光伏发电与多晶硅

光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属内部引力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。
“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。
光伏发电，其基本原理就是“光伏效应”。太阳能专家的任务就是要完成制造电压的工作。因为要制造电压，所以完成光电转化的太阳能电池是阳光发电的关键。
太阳能电池，通常称为光伏电池。目前的主要的太阳能电池是硅太阳能电池。用的硅是“提纯硅”，其纯度为“11个9”，比半导体或者说芯片硅片“只少两个9”；又因为提纯硅结晶后里头的成分不同，分为多晶硅和单晶硅；目前，单晶硅太阳能电池的光电转换率为15％左右，最高达到了24％，使用寿命一般可达15年，最高达25年，比转换率仅12％ 左右的多晶硅太阳能电池的综合性能价格比高。

多晶硅是高污染的项目，中国多数多晶硅企业环保不完全达标。生产多晶硅的副产品——四氯化硅是高毒物质。用于倾倒或掩埋四氯化硅的土地将变成不毛之地，草和树都不会在这里生长。它具有潜在的极大危险，不仅有毒，还污染环境，回收成本巨大。
　　多路诸侯争抢多晶硅“蛋糕”
　　多晶硅作为太阳能产业发展所需的重要工业原料，预计中国未来几年的总需求约为2万吨，其价格则一路飙升，从2002年的20美元/公斤，上涨到300美元/公斤，而现货价甚至达到400美元/公斤。
　　于是，去年以来全国各地多晶硅项目大量上马，至少有10个多晶硅大项目宣布动工或投产，多个项目都号称“全国最大”。
　　目前，我国已批准宁夏石嘴山、河南洛阳、四川乐山、辽宁凌海4个千吨级多晶硅项目。但多晶硅生产过程中的毒污染和高耗能却并不为人所关注。
　　能源和环境问题日益成为世界关注的焦点，为了实现能源和环境的可持续发展，世界各国都将太阳能发电行业作为发展的重点。在积极政策的引导下，国际太阳能电池市场得到迅速扩大，太阳能发电产业驶入快车道。最近10年太阳能电池及组件生产的年平均增长率达到33%，最近5年的年平均增长率更是达到了43%。2006年世界太阳能电池产量达到2500兆瓦，累计发货量达到8500兆瓦。
　　而太阳能电池上游原材料高纯多晶硅在中国已经成为投资热点。
　　从2007年开始，投资太阳能领域的上市公司，99%的将目光瞄向了多晶硅制造，截至2008年2月，共有8家上市公司投资多晶硅项目，累计投资金额达54.39亿元。其中，南玻A5000吨、江苏大全集团6000吨、通威集团10000吨、天威英利5000吨、爱信硅科技10000吨、亚洲硅业6000吨、江苏阳光4500吨……这些规划的项目产能已经令人叹为观止。
　　2007年全球共需太阳能多晶硅3.375万吨，2008年则需4.55万吨。即使考虑技术进步导致的硅料用料减少，近几年太阳能多晶硅仍是供不应求。
　　目前，全球太阳能电池主要分为晶体硅电池与薄膜电池，因为光电转化效率高以及制造门槛相对较低，晶体硅电池得到了长足的发展，占据了太阳能电池95%的市场份额。而晶体硅电池，主要是通过高纯多晶硅——硅棒、硅锭——硅片——电池片等环节一步步得来，因此高纯多晶硅的供应直接影响下游太阳能电池的发展。
　　除了太阳能发电产业之外，多晶硅也是半导体产业的上游原材料，多晶硅拉制成单晶棒，再切片、打磨、抛光，最后刻度就形成了芯片。半导体用多晶硅的纯度级别在99.99999999%以上，而太阳能级多晶硅纯度通常为99.9999%就可以。
　　由于半导体行业发展繁荣在前，所以最近几年刚刚蓬勃起来的太阳能发电产业多用的是针对半导体应用的高纯多晶硅。
　　污染成为产业瓶颈
　　据《华盛顿邮报》3月9日报道，中国多晶硅制造商洛阳中硅高科技有限公司过去9个月以来，持续在工厂四周空地倾倒有毒废弃物四氯化硅，造成土地无法种植农作物。
　　四氯化硅为制造多晶硅时产生的副产品，是一种高度有毒的物质，会对环境造成严重污染。由于该种物质回收再利用的成本昂贵，多数中国太阳能厂房均未装设或完全安装相关的回收设备。
　　多晶硅是高污染项目，中国多数多晶硅企业环保不完全达标。生产多晶硅的副产品——四氯化硅是高毒物质。用于倾倒或掩埋四氯化硅的土地将变成不毛之地，草和树都不会在这里生长。它具有潜在的极大危险，不仅有毒，还污染环境，回收成本巨大。
　　多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。生产多晶硅的过程是：硅砂先在电弧炉中与碳置换成98%的金属硅，跟着与氯气、氢气反应后生成三氯氢硅，再在氢气中还原沉积成多晶硅。
　　多晶硅项目投资庞大，一个千吨级项目规模等于一座中型石化厂，投资约12亿元，且氯气有毒，空气中超过0.001毫克/升人就有危险，技术不过关的话，多晶硅会随氯气跑出，严重污染环境。
