單晶硅用氮化硅無(wú)氧坩堝的研究與開(kāi)發(fā)

1、單晶硅用氮化硅無(wú)氧坩堝的研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目可行性研究報(bào)告目 錄一項(xiàng)目設(shè)立的背景和意義1二國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)5（一）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀5（二）國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)6三. 項(xiàng)目主要研究開(kāi)發(fā)的內(nèi)容、技術(shù)關(guān)鍵及主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)8（一）主要研究開(kāi)發(fā)的內(nèi)容8（二）技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)9（三）主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)10四. 項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)11（一）技術(shù)指標(biāo)11（二）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)11（三）社會(huì)效益12（四）技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化前景12（五）獲取知識(shí)產(chǎn)權(quán)的情況13五. 項(xiàng)目的實(shí)施方案、技術(shù)路線、組織方式與課題分解14（一）實(shí)施方案14（二）工藝技術(shù)路線15（三）組織方式15（四）課題分解17六. 計(jì)劃進(jìn)度安排19七. 現(xiàn)有工作基礎(chǔ)和條件20（一）公司概況

2、20（二）合作機(jī)構(gòu)科研能力簡(jiǎn)介22（三）項(xiàng)目工作基礎(chǔ)22八. 經(jīng)費(fèi)預(yù)算23（一）經(jīng)費(fèi)概算23（二）資金來(lái)源23一項(xiàng)目設(shè)立的背景和意義從2001到2010年的10年期間，全世界太陽(yáng)電池的年產(chǎn)量保持著指數(shù)級(jí)的高速增長(zhǎng)，平均年增長(zhǎng)率為55.5%；最近5年的平均年增長(zhǎng)率更是達(dá)到68%。2010年全球太陽(yáng)電池產(chǎn)量為23.9gwp，其中中國(guó)大陸的產(chǎn)量為10.7gwp，占到總產(chǎn)量的44.7%。2010年全球太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)裝機(jī)量為17.5gw，2011年裝機(jī)量達(dá)23.5gw，同比增長(zhǎng)34%。2011年中國(guó)的光伏系統(tǒng)裝機(jī)量為2.6gw，比上一年增長(zhǎng)300%，僅次于意大利、德國(guó)和美國(guó)，成為全球第四大光伏市場(chǎng)。上網(wǎng)

3、電價(jià)補(bǔ)貼政策的實(shí)施有效促進(jìn)了中國(guó)光伏系統(tǒng)項(xiàng)目的增長(zhǎng)，也迅速掀起了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用的崛起。目前，按太陽(yáng)電池制備所需的材料來(lái)劃分，光伏市場(chǎng)份額主要由晶體硅（直拉單晶、鑄造多晶）、薄膜（非晶硅、cdte、cigs等）組成。其中，晶體硅一直占據(jù)著統(tǒng)治地位，大約80%的太陽(yáng)電池是由晶體硅制得。直拉單晶硅具有唯一的晶向和較高的純度，缺陷密度低，制得的太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)化效率高，平均可達(dá)到18%左右，是目前光伏電池片的主要材料之一。但是，由于傳統(tǒng)直拉單晶硅用坩堝材質(zhì)為石英，經(jīng)涂層處理后僅能一次性使用，石英坩堝在使用溫度下軟化需配合石墨坩堝同時(shí)使用（如圖1-1所示）： 單晶爐外殼 導(dǎo)流筒 石英坩堝 石墨坩堝 加熱器 電極

4、螺栓 坩堝托桿 上保溫罩 中保溫罩 坩堝托盤(pán) 下保溫罩 圖1-1 裝入石英坩堝和石墨坩堝的單晶爐結(jié)構(gòu)示意圖這種方式不僅造成資源浪費(fèi)，增加回收成本，同時(shí)增加了單晶硅生產(chǎn)成本，不利于單晶硅氧含量的降低和電池的轉(zhuǎn)換效率的提升。因此，尋找一種新的材料，開(kāi)發(fā)節(jié)能降耗的坩堝，以降低單晶硅生產(chǎn)成本、提高單晶硅片的品質(zhì)與電池的轉(zhuǎn)換效率是行業(yè)內(nèi)研究和產(chǎn)業(yè)化關(guān)注的重點(diǎn)。氮化硅作為一種高溫非氧化物材料，因其優(yōu)異的性能已廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、化工、航空、醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域，但在半導(dǎo)體工業(yè)方面的應(yīng)用僅限于制造開(kāi)關(guān)電路基片、薄膜電容器、承受高溫或溫度劇變的電絕緣體等。 本項(xiàng)目通過(guò)引進(jìn)全套先進(jìn)設(shè)備并自主研發(fā)生產(chǎn)工藝，制備高純度

