攻下顆粒硅的“山頭”
編者按：2023年8月8日《科技日報》頭版頭條刊發(fā)文章《協(xié)鑫科技勇闖新一代多晶硅制備技術路徑——攻下顆粒硅的“山頭”》關注協(xié)鑫科技顆粒硅研發(fā)之路。以下為文章全文：
約85%，這是目前主流多晶硅制備技術路線——采用GCL西門子法（改良西門子法）制備棒狀硅的市場占有率。
但在去年，多晶硅的另一條制備技術路線——采用硅烷流化床法生產(chǎn)FBR顆粒硅，呈現(xiàn)出強勁增長勢頭。
其中，位于江蘇徐州經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)的協(xié)鑫科技控股有限公司（以下簡稱協(xié)鑫科技）表現(xiàn)十分搶眼。2022年，該公司生產(chǎn)的顆粒硅較2021年同期增長537.3%，目前在硅料市場中的占比從個位數(shù)迅速飆升到15%左右。
“所有的創(chuàng)新都源于前面沒有一個可以抄作業(yè)的人。從‘0’到‘1’看上去很短，但如果把小數(shù)點往后放n位，實際上可以無限長，只要走不到‘1’，前面都是‘0’?！被赝w粒硅產(chǎn)業(yè)化走過的路，42歲的協(xié)鑫科技聯(lián)席首席執(zhí)行官蘭天石十分感慨。日前，他在接受科技日報記者專訪時說，企業(yè)歷時11年“押中”顆粒硅，研發(fā)、資本、人才的不斷投入，以及時間的等待，四者缺一不可。
居安思危覓新機
江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司是協(xié)鑫科技光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)源地。廠區(qū)內(nèi)，閃耀著金屬光澤的硅烷反應塔高聳林立，身披藍色外衣的流化床裝置發(fā)出陣陣低鳴聲。
流化床是孕育顆粒硅的溫床。在這里，硅烷氣、氫氣以及硅籽晶在高溫下發(fā)生化學反應，生成綠豆大小的顆粒硅。
2006年，在當時還算偏遠的徐州經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)內(nèi)，協(xié)鑫科技母公司協(xié)鑫（集團）控股有限公司果斷投建了當年全國最大的多晶硅項目，采用改良西門子法生產(chǎn)棒狀硅。
5年后，公司發(fā)展勢頭如日中天：營業(yè)收入約255億港元，凈利潤42.7億港元；棒狀硅總產(chǎn)能達6.5萬噸，打破歐、美、韓等國壟斷，成為全球最大多晶硅研發(fā)與生產(chǎn)商，并迅速占據(jù)全球27%的市場份額。
但協(xié)鑫集團董事長朱共山卻“嗅”到危機。當時，全球光伏市場波詭云譎，金融海嘯余波猶在。在企業(yè)內(nèi)部“頭腦風暴會”上，他發(fā)出一系列“靈魂拷問”：如果協(xié)鑫集團未來失去競爭力，靠什么救活自己？是不是要開展同質(zhì)化競爭？為了降低成本，是不是要步同行后塵，不得不搬到電價更低的西部地區(qū)謀生存？
要想在電價相對較高的徐州扎根，協(xié)鑫科技必然面對成本挑戰(zhàn)，而借助傳統(tǒng)的改良西門子法工藝降低成本，空間越來越小。朱共山與公司決策層果敢地決定“另起爐灶”，他們將目光投向新一代多晶硅制備技術全新革命路徑——硅烷流化床法制備顆粒硅。
作為多晶硅的化學提純方法之一，硅烷流化床法技術雛形出現(xiàn)在1952年。由于門檻高、工藝難度大，工業(yè)化之路推進異常艱辛，美國廠商已經(jīng)放棄了這條技術路線。
對于顆粒硅的未來前景，朱共山卻很樂觀：協(xié)鑫集團有著成熟的棒狀硅生產(chǎn)工藝基礎和研發(fā)實力，顆粒硅這座“山頭”再難，也一定能攻下來。
持續(xù)投入見成效
出于保密需要，協(xié)鑫科技組建了完全獨立于改良西門子法之外的“秘密工廠”。協(xié)鑫科技助理副總裁宋昊回憶，公司百來人組成扁平化的科研團隊，在這個“科研特區(qū)”，從人事、供應鏈、設計，到設備運營、安裝以及專家、工程師待遇，均“與眾不同”。
2011年，第一代流化床第一次開車，顆粒硅分廠上下滿懷期望，目標連續(xù)開車180天。
半個月后，意外出現(xiàn)了：生成的顆粒硅大若西瓜，將進料口徹底堵死了。“跌跌撞撞”堅持了一年多后，團隊決定放棄此前的技術工藝。
調(diào)整工藝后，開車時間延長到了68天。但新的問題又來了——熱量傳不進去，產(chǎn)量不到目標產(chǎn)能的1/10，且成本非常高。
改進加熱方式后，采用第三代技術工藝的流化床一次最長開車時間延長到了89天。
雖然離目標還有不小的差距，但正如蘭天石評價的：“就像竹筍在土下長了3年，在沒有出頭的時候，其實根已經(jīng)非常深了?！?