　　我国大部分多晶硅企业技术未过关，事实上，目前中国尚无年产量超过1000吨的多晶硅生产工厂，大规模生产面临一定风险，尤其是如果副产品回收处理跟不上，将对安全生产和环境保护带来极大的隐患。
　　随着我国多晶硅总产量的逐年增加，多晶硅的副产物四氯化硅的安全环保问题日益突出。四氯化硅是多晶硅生产中最大的副产物，未经处理回收的四氯化硅是一种具有强腐蚀性的有毒有害液体。2010年我国多晶硅产能将扩大到30000吨/年左右，而生产1000吨多晶硅就产生8000吨四氯化硅。照此计算，2010年的实际产量如果为设计产量的70%，即多晶硅产量达到20000吨，那么四氯化硅的产生量将超过16万吨，对四氯化硅的无害化处理将成为制约多晶硅发展的瓶颈。
　　这正是中国太阳能产业所不得不面临的现实。多晶硅核心技术——三氯氢硅还原法垄断在美国、德国、日本等六七家企业手中，中国企业很难获得关键技术。生产多晶硅是一个提纯过程，金属硅转化成三氯氢硅，再用氢气进行一次性还原，这个过程中约有25%的三氯氢硅转化为多晶硅，其余大量进入尾气，同时形成副产品——四氯化硅。在这个过程中，如果回收工艺不成熟，三氯氢硅、四氯化硅、氯化氢、氯气等有害物质极有可能外溢，存在重大的安全和污染隐患。四氯化硅一遇潮湿空气即分解成硅酸和剧毒气体氯化氢，对人体眼睛、皮肤、呼吸道有强刺激性，遇火星会爆炸；氯气的外溢则可使人出现咳嗽、头晕、胸闷等病状，并导致农作物大面积减产和绝收。
　　说到底，多晶硅对系统性要求非常高，不是单套，而是几百套上千套设备相互配合才能出产品，因为大量易燃易爆气体的存在，所以对生产过程的安全要求很高，副产品回收方面也需很高的工艺水平，技术风险、环境风险都非常大。
　　目前，国内在建多晶硅生产厂所用改良西门子生产法是向俄罗斯购买的技术，而该技术与美国、日本等国企业还有相当差距，没有经过大批工业化生产，其缺点是气体回收率低，污染大，产出率低，耗能高。
　　事实上，某些国内企业的多晶硅投资典型路径是，从国内外多晶硅企业中挖一批人才，由他们根据经验设计改良西门子法的生产流程。必须看到，这些人才带来的仅是经验，可靠性存在疑问。
　　一笔不划算的耗能账
　　多晶硅是典型的高耗能产业，项目选址必须兼顾硅、煤炭和氯碱资源。年产1000吨多晶硅项目需要投资10亿元，年耗电10万千瓦时。
　　国内光伏业领军人物、尚德电力董事长施正荣曾公开表示，中国不是适合制造多晶硅的国家，因为电费太贵，生产多晶硅不符合科学发展观。在他看来，投资多晶硅应该去加拿大、美国、澳大利亚等电费相对便宜的国家。国外多晶硅巨头生产的产品成本在25美元/kg左右，而目前国内产品的成本则在70～80美元/kg。
　　中国科学院院士简水生曾指出，目前生产多晶硅的企业一般都采用改良西门子法。使用该方法，1千瓦的太阳能电池约需10公斤的多晶硅，需要消耗电能5800～6000度，耗电量十分巨大。即使电池能够稳定使用20年，太阳能电池的电能再生比也不到8，水平较低。这导致多晶硅太阳能的发电成本大约是生物质发电的7～12倍，风能发电的6～10倍，更是传统煤电方式的11～18倍。
　　多晶硅一哄而起的根本原因在于，以GDP增长为政绩考核指标，使得地方政府官员对经济和社会发展的理解还停留在“惟增长论”上，对资源的过度开采和使用，以及对外来资本的重视则是这一思路指导下的顺理成章之举。结果是，那些高耗能的企业可以生存了，另外能够实现固定资产投资增长的任何外来资本，都会成为地方政府的座上宾。为了创造所谓的“良好投资环境”，某些地方政府官员甚至成为企业的利益代言人，听任一些项目在环保上违规违法。
　　总之，同国际先进水平相比，目前国内多晶硅生产企业在产业化方面的差距主要表现在：首先，多晶硅技术和市场仍牢牢掌握在美、日、德国的少数几个生产厂商中，严重制约了我国相关产业发展。其次，生产规模小，现在公认的最小经济规模为1500吨/年，最佳经济规模在2500吨/年，而我国现阶段多晶硅生产企业离此规模仍有较大的距离。第三，工艺设备落后，同类产品物料和电力消耗过大，与国际水平相比，国内多晶硅生产能耗高出1倍以上。第四，千吨级工艺和设备技术的可靠性、先进性、成熟性以及各子系统的相互匹配性都有待生产运行验证，并需要进一步完善和改进。第五，国内多晶硅生产企业技术创新能力不强，基础研究资金投入太少，尤其是非标设备的研发制造能力差。第六，地方政府和企业投资多晶硅项目，存在低水平重复建设的隐忧。

太阳能发电、太阳能热水，不过是把家家户户的污染集中在多晶硅的生产环节当中。
从物质的整体循环而言，这些局部的污染会更严重。
这是我们需要的节能减排吗？

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