5、大尺寸硅晶用氮化硅無(wú)氧坩堝，突破目前已有的氮化硅坩堝尺寸及純度，開(kāi)發(fā)其在太陽(yáng)能硅晶領(lǐng)域的全新應(yīng)用；該無(wú)氧坩堝可重復(fù)多次使用，避免石英坩堝一次性使用造成的資源浪費(fèi)，且其耐高溫性能優(yōu)越，無(wú)氧坩堝可以同時(shí)起到石英坩堝和石墨坩堝的雙重作用，無(wú)需配合石墨坩堝使用（如圖1-2所示），可降低單晶硅棒的氧含量，提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率，對(duì)單晶性能起到積極的作用。無(wú)氧坩堝的成功開(kāi)發(fā)，將推動(dòng)單晶硅制造產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，意義十分重大。企業(yè)將借助其技術(shù)和資源優(yōu)勢(shì)，迅速實(shí)現(xiàn)氮化硅無(wú)氧坩堝新產(chǎn)品的市場(chǎng)推廣，將引領(lǐng)光伏行業(yè)晶體生長(zhǎng)的一場(chǎng)重大變革，其長(zhǎng)遠(yuǎn)意義不可估量。單晶爐外殼 導(dǎo)流筒 無(wú)氧坩堝 加熱器 電極螺栓 坩堝托桿 上保溫罩

6、 中保溫罩 坩堝托盤(pán) 下保溫罩 圖1-2 裝入無(wú)氧坩堝的單晶爐結(jié)構(gòu)示意圖國(guó)家工信部發(fā)布的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃中發(fā)展重點(diǎn)的關(guān)鍵配套輔料方面，明確指出將“坩堝”國(guó)產(chǎn)化作為支持重點(diǎn)。此外，氮化硅無(wú)氧坩堝的制造作為新材料技術(shù)和產(chǎn)業(yè)之一，受到國(guó)家高度重視和支持，在國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）中把新材料技術(shù)列為八大前沿技術(shù)之一。新材料產(chǎn)業(yè)是浙江省最具特色的產(chǎn)業(yè)之一，浙江省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要(2011-2015年)和浙江省科學(xué)技術(shù)“十二五”發(fā)展規(guī)劃都將新材料產(chǎn)業(yè)列為重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域之一。本項(xiàng)目同時(shí)符合浙江省“十二五”重大科技專項(xiàng)實(shí)施方案新材料技術(shù)專項(xiàng)

7、實(shí)施方案中專項(xiàng)實(shí)施的主要方向第2條：高性能結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域：密封陶瓷、高性能窯具、低膨脹材料、蜂窩（多孔）陶瓷等新型陶瓷材料產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。二國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)（一）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀近期，隨著半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)低成本的不斷追求和對(duì)氮化硅制品優(yōu)異性能的深入研究，氮化硅無(wú)氧坩堝正逐漸被相關(guān)企業(yè)和研究單位納入研究范圍，目前氮化硅坩堝在國(guó)內(nèi)處于研究實(shí)驗(yàn)階段，手段也相對(duì)的欠缺。在國(guó)外，主要有日本和其他的歐洲企業(yè)研制了半導(dǎo)體用氮化硅坩堝，但在中國(guó)市場(chǎng)還處于空白階段。從國(guó)內(nèi)外對(duì)硅晶用無(wú)氧坩堝的研究中發(fā)現(xiàn)，一方面無(wú)氧坩堝的主要問(wèn)題在于純度還不夠高，在太陽(yáng)能單晶應(yīng)用中仍需進(jìn)一步提高其純度；另一方面在于尺寸不夠大，目前生產(chǎn)

8、的無(wú)氧坩堝主要都是小尺寸的，最大僅有10英寸大小，距離單晶用石英坩堝的最小坩堝尺寸規(guī)格16英寸、18英寸還有一定的差距，具體研究現(xiàn)狀如下：1、國(guó)內(nèi)無(wú)氧坩堝的研究現(xiàn)狀大連新德隆特種陶瓷有限公司。該公司可以生產(chǎn)直徑約為200mm左右的無(wú)氧坩堝用于多晶硅的鑄錠；寧波華標(biāo)特瓷采油設(shè)備有限公司。該公司可以生產(chǎn)直徑分別為160mm氣壓型無(wú)氧坩堝和210mm左右的反應(yīng)型無(wú)氧坩堝，反應(yīng)型的抗熱震性較差，無(wú)法多次使用；氣壓型的可以實(shí)現(xiàn)多次使用，但是還存在粘硅的現(xiàn)象；北京中財(cái)人工晶體有限公司。該公司目前只能生產(chǎn)直徑約為150mm以內(nèi)氣壓型無(wú)氧坩堝；上海耐苛特種陶瓷有限公司。該公司目前只能生產(chǎn)直徑約為100mm以內(nèi)

9、反應(yīng)型無(wú)氧坩堝；上海硅酸鹽研究所、清華大學(xué)和廈門(mén)大學(xué)跟一些公司合作也做了相應(yīng)的研究工作，仍然局限在純度和坩堝尺寸上。2、國(guó)外無(wú)氧坩堝的研究現(xiàn)狀挪威克魯辛股份公司提出可拆分的多晶硅鑄錠用無(wú)氧坩堝；美國(guó)維蘇維尤斯克魯斯公司提出一體多晶硅鑄錠用無(wú)氧坩堝，該坩堝具有氮化硅、二氧化硅和硅多層結(jié)構(gòu)；rec斯坎沃佛股份有限公司提出可拆分半導(dǎo)體基多晶硅鑄錠用無(wú)氧坩堝；挪威科技大學(xué)和挪威科技工業(yè)研究院聯(lián)合開(kāi)發(fā)了太陽(yáng)能多晶硅鑄錠用的無(wú)氧坩堝，該公司生產(chǎn)的氮化硅坩堝可以和硅錠輕松脫落；（二）國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)由于能源危機(jī)的陰影日益增大，資源性礦產(chǎn)價(jià)格日益上揚(yáng)，因此世界各國(guó)均在探索新的清潔能源的開(kāi)發(fā)。在這樣的大背景下，光

