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只为一片清洁的「多晶硅」(第十九届中国专利奖系列报道)

发表时间:2017年12月05日 来源:IPRDAILY中文版

作为第十九届中国专利奖巡礼系列的第一篇,小编瞄准了太阳能电池板的基材-多晶硅这个主题。大家都知道太阳能是清洁能源,而太阳能的利用者“多晶硅”的制造过程也应该没有污染。


只为一片清洁的「多晶硅」(第十九届中国专利奖系列报道)


第十九届中国专利金奖预获奖项目      


专利号:ZL200710121059.6

专利名称:生产多晶硅的方法

专利权人:中国恩菲工程技术有限公司     


聊这件专利之前,先从太阳能电池的历史说起。

1939年,法国科学家贝克雷尔发现“光伏效应”,

1954年,美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池。


只为一片清洁的「多晶硅」(第十九届中国专利奖系列报道)


目前,太阳能光伏发电的应用非常广泛。

太阳能路灯


只为一片清洁的「多晶硅」(第十九届中国专利奖系列报道)


光伏节能建筑(原理图如下)的屋顶


只为一片清洁的「多晶硅」(第十九届中国专利奖系列报道)


甚至世界各地的地标性建筑。

例如,印度的巨蛋办公楼


只为一片清洁的「多晶硅」(第十九届中国专利奖系列报道)


迪拜的垂直村落


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巴西的太阳城大厦


只为一片清洁的「多晶硅」(第十九届中国专利奖系列报道)


空间站、卫星的能量来源


只为一片清洁的「多晶硅」(第十九届中国专利奖系列报道)


甚至日本已经启动的未来太空太阳能电站计划

(小编注:未来预计能满足30万个家庭用电的需要)


只为一片清洁的「多晶硅」(第十九届中国专利奖系列报道)


小到路灯,大到空间站。为他们供电的太阳能电池基板的核心材料就是多晶硅。


在本世纪初,传统多晶硅生产工艺是依靠高纯硅原料在还原炉内反应得到。转化效率很低,仅有10%~20%。用传统方法生产每万吨多晶硅,会产生2.4亿立方米含有氢气、氯化氢、四氯化硅、三氯氢硅、二氯二氢硅、硅粉及各种高氯硅烷的尾气。


传统多晶硅的“尾气湿法回收”技术,不仅回收到的氢气需要再次净化,而且在淋洗过程中氯硅烷水解,产生污水, 需进一步处理,导致环境污染和物料消耗大。


当时,虽然已有清洁的多晶硅生产技术,但由美日德掌控,对我国实施技术封锁和市场垄断。以2005年为例,我国的自有产能低,主要依赖进口,而国外对我国的出口不仅价格高(¥320万元/吨),而且还有出口配额限制。我国超级计算机、卫星通信、航空航天、先进武器和新能源等产业的发展受到严重挑战。


2007年,中国恩菲工程技术有限公司(以下简称为中国恩菲或恩菲)提出的这件专利申请(今天的主题),就是针对世纪之初的多晶硅生产过程中的污染问题。


那么中国恩菲到底是一家怎样的公司呢?


只为一片清洁的「多晶硅」(第十九届中国专利奖系列报道)


通过小编的检索惊讶的发现,原来多晶硅相关的研究也只能算该公司的一项副业。中国恩菲的前身是中国有色工程设计研究总院。主业是在各种金属的采矿、选矿、提纯和冶炼等方面,是我国镍都、铜都、铅都的主要设计者。


将多年金属选矿、提纯的研发经验,大笔一挥转战半导体硅,剑锋所指问题迎刃而解!


别看小编说的轻松,实际这也是中国恩菲多年研发积累的结果。这在恩菲的专利申请量上就能有所体现:


截止到2017年11月底,恩菲共申请专利1400余项,其中有效专利1118件,授权的发明专利有400余件、实用新型500余件。(注:2016、2017年存在已申请且尚未公开的情况,因此为不完全统计)


只为一片清洁的「多晶硅」(第十九届中国专利奖系列报道)


2015年恩菲开始申请了一定量的PCT国际专利申请,为其“走出去”奠定了基础。


从申请的领域来看,涉及硅的专利占到了全部专利的14%。从下表可以看出,恩菲在各种金属的分离、提纯上有大量的专利布局。


只为一片清洁的「多晶硅」(第十九届中国专利奖系列报道)


再聚焦到恩菲对多晶硅提纯的研发上,在专利公开的多晶硅生产方法中:是通过一系列化学与物理反应,反复提纯,除去工业硅中微量杂质的过程,将工业硅与氯化氢(HCl)合成三氯氢硅(SiHCl3),三氯氢硅提纯后与氢气在还原炉内发生反应生成硅,并在硅芯(纯硅种子)上气相沉积为多晶硅,见下图。


只为一片清洁的「多晶硅」(第十九届中国专利奖系列报道)


生产过程中主要的反应为:


Si+HCl→SiHCl3+SiCl4+H2

SiHCl3→Si+SiCl4+H2

SiHCl3+H2→Si+HCl


对于多晶硅生产中产生的尾气,本发明提出“梯级分离提纯、动态循环净化”设计思想,揭示了氯化氢在四氯化硅(SiCl4)中的溶解机理,发明了尾气干法回收。(参见下图)


只为一片清洁的「多晶硅」(第十九届中国专利奖系列报道)


利用“加压分离-吸收-解析-吸附-再生”工艺(见下图)实现了尾气的回收与闭环重复利用,颠覆了传统多晶硅生产技术把反应过程气体作为尾气处理的技术路线,使多晶硅生产的过程气体循环利用率达到99.99%,实现了清洁生产,大幅降低物料消耗和生产成本。


只为一片清洁的「多晶硅」(第十九届中国专利奖系列报道)


根据相关材料显示:中国恩菲经过实验室、工业化试验和产业化试验,使本发明成为完整的、成熟的工艺包,并投资控股洛阳中硅高科技有限公司,实现了大规模量产。设计建成了年产1000吨(1套)、2000吨(2套)、5000吨(1套)多晶硅生产系统,通过技改消除瓶颈,目前总产能已达18000吨/年,累计生产多晶硅3.1万吨,实现销售收入 87亿元;中国恩菲利用本发明技术许可和设计、服务签订合同累计1.9亿元、工程总承包累计25亿元,实用性和市场价值显著。


当然,除了本发明专利外,恩菲还构建了以本发明为核心的专利群(相关专利申请超过200件),其中与本次预获奖专利紧密相关的21件,小编已经摘录好(见下表,拿走,不谢)!


只为一片清洁的「多晶硅」(第十九届中国专利奖系列报道)


小编认为:这些在多晶硅的生产工艺技术、工艺装备、控制系统、节能环保和特种工具等全范围系统性的布局,也是众星捧月般的导致本专利能入围中国专利金奖预获奖项目的重要原因之一吧。


恩菲在研发和专利布局方面的经验,值得相关企业的借鉴。


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