量 ,其代表数据约为 15～ 20 t/ MWp ,2001 年电池组件的出厂量估计在 400 MW 左右 ,因此 ,目前光伏电池工业硅原料用量超过 EG - Si 废料可供应量 75 %的事实是明显的 。 短缺的数量用 EG - Si 次品来弥补 ,但代价很大 。次品要比光伏电池工业通常使用的废料贵 15 %～ 60 % ,并且是因为电子工业正在经历一个下降趋势 ,这样的价格才有可能 。2 未来的太阳能电池211 市场趋势如前所述 ,1990 年到 2001 年期间太阳能电力需要量的年平均增长率约为 22 %。如果这一趋势继续下去 , 2010 年太阳能电力需要量约为 2 200MWp (图 3) ,根据目前情况计算 ,这将需要 30 000 t硅原料和 350 000 t 左右的石英 。在过去的 20 年当中 ,晶体硅一直是太阳能电池生产的主要原料 ,可以预期这种领导地位会继续保22 国 外 金 属 矿 选 矿 2005. 4图 3 太阳能发电量的市场增长情况持 。 这主要是以已经建立起来的制造硅设备的大型工业为根据 。 许多趋势正在显现 。 多晶硅的应用增长比单晶硅要迅速得多 。 对高效太阳能电池越来越重视 ,电池制造技术也允许使用大而薄的硅片 。带状硅方面技术也不断取得进展 ,这种材料的产量不断增加 。 同样 ,市场前景对太阳能电池需要量的持续增长也是有利的 。今天的一个关注焦点是制造太阳能电池所用的高度精炼硅的未来供应情况将会怎样 。 一个太阳能电池组件的成本约有 40 %来源于硅片生产成本 ,这其中有很大一部分是来源于 EG - Si 生产废料的价格 。 如果两种工业以相同的速度增长 ,这种对电子工业的依赖性才能够维持下去 。 当废料供应出现短缺时 ,太阳能电池制造商不得不以相对高的价格购买合格的电子级硅原料 。然而 ,太阳能电池不需要具有极高质量的电子级硅或者它的生产废料 。这样 ,注意力就被引向了以一种更为直接的方法制造太阳能级硅 (SoG - Si) 。212 技术进展也许最有前途的太阳能级硅生产方法是采用在熔融状态下首先将杂质尤其是 B 和 P 予以净化 ,而后将熔体定向固化的办法来提高冶金级硅的纯度 。除 B 和 P 以外 ,多数杂质可以通过定向固化予以除去 ,然而 Khattak 等人提出的一种工艺可以将 B 和P 的含量分别降低至 1 和 10 ppm 以下 。所有其它杂质的含量降低至 011 ppm 以下 。 这一改进的提纯工艺与 M G - Si 生产厂的实际情况是类似的 ,它包括与湿气反应 、 气体吹炼和造渣等过程 。 因此 ,这种技术可以比较容易地在现有的 M G- Si 生产厂中获得应用 。 通过提高 M G- Si 质量的办法生产 SoG -Si 的成本估计会低于 10 ＄ / kg。Elkem 公司的目标在于制造供薄膜硅太阳能电池生产用的高质量冶金级硅 ( UM G - Si) 基底 。制造在 UM G- Si 基底上面的薄膜硅太阳能电池具有低成本 、 高效率和长期稳定性等优点 。与常规的300μ m 厚的太阳能电池相比 ,30μ m 厚的薄膜电池可以表现出更高的效率 ,但是迄今为止这种电池的效率只达到了 10 %。采用铸造和浸出技术可以将冶金级硅熔体提纯为高纯度 UM G - Si ,并且可以采用下面三种方法由 UM G - Si 制造硅锭 / 硅带 :1 ) 定向固化法 ,再用多线锯法将生成的 UM G - Si 锭切割成标准硅片 ;2) ITCC 法 (感应顶部加热连续结晶法 ) ,一种坩埚自由浮区技术 ,熔炉经过专门设计 ,用于由 UM G - Si 生长硅锭 ;3 ) SSP法 (由粉末制成硅带的方法 ) ,一种改进的由 EG - Si 颗粒生长成硅带的工艺 ,现在被用于处理 UM G - Si。由于 UM G -Si 是一种重掺杂材料 ,因此不适合于制造电池 。然而 ,这种材料似乎是一种理想的薄膜硅取向附生的基底 。 根据 Zahedi 的研究 ,在铸造基底上取得了最好结果 。最近 ,挪威硅精炼公司开发出一种有前途的太阳能级硅生产方法 ,并且取得了专利权 。该工艺称作 JRS 法 (取名于 J1R1Stubergh) ,它通过电解溶解在冰晶石 (Na3AlF 3) 中的硅酸盐 (石英 、 长石等 ) 来生产金属硅 。 