10、伏產(chǎn)業(yè)得以迅猛發(fā)展。自1990年以來(lái)，世界總的光伏模塊的產(chǎn)量增長(zhǎng)了50倍，而且在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，將保持很強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭。近年世界光伏模塊的增長(zhǎng)趨勢(shì)見(jiàn)圖2-1。世界光伏模塊的增長(zhǎng)意味著太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)需求量越來(lái)越大，其中大約80%的太陽(yáng)電池是由晶體硅制得，硅太陽(yáng)能電池的主要材料為硅片，因此單晶硅棒制備用石英坩堝的需求量也將急劇增長(zhǎng)，目前單晶用石英坩堝高純?cè)鲜車(chē)?guó)外壟斷，成本較高，為擺脫對(duì)國(guó)外石英砂的依賴，降低成本，避免石英坩堝僅能一次性使用造成的資源浪費(fèi)，開(kāi)發(fā)高性能單晶硅用替代坩堝成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。 圖2-1世界九大機(jī)構(gòu)對(duì)光伏裝機(jī)容量預(yù)測(cè)近年來(lái)，國(guó)內(nèi)光伏行業(yè)發(fā)展迅猛，硅晶體生長(zhǎng)爐的擁有量還

11、在以年增長(zhǎng)率30%的速度增長(zhǎng)，到2011年達(dá)到4000臺(tái)（套），單晶制備所需石英坩堝的市場(chǎng)容量估計(jì)可達(dá)數(shù)十億元，氮化硅因其優(yōu)異的高溫性能成為單晶替代坩堝的首選材料，氮化硅無(wú)氧坩堝替代石英坩堝的開(kāi)發(fā)應(yīng)用不僅可以降低硅片的生產(chǎn)成本，而且可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，克服由于石英坩堝中的氧原子對(duì)單晶硅棒的氧施主效應(yīng)的缺陷以及硼氧復(fù)合體存在所造成電池的光致衰減等固有缺點(diǎn)，目前單晶硅替代坩堝在國(guó)內(nèi)外還處于研究實(shí)驗(yàn)階段，存在很大的發(fā)展空間。隨著使用新能源的呼聲日益高漲，業(yè)內(nèi)人士介紹，歐盟要求各成員國(guó)到2020年新能源占到全國(guó)能源應(yīng)用的20%，未來(lái)歐洲光伏市場(chǎng)前景廣闊。此外，印度、東南亞等國(guó)光伏市場(chǎng)都會(huì)保持繼續(xù)增長(zhǎng)的趨

12、勢(shì)。光伏行業(yè)在國(guó)外市場(chǎng)發(fā)展一片大好的局面，啟示我們要不斷地完善和提高硅電池及硅片質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，以占有更多的國(guó)際市場(chǎng)。三. 項(xiàng)目主要研究開(kāi)發(fā)的內(nèi)容、技術(shù)關(guān)鍵及主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)（一）主要研究開(kāi)發(fā)的內(nèi)容本項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容包括氮化硅無(wú)氧坩堝組成材料的分析優(yōu)選、工藝路線分析優(yōu)選、設(shè)備選型及改造、各環(huán)節(jié)制備工藝開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)流程體系控制以及硅單晶制備領(lǐng)域的應(yīng)用四個(gè)方面：1、坩堝組成材料的分析優(yōu)選。自主研發(fā)無(wú)氧氮化硅坩堝成份配方、優(yōu)選新型氮化硅制品添加劑，解決傳統(tǒng)使用堿金屬等常規(guī)氧化物添加劑對(duì)硅單晶的污染問(wèn)題，滿足光伏行業(yè)晶體硅制備的低污染要求，且對(duì)硅片質(zhì)量起到積極的作用，可有效解決由于石英坩堝中的氧原子對(duì)單晶

13、硅棒的氧施主效應(yīng)的缺陷問(wèn)題。2、坩堝制備工藝路線分析優(yōu)選與各環(huán)節(jié)制備工藝的開(kāi)發(fā)。本項(xiàng)目?jī)?yōu)選冷等靜壓成型氣壓燒結(jié)工藝，其素坯體是由冷等靜壓成型設(shè)備獲得，首先將幾種高純度原料按化學(xué)計(jì)量比配制后，于球磨混料機(jī)初步處理，進(jìn)行造粒，改善原料顆粒的流動(dòng)性，以利于在成型過(guò)程中獲得均勻致密的大尺寸坩堝素坯體；坩堝素坯經(jīng)表面處理、干燥后，進(jìn)行氣壓燒結(jié)制備熟坯，為保障熟坯質(zhì)量，在燒結(jié)之前要設(shè)計(jì)裝爐工藝，制備匹配的素坯小件防止大尺寸氮化硅坩堝制品的變形；在燒結(jié)過(guò)程中，合理燒結(jié)工藝的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)是獲得組織均勻、高致密度、高成品率熟坯的前提，對(duì)熟坯進(jìn)行少量加工，獲得具有精確尺寸的無(wú)氧坩堝制品；項(xiàng)目自主開(kāi)發(fā)坩堝制備技術(shù)，設(shè)計(jì)

