攻下顆粒硅的“山頭”

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2023-08-08    來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)

      編者按:2023年8月8日《科技日?qǐng)?bào)》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(shù)路徑——攻下顆粒硅的“山頭”》關(guān)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(shù)路線——采用GCL西門子法(改良西門子法)制備棒狀硅的市場(chǎng)占有率。

  但在去年,多晶硅的另一條制備技術(shù)路線——采用硅烷流化床法生產(chǎn)FBR顆粒硅,呈現(xiàn)出強(qiáng)勁增長(zhǎng)勢(shì)頭。

  其中,位于江蘇徐州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的協(xié)鑫科技控股有限公司(以下簡(jiǎn)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(zhǎng)537.3%,目前在硅料市場(chǎng)中的占比從個(gè)位數(shù)迅速飆升到15%左右。

  “所有的創(chuàng)新都源于前面沒(méi)有一個(gè)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(diǎn)往后放n位,實(shí)際上可以無(wú)限長(zhǎng),只要走不到‘1’,前面都是‘0’?!被赝w粒硅產(chǎn)業(yè)化走過(guò)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?qǐng)?bào)記者專訪時(shí)說(shuō),企業(yè)歷時(shí)11年“押中”顆粒硅,研發(fā)、資本、人才的不斷投入,以及時(shí)間的等待,四者缺一不可。

  居安思危覓新機(jī)

  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(yīng)塔高聳林立,身披藍(lán)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(xué)反應(yīng),生成綠豆大小的顆粒硅。

  2006年,在當(dāng)時(shí)還算偏遠(yuǎn)的徐州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi),協(xié)鑫科技母公司協(xié)鑫(集團(tuán))控股有限公司果斷投建了當(dāng)年全國(guó)最大的多晶硅項(xiàng)目,采用改良西門子法生產(chǎn)棒狀硅。

  5年后,公司發(fā)展勢(shì)頭如日中天:營(yíng)業(yè)收入約255億港元,凈利潤(rùn)42.7億港元;棒狀硅總產(chǎn)能達(dá)6.5萬(wàn)噸,打破歐、美、韓等國(guó)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(chǎng)份額。

  但協(xié)鑫集團(tuán)董事長(zhǎng)朱共山卻“嗅”到危機(jī)。當(dāng)時(shí),全球光伏市場(chǎng)波詭云譎,金融海嘯余波猶在。在企業(yè)內(nèi)部“頭腦風(fēng)暴會(huì)”上,他發(fā)出一系列“靈魂拷問(wèn)”:如果協(xié)鑫集團(tuán)未來(lái)失去競(jìng)爭(zhēng)力,靠什么救活自己?是不是要開展同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)?為了降低成本,是不是要步同行后塵,不得不搬到電價(jià)更低的西部地區(qū)謀生存?

  要想在電價(jià)相對(duì)較高的徐州扎根,協(xié)鑫科技必然面對(duì)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(lái)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(shù)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(xué)提純方法之一,硅烷流化床法技術(shù)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(jìn)異常艱辛,美國(guó)廠商已經(jīng)放棄了這條技術(shù)路線。

  對(duì)于顆粒硅的未來(lái)前景,朱共山卻很樂(lè)觀:協(xié)鑫集團(tuán)有著成熟的棒狀硅生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)和研發(fā)實(shí)力,顆粒硅這座“山頭”再難,也一定能攻下來(lái)。

  持續(xù)投入見(jiàn)成效

  出于保密需要,協(xié)鑫科技組建了完全獨(dú)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(lái)人組成扁平化的科研團(tuán)隊(duì),在這個(gè)“科研特區(qū)”,從人事、供應(yīng)鏈、設(shè)計(jì),到設(shè)備運(yùn)營(yíng)、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(biāo)連續(xù)開車180天。

  半個(gè)月后,意外出現(xiàn)了:生成的顆粒硅大若西瓜,將進(jìn)料口徹底堵死了?!暗沧病眻?jiān)持了一年多后,團(tuán)隊(duì)決定放棄此前的技術(shù)工藝。

  調(diào)整工藝后,開車時(shí)間延長(zhǎng)到了68天。但新的問(wèn)題又來(lái)了——熱量傳不進(jìn)去,產(chǎn)量不到目標(biāo)產(chǎn)能的1/10,且成本非常高。

  改進(jìn)加熱方式后,采用第三代技術(shù)工藝的流化床一次最長(zhǎng)開車時(shí)間延長(zhǎng)到了89天。

  雖然離目標(biāo)還有不小的差距,但正如蘭天石評(píng)價(jià)的:“就像竹筍在土下長(zhǎng)了3年,在沒(méi)有出頭的時(shí)候,其實(shí)根已經(jīng)非常深了?!?

  轉(zhuǎn)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(dòng),篤定繼續(xù)加大投入。同時(shí),他動(dòng)員所有高管勒緊腰帶過(guò)日子——工資砍半,獎(jiǎng)金停發(fā)。但研發(fā)費(fèi)用一分不少,研發(fā)人員工資和獎(jiǎng)金一分不欠。

  又過(guò)了3年,協(xié)鑫科技顆粒硅產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)超過(guò)180天長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

  雖然開車時(shí)長(zhǎng)、產(chǎn)量達(dá)標(biāo)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(dá)上百ppbw(十億分之一,為以質(zhì)量計(jì)數(shù)的濃度),且伴有“掛灰”“氫跳”等多個(gè)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(jìn)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(gè)億花在‘拋棄’上,因?yàn)闆](méi)有想得特別好,或者‘想得太好了’?!?

  接下來(lái),協(xié)鑫科技采用模塊化的方式,將目標(biāo)鎖定為某一代床,根據(jù)下游客戶對(duì)產(chǎn)品的反饋,倒逼改進(jìn)。

  “我們的目標(biāo)是雜質(zhì)含量小于10^-9。打個(gè)形象的比方,10億只雞蛋里邊不能讓一只‘壞蛋’混進(jìn)去?!碧m天石說(shuō),要提高質(zhì)量,需要控制的指標(biāo)非常多,為此大家做了無(wú)數(shù)次的正交實(shí)驗(yàn)。

  所謂正交實(shí)驗(yàn),就是分析網(wǎng)格里每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)差異,找出中間可能對(duì)結(jié)果有正向影響的因子。

  與此同時(shí),蘭天石組織團(tuán)隊(duì)開始了快速自我迭代:從最初的1個(gè)流化床,迭代出多個(gè)流化床,將顆粒硅生產(chǎn)基地從徐州復(fù)制到了樂(lè)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(shí)證,截至目前,總金屬含量低于1ppbw的產(chǎn)品比例已超過(guò)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(jì)投入100多億元。下一步他們要面對(duì)的,是即將到來(lái)的N型太陽(yáng)能電池技術(shù)更迭浪潮。

  “習(xí)近平總書記最近在江蘇考察時(shí)指出,能源保障和安全事關(guān)國(guó)計(jì)民生,是須臾不可忽視的‘國(guó)之大者’?!敝旃采綄?duì)記者說(shuō),“作為能源企業(yè),我們要堅(jiān)持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動(dòng)力,練就過(guò)硬本領(lǐng),更好應(yīng)對(duì)綠色貿(mào)易壁壘、全球化發(fā)展帶來(lái)的挑戰(zhàn)!”