轉眼到了2016年，顆粒硅依然箭在弦上，公司內(nèi)部有了雜音。朱共山不為所動，篤定繼續(xù)加大投入。同時，他動員所有高管勒緊腰帶過日子——工資砍半，獎金停發(fā)。但研發(fā)費用一分不少，研發(fā)人員工資和獎金一分不欠。
又過了3年，協(xié)鑫科技顆粒硅產(chǎn)線實現(xiàn)超過180天長周期穩(wěn)定運行。
雖然開車時長、產(chǎn)量達標了，但顆粒硅品質(zhì)還很不穩(wěn)定，總金屬雜質(zhì)含量曾一度高達上百ppbw（十億分之一，為以質(zhì)量計數(shù)的濃度），且伴有“掛灰”“氫跳”等多個行業(yè)難題。
精益求精練內(nèi)功
2019年，蘭天石接棒，將顆粒硅從科研并入生產(chǎn)進行常態(tài)化管理。
“現(xiàn)在回頭看，這一步很重要?！碧m天石解釋，“好比到了半山腰，發(fā)現(xiàn)還有更好的方法，那就迭代，把之前的東西全拋棄掉。在公司每年10多億元的研發(fā)投入里，我們甚至有一兩個億花在‘拋棄’上，因為沒有想得特別好，或者‘想得太好了’?！?
接下來，協(xié)鑫科技采用模塊化的方式，將目標鎖定為某一代床，根據(jù)下游客戶對產(chǎn)品的反饋，倒逼改進。
“我們的目標是雜質(zhì)含量小于10^-9。打個形象的比方，10億只雞蛋里邊不能讓一只‘壞蛋’混進去。”蘭天石說，要提高質(zhì)量，需要控制的指標非常多，為此大家做了無數(shù)次的正交實驗。
所謂正交實驗，就是分析網(wǎng)格里每一個實驗的結果，發(fā)現(xiàn)差異，找出中間可能對結果有正向影響的因子。
與此同時，蘭天石組織團隊開始了快速自我迭代：從最初的1個流化床，迭代出多個流化床，將顆粒硅生產(chǎn)基地從徐州復制到了樂山、包頭以及呼和浩特。
終于在2020年，協(xié)鑫科技生產(chǎn)的顆粒硅被一步推向客戶并獲得實證，截至目前，總金屬含量低于1ppbw的產(chǎn)品比例已超過85%。
十年磨一劍。2011年至今，協(xié)鑫科技在顆粒硅研發(fā)及中試裝置上已累計投入100多億元。下一步他們要面對的，是即將到來的N型太陽能電池技術更迭浪潮。
“習近平總書記最近在江蘇考察時指出，能源保障和安全事關國計民生，是須臾不可忽視的‘國之大者’?！敝旃采綄τ浾哒f，“作為能源企業(yè)，我們要堅持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力，練就過硬本領，更好應對綠色貿(mào)易壁壘、全球化發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)！”