硅粉在熔融和铸锭以前 ,要在酸中进行进一步的提纯和富集 。分析结果显示 ,产品中含110 ppm P 和 016 ppm B 。 其余元素的含量均小于 1ppm ,并且 23 种被分析杂质元素的总含量小于 3ppm 。 高纯原料的使用价值仍有待于探究 。因为挪威已经成为一个巨大的石英消费国和生产国 ,挪威科技大学已经开始研究大规模生产高纯石英原料的可能性 。此项目与该大学的 “从硅砂到太阳能电池” 项目相配套 ,生产 SoG - Si 的方法正在研究之中 。 这两个项目的完成必将有助于在未来获得较廉价的光伏电池原料 。213 深度选矿在太阳能电池价格链当中 ,目前选矿还只受到破碎 、 筛分和洗矿约束 。这主要归因于冶金级硅生产对石英和还原剂粒度有一定要求 。因此 ,就没有必要进一步提高进入炭热还原过程原料的质量 。 由于工艺要求和生产技术发生变化 ,对原料的要求很可能也会发生变化 。 生产工艺可能会需要比今天使用的块状石英纯度更高的石英 。 这意味着对较为昂贵的初级原料会有市场需求 。可以采用常规的破碎 、 磨矿 、 擦洗 、 脱泥 、 浮选 、 磁选和静电选等方法对石英进行提纯 。 这使得利用其它的石英替代资源而不仅仅只能利用石英岩成为可能 。伟晶岩 、 花岗岩和片麻岩等岩石均含有大量的石英 。 所有这些石英替代资源以及对高纯石英的更强烈关注为选矿领域开辟了新的实践内容 。 这些实践可能是为我们所了322005. 4 国 外 金 属 矿 选 矿 解的 ,但是就高纯度石英的选矿而论 ,它们当中的一些内容还没有得到彻底的研究 。由于很少或不进行选矿 ,今天主要用于生产M G - Si 的块状石英岩含有大量杂质 。 根据 Wanvik提供的数据 ,M G - Si 生产用的石英 (石英岩 ) 的纯度要 求 为 : Al 2O3 011 ～ 013 %、 Fe2O3 011 %、 CaO0101 %、 TiO 2 01005 %和 P2O5 01005 %。虽然大多数石英岩矿床的质量较低 ,但是因为M G- Si 生产工艺对块状石英的粒度有一定要求 ,而且对提纯过的石英进行制粒还不是一个主要关注领域的事实 ,所以还没有对石英进行提纯 。这个原因和可供利用的高品位石英岩矿床很多是使得几乎不用对石英进行选矿的主要原因 。用 M G - Si 工艺的生产商不关心石英原料的粒度 ,而只考虑它的化学纯度 。这种情况对选矿很有利 。 假设生产 SoG - Si 和 UM G - Si 的新工艺高度依赖给料的纯度 ,那么采用多种选矿方法来提高初级原料的质量将会成为一个主要的关注领域 。 这意味着 ,不同类型的含石英岩石都会成为一种适合于生产 UM G - Si 的潜在石英资源 ,其次也是生产SoG- Si 的潜在资源 。 在这个方面石英本身的纯度将会是最重要的参数 。未来的生产链中也可以不包括诸如 M G - Si 生产之类的中间环节的硅原料生产工序 。 这可能将要求初级原料 (例如石英 ) 具有非常高的纯度 。 石英是一种 矿 物 , 如 果 其 纯 度 为 100 % , 那 么 它 就 含 有100 %的 SiO2 。 完全纯净的石英在自然界中并不存在 ,但是石英的高 SiO2 含量以及冶金领域内业已取得的技术进步 ,使得这种矿物成为生产金属硅原料的第一而且是唯一的选择 。 随着新技术和其它含有较少量有害元素的含硅矿物的出现 ,这种可能性会发生变化 。 最适合直接生产 UM G - Si 的矿物当然是杂质含量尽可能少的含二氧化硅矿物 。另外 ,采用 UM G - Si 和 SoG - Si 生产工艺时 ,这些杂质必须是能够被除去的 。这意味着对于各种各样的含SiO2 矿物应当进行地质制图和地质资源分析 ,以查明杂质含量最低和 / 或杂质类型最优的矿物 。假如杂质矿物可以与石英解离 ,并且能够从中分离出去 ,那么可以通过从岩块中去除这些杂质矿物 ,选矿作业就能够生产出高纯度石英产品 。石英内部的微量元素通常以取代杂质和电荷补偿的形式结合在矿物原子晶格内部的结构点上 ,采用物理方法不可能将它们除去 。根据 Larsen 的研究 ,占据石英内部结构点的主要微量元素是 Al 、 B 、 Ba、 Ca、 Fe、Ge、 H 、 K、 Li 、 Mg 、 Na、 P、 Sr 和 Ti ,以及含量极低的Cr 、 Cu、 Mn 、 Pb、 Rb 和 U 等 。