14、開(kāi)發(fā)大尺寸薄壁坩堝成型、燒結(jié)工藝，突破傳統(tǒng)氮化硅坩堝尺寸小的局限性，以滿足硅單晶制備的使用。3、試制設(shè)備的選型改造與生產(chǎn)流程體系控制。為保障大尺寸氮化硅坩堝的制備，在設(shè)備選型之初，就要結(jié)合制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇尺寸合適、滿足制備條件的設(shè)備型號(hào)，為保障氮化硅坩堝制品的高純度，在制備的各環(huán)節(jié)都極力避免和減少任何污染的引入，對(duì)設(shè)備選材要求苛刻，要求對(duì)制品無(wú)污染或極少污染，在安全前提下我們對(duì)部分設(shè)備進(jìn)行局部改造、試生產(chǎn)廠房按十萬(wàn)級(jí)潔凈度設(shè)計(jì)，生產(chǎn)流程實(shí)施封閉式控制。4、氮化硅無(wú)氧坩堝應(yīng)用于制備硅單晶的工藝開(kāi)發(fā)。氮化硅無(wú)氧坩堝替代石英坩堝進(jìn)行單晶硅棒拉制，坩堝材質(zhì)的改變要求其單晶拉制工藝也要做出相應(yīng)改變，以

15、滿足光伏行業(yè)晶體硅生長(zhǎng)工藝要求，制備出高質(zhì)量硅棒，使其各項(xiàng)性能指標(biāo)及部分性能指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)“低成本高質(zhì)量硅片”的目標(biāo)。（二）技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)1、氮化硅無(wú)氧坩堝配方研制。傳統(tǒng)高性能氮化硅制品使用的添加劑種類繁雜，而且傳統(tǒng)添加劑的使用多不適合太陽(yáng)能電池用單晶硅高純度的要求，探索出與單晶硅不相反應(yīng)的或坩堝制備后期能完全去除的添加劑將是整個(gè)技術(shù)的關(guān)鍵所在，這直接關(guān)系到該制品能否應(yīng)用于硅單晶制備領(lǐng)域。2、開(kāi)發(fā)氮化硅無(wú)氧坩堝的高純度控制工藝。目前單晶硅的純度在99.9999%以上，坩堝的選材純度要求達(dá)到4n及以上，在制備的各環(huán)節(jié)都必須避免和減少任何污染的引入，為此，在生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)之初就要對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)

16、包括設(shè)備的選材改造、廠房十萬(wàn)級(jí)潔凈度要求封閉式設(shè)計(jì)等都要進(jìn)行嚴(yán)格的控制，以滿足坩堝純度的要求。3、開(kāi)發(fā)大尺寸薄壁氮化硅無(wú)氧坩堝的冷等靜壓成型工藝。20寸薄壁型大尺寸氮化硅坩堝直徑近560mm，等靜壓成型的配體尺寸必須達(dá)到700mm以上，素坯的成型非常困難，冷等靜壓成型工藝的開(kāi)發(fā)將直接決定產(chǎn)品的成品率。4、開(kāi)發(fā)大尺寸薄壁氮化硅無(wú)氧坩堝的燒結(jié)工藝。燒結(jié)過(guò)程中坩堝的體積收縮率高達(dá)20%以上，極易造成制品的變形和開(kāi)裂，和成型工藝一樣是決定產(chǎn)品成品率的關(guān)鍵，直接關(guān)系到成本的控制。5、使用氮化硅無(wú)氧坩堝制備硅單晶，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的硅單晶拉制工藝。該應(yīng)用技術(shù)的開(kāi)發(fā)是確保無(wú)氧氮化硅坩堝制備出極低氧含量高品質(zhì)單晶硅棒

17、的關(guān)鍵所在，以克服由于石英坩堝中的氧原子對(duì)單晶硅棒的氧施主效應(yīng)的缺陷，以及硼氧復(fù)合體存在所造成電池的光致衰減等固有缺點(diǎn)。（三）主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)1、開(kāi)發(fā)直徑為20英寸的無(wú)氧坩堝，突破目前氮化硅坩堝制品的小尺寸限制。2、開(kāi)發(fā)高純度無(wú)氧坩堝，滿足硅單晶制備對(duì)純度的要求。3、該氮化硅無(wú)氧坩堝可重復(fù)30次使用，降低硅晶生產(chǎn)成本。4、替代石英坩堝應(yīng)用于硅單晶制備。5、制備出極低氧含量的高品質(zhì)單晶硅棒。四. 項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)（一）技術(shù)指標(biāo)1）無(wú)氧坩堝尺寸為20英寸； 2）無(wú)氧坩堝常規(guī)使用壽命30次；3）純度指標(biāo)：無(wú)氧坩堝的總雜質(zhì)含量100ppm；4）單晶硅棒氧含量：相同條件下，與石英坩堝相比，使用該無(wú)氧坩堝制備的單

