攻下顆粒硅的“山頭”
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(mén)子法（改良西門(mén)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(kāi)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(kāi)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(mén)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(kāi)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(mén)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(mén)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(mén)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(kāi)車，顆粒硅分廠上下滿懷期望，目標(biāo)連續(xù)開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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。”蘭天石說(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(kāi)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(shū)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)！”