石英中最常见的微量元素重量百分数总和很少超过 012 %。这意味着在理论上用物理选矿法生产纯度为 9918 %的石英精矿是可能的 。 键合微量元素的含量越低 ,生产出来的精矿纯度越高 。 进一步生产更为纯净的石英精矿必须采用湿法冶金方法 。 我们希望回答以下两个问题 ,即能否找到可利用的数量充足且足够纯净的石英资源 ;是否能用简单选矿方法生产制造太阳能级硅的给料 。3 讨 论图 4 和图 5 分别表示目前的硅原料生产技术路线和一些未来的硅原料生产方案 。由图 4 可知 ,目前硅原料的生产技术路线是 :石英 → 冶金级硅 → 电子级硅 。 电子级硅生产废料被进一步加工成硅片和太阳能电池 。 然而 ,这种情况是不能令人满意的 ,因为它已造成了硅原料的缺乏以及在大规模应用情况之下光生伏打电能的价格不具竞争力 。另外 ,硅原料 (EG - Si 废料 ) 过于昂贵 。 为此 ,我们假设高纯度石英 (HPQtz) 是未来所有太阳能级硅的生产原料 。图 5 中的所有方案是以 HPQtz 作起始原料为基础的 。 从 HPQtz 出发可以设想几条可能的技术路线 。其中的一条工艺技术路线是 (M G - Si) → ( UM G -Si) → ( SoG - Si) 。由于与现有的生产实践相似 ,这条工艺技术路线也许最有可能首先获得商业应用 。图 4 目前的硅原料生产技术路线然而 ,我们也可以设想未来单独的 UM G - Si和 SoG - Si 生产工艺 ,在这里 UM G - Si 生产工艺使用 HPQtz 作原料 、 SoG - Si 生产工艺使用 M G -Si 作原料 。采用这种方式就可以省略一个昂贵的工艺步骤 。 据此 ,UM G - Si 生产工艺要么是进一步提纯 M G - Si , 要 么 是 一 个 独 立 的 过 程 , 它 利 用HPQtz 来生产质量略低于 SoG - Si 的金属硅 。在遥远的未来 ,SoG - Si 生产工艺也许只以 HPQtz 为42 国 外 金 属 矿 选 矿 2005. 4基础 。图 5 未来的硅原料生产方案今天 ,不同工艺产品的质量主要决定于原料的质量 。 未来情况可能也是如此 。因此 ,在晶体硅太阳能电池生产链的所有环节当中 ,优化硅片和产品质量也应该包括初级原料 — — — 石英的质量优化 。目前石英的开采和选矿在太阳能电池生产总成本中所占的比重很低 。未来的情形可能也是如此 ,但是 ,除了巨额的硅原料切割成本以外 ,用比较便宜的 SoG - Si 代替极其昂贵的 EG - Si 也给石英的进一步选矿提供了空间 。 这可能使得高纯度石英的定价大概要比目前 EG - Si 生产用块状石英高 4～ 9倍 。4 结 论如果目前的光伏电池市场走向不变 ,2010 年的光伏电池生产将需要 30000 t 硅原料和 350000 t 石英 。然而 ,由于电池效率的提高 、 使用大而薄的硅片 、 废料再利用范围的扩大以及硅原料生产新工艺的应用等原因 ,对石英的需要量可能要比这一数值低得多 。未来的硅原料很可能不再是电子级硅生产的废料 。 将有一条更为直接的 、 不用 “ 绕弯道” 的 EG - Si生产工序的硅原料生产技术路线 。 冶金级硅生产的粒度要求很可能也将发生变化 。 这一变化与未来太阳能硅原料生产链中摈弃 “绕弯道” 的 EG - Si 生产工序一起将促进对 M G - Si 和 UM G - Si 生产用初级原料 (例如石英 ) 进行深度选矿 。( 郭秀平 ;肖力子 )( 050404)(上接第 33 页 )图 2 低镍磁黄铁矿精矿还原焙烧 - 磁选工艺设备联系图1 - 磁选机 ;2 - 计量器 ;3 - 原矿浆槽 ;4 - 泵 ;5 - 浓缩机 ;6 - 真空过滤机 ;7 - 皮带运输机 ;8 - 矿浆槽 ;9 - 混合器 ;10 - 旋转制粒机 ;11 - 传送带式焙烧机 ;12 - 气体净化和烧尽 ;13 - 颚式破碎机 ;14 - 还原配料冷却水池 ;15 - 刮板运输机 ;16 - 球磨机 ;17 - 螺旋分级机( 李长根 ;杨辉亚 )( 050407)522005. 4 国 外 金 属 矿 选 矿