18、晶硅棒氧含量降低20%；5）外觀質(zhì)量：無(wú)明顯缺陷。（二）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)該項(xiàng)目一期投產(chǎn)后將形成年產(chǎn)288只無(wú)氧坩堝的規(guī)模，項(xiàng)目總投資2950萬(wàn)元，該氮化硅無(wú)氧坩堝常規(guī)使用壽命為30次， 288只氮化硅無(wú)氧坩堝相當(dāng)于8640只石英坩堝和使用石英坩堝時(shí)需配備的144只石墨坩堝。無(wú)氧坩堝銷(xiāo)售價(jià)格按30只同尺寸石英坩堝及0.5只石墨坩堝平均市場(chǎng)價(jià)格定位，則年銷(xiāo)售收入約2200萬(wàn)元，毛利潤(rùn)1080萬(wàn)元，毛利率49%，稅金為408萬(wàn)元。由于該項(xiàng)目具有較高的技術(shù)壁壘，未來(lái)3-5年內(nèi)將會(huì)保持較高的利潤(rùn)率。詳細(xì)預(yù)算見(jiàn)下表4-1：表4-1石英坩堝常規(guī)使用氮化硅坩堝常規(guī)使用（坩堝壽命30次）單晶爐數(shù)（臺(tái)）坩堝用量（只/月/

19、爐）坩堝用量（只/月）坩堝規(guī)格/英寸某家單價(jià)（元/只）自產(chǎn)成本（元/只）自產(chǎn)坩堝用量（只/月）石墨坩堝節(jié)約費(fèi)用（萬(wàn)元/月）經(jīng)濟(jì)效益 (萬(wàn)元/月)經(jīng)濟(jì)效益(萬(wàn)元/年)51 14720202,050 38,953 243690 1080 備注：1.某家單價(jià)指目前20寸石英坩堝平均市場(chǎng)單價(jià)；2.自產(chǎn)坩堝用量（按無(wú)氧坩堝可重復(fù)使用30次入算）；（三）社會(huì)效益?zhèn)鹘y(tǒng)太陽(yáng)能硅晶用石英坩堝，經(jīng)涂層處理后僅能一次性使用，石英坩堝在使用溫度下軟化需配合石墨坩堝同時(shí)使用，這不僅使一次性使用造成資源浪費(fèi)，增加回收成本，同時(shí)使太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)成本居高不下，阻礙太陽(yáng)能電池這一清潔能源應(yīng)用的大幅度普及，本項(xiàng)目中提出的太陽(yáng)能

20、用新型氮化硅坩堝不僅高溫性能優(yōu)異無(wú)需石墨坩堝配合，可重復(fù)多次使用，而且氮化硅坩堝作為無(wú)氧坩堝起到優(yōu)化硅晶性能提高轉(zhuǎn)換效率降低生產(chǎn)成本的雙重作用；氮化硅坩堝導(dǎo)熱系數(shù)為14.6529.31(rt)w/m, 單晶用石英坩堝的導(dǎo)熱系數(shù)為1.427(rt) w/m，即氮化硅坩堝導(dǎo)熱系數(shù)最高時(shí)可達(dá)石英坩堝的數(shù)十倍，使用無(wú)氧氮化硅坩堝替代石英坩堝用于硅單晶拉制，熔硅時(shí)間和隨爐冷卻時(shí)間都將大幅度降低，由此用電量也將隨之減少；另外，氮化硅坩堝具有優(yōu)異的高溫性能尤其是抗熱震性，這為實(shí)現(xiàn)連續(xù)拉晶投料提供了有效的性能保障，連續(xù)拉晶投料的實(shí)現(xiàn)不僅縮短單晶制備的周期，提高產(chǎn)量，而且避免了反復(fù)進(jìn)行熔硅、降溫開(kāi)爐的工序，將使

21、得單晶制備的用電量進(jìn)一步降低。當(dāng)前，我國(guó)正在大力發(fā)展太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)，晶硅是太陽(yáng)能光伏的重要基礎(chǔ)材料。降低晶硅材料生產(chǎn)成本、優(yōu)化硅晶性能、提高轉(zhuǎn)換效率是光伏晶硅企業(yè)追求的目標(biāo)。本項(xiàng)目成果的推廣應(yīng)用，將進(jìn)一步推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，社會(huì)效益經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。（四）技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化前景氮化硅陶瓷作為高溫非氧化物陶瓷，因其優(yōu)異的性能已廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、化工、航空、醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域， 在半導(dǎo)體方面的應(yīng)僅限于制造開(kāi)關(guān)電路基片、薄膜電容器、承受高溫或溫度劇變的電絕緣體等，在本項(xiàng)目中氮化硅陶瓷作為坩堝工業(yè)化用于太陽(yáng)能硅晶領(lǐng)域還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)告，本項(xiàng)目引進(jìn)全套先進(jìn)設(shè)備，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)工藝，制備高純度大尺寸硅晶用氮化

22、硅坩堝，突破目前已有的氮化硅坩堝尺寸及純度，開(kāi)發(fā)其在太陽(yáng)能硅晶領(lǐng)域的全新應(yīng)用。在單晶制備過(guò)程中可重復(fù)多次使用且對(duì)單晶性能起到積極作用的無(wú)氧氮化硅坩堝一旦開(kāi)發(fā)成功，將具有革命性的意義，其產(chǎn)業(yè)化前景十分樂(lè)觀。（五）獲取知識(shí)產(chǎn)權(quán)的情況本項(xiàng)目計(jì)劃申請(qǐng)專利6項(xiàng)，申報(bào)省級(jí)新產(chǎn)品1個(gè)，企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)。已申請(qǐng)專利4項(xiàng)，分別涉及氮化硅坩堝原料造粒技術(shù)，無(wú)氧氮化硅坩堝制備工藝技術(shù)和無(wú)氧氮化硅坩堝新產(chǎn)品等，詳細(xì)如下：1、太陽(yáng)能結(jié)晶硅用氮化硅復(fù)層結(jié)構(gòu)坩堝，專利申請(qǐng)?zhí)枮椋?01110383258.x；2、一種氮化硅坩堝用粉粒體的制備方法，專利申請(qǐng)?zhí)枮椋?01110444658.x；3. 一種氮化硅坩堝及其制備方法，尚

23、處于申請(qǐng)階段；4、一種新型硅晶氮化硅坩堝，尚處于申請(qǐng)階段。五. 項(xiàng)目的實(shí)施方案、技術(shù)路線、組織方式與課題分解（一）實(shí)施方案本項(xiàng)目的實(shí)施分為以下六個(gè)階段：第一步，單晶替代坩堝可行性調(diào)研及氮化硅坩堝工藝路線的確定。結(jié)合多次實(shí)驗(yàn)、理論分析確定合適的單晶替代坩堝材料，在硅單晶應(yīng)用領(lǐng)域，分析該材料物化性能的最佳技術(shù)指標(biāo)，以社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益為前提，以獲取最佳技術(shù)指標(biāo)為目標(biāo)，對(duì)無(wú)氧坩堝制備的工藝路線進(jìn)行設(shè)計(jì)并完善，對(duì)使用過(guò)程中出現(xiàn)和可能出現(xiàn)的系列問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出有效的解決方案。第二步，設(shè)備選型改造及其生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)。主要生產(chǎn)設(shè)備包括球磨、造粒、 成型、燒結(jié)設(shè)備，由于無(wú)氧坩堝應(yīng)用領(lǐng)域的高純度高性能的特殊要求，因

24、此工藝設(shè)計(jì)之初包括設(shè)備材質(zhì)等都要嚴(yán)格要求。 第三步，建立試生產(chǎn)線并逐步完善生產(chǎn)工藝。進(jìn)行試生產(chǎn)線廠房布局設(shè)計(jì)及施工設(shè)計(jì)，進(jìn)行設(shè)備安裝調(diào)試，并對(duì)原料處理、成型、燒結(jié)等各工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)并逐步完善其工藝。第四步，無(wú)氧坩堝在公司內(nèi)部進(jìn)行單晶拉制初試。 依據(jù)公司各廠各車(chē)間設(shè)備型號(hào)熱場(chǎng)尺寸制定多種試驗(yàn)方案，對(duì)試用中存在的問(wèn)題總結(jié)并提出對(duì)無(wú)氧坩堝的改進(jìn)建議，由無(wú)氧坩堝項(xiàng)目組對(duì)單晶拉制環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行頭腦風(fēng)暴分析，完善無(wú)氧坩堝的生產(chǎn)制備工藝。第五步，無(wú)氧坩堝在公司內(nèi)部進(jìn)行單晶拉制中試。初試成功后加大無(wú)氧坩堝在公司的使用量，并進(jìn)行跟蹤分析，收集使用信息，逐步穩(wěn)定無(wú)氧坩堝生產(chǎn)工藝和拉晶工藝，使其最終替代石英

25、坩堝的使用，實(shí)現(xiàn)無(wú)氧坩堝由公司內(nèi)部向外部市場(chǎng)的推廣。第六步，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，項(xiàng)目竣工驗(yàn)收。（二）工藝技術(shù)路線原輔料按一定的化學(xué)計(jì)量比配制后經(jīng)過(guò)前期球磨、造粒等處理形成具有高流動(dòng)性的假顆粒，經(jīng)裝料填料工藝處理后進(jìn)行成型制得坩堝素坯，對(duì)坩堝素坯進(jìn)行檢測(cè)及表面處理，采用設(shè)計(jì)的裝爐工藝進(jìn)行燒結(jié)獲得坩堝熟坯，對(duì)坩堝熟坯進(jìn)行二次表面處理獲得無(wú)氧坩堝成品，其工藝技術(shù)路線如下圖所示： 成品檢驗(yàn)材料配制前期處理填料成型素坯表面處理y 過(guò)程檢驗(yàn)燒結(jié)熟坯二次表面處理機(jī)械粉碎球 磨包裝入庫(kù)n （三）組織方式（1）人才隊(duì)伍及項(xiàng)目分工本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)由公司主要的負(fù)責(zé)人和研發(fā)人員組成，詳見(jiàn)表5-1：表5-1 項(xiàng)目主要負(fù)責(zé)人及

26、研發(fā)人員表主要負(fù)責(zé)人及研發(fā)人員表姓名學(xué)歷職務(wù)任務(wù)分工時(shí)間投入（月/年）*碩士技術(shù)研發(fā)資深副總裁項(xiàng)目負(fù)責(zé)人3*本科項(xiàng)目經(jīng)理技術(shù)負(fù)責(zé)人12*本科高級(jí)工程師技術(shù)顧問(wèn)3*大專高級(jí)工程師設(shè)備開(kāi)發(fā)3*碩士高級(jí)工程師參與人12*碩士工程師參與人12*碩士工程師參與人12*碩士工程師參與人12*碩士工程師參與人12*本科高級(jí)工程師項(xiàng)目管理2項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：*先生，*有限公司技術(shù)與研發(fā)資深副總裁，男，1967年出生，于1989年在浙江大學(xué)取得學(xué)士學(xué)位，之后取得浙江大學(xué)工商管理碩士學(xué)位。*先生曾先后在國(guó)內(nèi)外多家知名企業(yè)擔(dān)任高級(jí)工程師及總經(jīng)理等要職。2009年2加入我公司并任技術(shù)研發(fā)副總裁一職，帶領(lǐng)技術(shù)和研發(fā)團(tuán)隊(duì)，克服

27、種種困難，使得多晶硅片的轉(zhuǎn)換效率從15.4%提升到目前的16.5%以上；單晶硅片的品質(zhì)節(jié)節(jié)攀升，克服了氧含量和黑心片等嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題；摻鎵新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，克服了單晶硅片光致衰減的難題，搶占了摻鎵硅片市場(chǎng)的先機(jī)；單多晶爐子的能耗下降達(dá)20%，并采取了雙向切割等先進(jìn)理念，硅片生長(zhǎng)成本大幅度下降，為公司贏得競(jìng)爭(zhēng)力。與此同時(shí)，培養(yǎng)了一批年輕的技術(shù)和研發(fā)人員。*先生，*有限公司，研究院項(xiàng)目研發(fā)經(jīng)理，高級(jí)工程師，男，1980年出生，2003年7月畢業(yè)于陜西科技大學(xué)。2005年進(jìn)入光伏行業(yè)，主要從事硅單晶技術(shù)的研發(fā)。2009年5月加入*有限公司，負(fù)責(zé)單晶生長(zhǎng)技術(shù)，當(dāng)年成功的完成了8寸單晶的規(guī)模量產(chǎn)（*公司是國(guó)內(nèi)

28、8寸單晶最早規(guī)?；慨a(chǎn)的公司），之后還成功的實(shí)施了降低單晶生產(chǎn)成本、提高單晶品質(zhì)方案，使*的單晶成本做到國(guó)內(nèi)最低水平，單晶品質(zhì)也處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。 還承擔(dān)了降低單晶能耗的項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)年節(jié)能2670萬(wàn)度電，為公司節(jié)能減排做出了巨大貢獻(xiàn)。*先生，1962年出生，1982年畢業(yè)于浙江大學(xué)材料系，高級(jí)工程師，中國(guó)能源學(xué)會(huì)理事，中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)浙江分會(huì)理事?，F(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院*研究所*工程中心副主任，曾主持完成省級(jí)重大項(xiàng)目三項(xiàng)，市重點(diǎn)項(xiàng)目多項(xiàng)：國(guó)家創(chuàng)新基金項(xiàng)目：與中科光電公司合作承擔(dān)了“mcz（磁場(chǎng)直拉）太陽(yáng)能硅專用永磁場(chǎng)裝置”國(guó)家中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目；省以上重點(diǎn)項(xiàng)目主要有: 研制wq222產(chǎn)品并獲兵

29、器部三等獎(jiǎng)、主持完成中科邁高“年產(chǎn)300噸高性能永磁產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目”（浙江省示范項(xiàng)目）、與*等企業(yè)合作的“高性價(jià)比太陽(yáng)能硅片綜合技術(shù)開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目（浙江省廳市會(huì)商項(xiàng)目）；市重點(diǎn)有：與浙江太陽(yáng)谷公司合作的高效太陽(yáng)能電池項(xiàng)目，中科光電的高效太陽(yáng)能組件項(xiàng)目、系列太陽(yáng)能充電包項(xiàng)目；在新能源高效節(jié)能領(lǐng)域擁有十七項(xiàng)專利技術(shù)，其中有：一種太陽(yáng)能單晶硅制備用的磁場(chǎng)裝置、太陽(yáng)能車(chē)載冷風(fēng)扇、太陽(yáng)能環(huán)保樹(shù)、太陽(yáng)能組件快速鋪設(shè)焊接臺(tái)、一種戶用低倍聚光光伏裝置、太陽(yáng)能移動(dòng)電源拉桿箱、一種磁極間距可調(diào)的mcz永磁場(chǎng)裝置等。（四）課題分解本項(xiàng)目研究的內(nèi)容貫穿氮化硅基材料的生產(chǎn)設(shè)備改造及生產(chǎn)工藝開(kāi)發(fā)、材料結(jié)構(gòu)性能與工藝優(yōu)化以及產(chǎn)品配

30、方研發(fā)、材料性能測(cè)試等系列實(shí)驗(yàn)。目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出針對(duì)太陽(yáng)能單晶硅制造過(guò)程中使用的無(wú)氧坩堝這一新產(chǎn)品及其生產(chǎn)工藝，采用新的實(shí)驗(yàn)方法和分析理論，獲得突破性的成果。項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容可分為以下四部分，課題分解如下：第一部分：設(shè)計(jì)無(wú)氧坩堝成份及原料處理工藝1.自主研發(fā)無(wú)氧坩堝的原料配方，實(shí)現(xiàn)最佳高溫性能，最低污染的基礎(chǔ)上，達(dá)到最低的成本，確保其應(yīng)用制備出極低氧含量高品質(zhì)的單晶硅棒；2.研發(fā)最佳無(wú)氧坩堝原料處理技術(shù)方案和工藝路線，實(shí)現(xiàn)在最佳抗熱震性，最低污染的基礎(chǔ)上，達(dá)到最佳的效果；第二部分：無(wú)氧坩堝的素坯成型1.設(shè)計(jì)無(wú)氧坩堝素坯成型磨具；2.開(kāi)發(fā)新型冷等靜壓壓力介質(zhì)使用工藝，獲得最低污染，保證高純度；3.開(kāi)發(fā)大

31、尺寸薄壁素坯成型工藝，獲得突破性成果；第三部分：無(wú)氧坩堝的熟坯制備1.設(shè)計(jì)無(wú)氧坩堝熟坯制備的裝爐工藝，獲得最低污染，保證高純度，高成品率；2.開(kāi)發(fā)大尺寸薄壁坩堝燒結(jié)工藝，獲得突破性成果；3.設(shè)計(jì)坩堝微觀結(jié)構(gòu)組織，確保高使用壽命，獲得最低使用成本；第四部分：使用氮化硅無(wú)氧坩堝制備硅單晶，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的硅單晶拉制工藝1.晶體生長(zhǎng)熱場(chǎng)模擬，預(yù)測(cè)可能存在的應(yīng)用問(wèn)題提出解決方案；2.在公司單晶硅生產(chǎn)車(chē)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拉晶實(shí)驗(yàn)，分析解決應(yīng)用問(wèn)題，優(yōu)化拉晶工藝，克服由于石英坩堝中的氧原子對(duì)單晶硅棒的氧施主效應(yīng)的缺陷，以及硼氧復(fù)合體存在所造成電池的光致衰減等固有缺點(diǎn)；3.與中科院嘉興物理工程中心合作進(jìn)行產(chǎn)品相關(guān)工藝完善

32、及標(biāo)準(zhǔn)制定；六. 計(jì)劃進(jìn)度安排第一階段（2011年10月-2011年11月）：?jiǎn)尉娲釄蹇尚行哉{(diào)研及氮化硅坩堝工藝路線的確定；第二階段（2011年12月-2012年11月）: 設(shè)備選型、設(shè)備安裝調(diào)試及生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)與完善；第三階段（2012年12月-2013年3月）: 無(wú)氧坩堝在公司進(jìn)行單晶拉制初試；第四階段（2013年4月-2013年7月）：無(wú)氧坩堝在公司進(jìn)行單晶拉制中試；第五階段（2013年8月-2013年10月）：產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，項(xiàng)目竣工驗(yàn)收。七. 現(xiàn)有工作基礎(chǔ)和條件（一）公司概況我公司成立于2005年6月，公司總投資71475萬(wàn)美元，注冊(cè)資金32160萬(wàn)美元，擁有員工4800人，其

33、中具有大專以上學(xué)歷的科技活動(dòng)人員1550人，占員工總數(shù)的32.3%，具有博士、碩士學(xué)位的人員為84人，占員工總數(shù)的1.75%。占地面積為610畝，現(xiàn)已建廠房面積190000平方米。公司是集太陽(yáng)能單晶硅棒、單晶硅片、多晶硅錠和多晶硅研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售于一體的高新技術(shù)企業(yè)，是世界第三、中國(guó)第二的太陽(yáng)能硅片制造商。公司目前擁有單晶爐306臺(tái)、多晶爐216臺(tái)、及進(jìn)口的線切機(jī)154臺(tái)、開(kāi)方機(jī)等多臺(tái)，太陽(yáng)能硅片生產(chǎn)能力達(dá)到1900wm。2011年銷(xiāo)售收入57.92億元，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)2.3億元?；趪?yán)格的管理體制和現(xiàn)代化的管理模式，公司順利通過(guò)了iso9001:2000國(guó)際質(zhì)量保證體系的認(rèn)證。成熟的研發(fā)體系、質(zhì)量

34、管理體系、營(yíng)銷(xiāo)管理體系和售后服務(wù)系統(tǒng)，保證了公司為客戶提供高品質(zhì)的產(chǎn)品和專業(yè)化的服務(wù)。公司十分重視科技創(chuàng)新以及對(duì)企業(yè)發(fā)展的重要作用，公司每年投入研發(fā)經(jīng)費(fèi)占到公司銷(xiāo)售收入的3以上，截止到2011年底，公司投入研發(fā)經(jīng)費(fèi)累計(jì)達(dá)6億元。2006年公司投入大量資金成立了研發(fā)中心，該中心于2007年被認(rèn)定為“市級(jí)企業(yè)技術(shù)中心”，于2009年10月被浙江省科技廳認(rèn)定為“省級(jí)高新技術(shù)企業(yè)研究開(kāi)發(fā)中心”，2011年被省科技廳批準(zhǔn)為“太陽(yáng)能硅片工程技術(shù)研究工程中心”和“浙江省光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”牽頭單位。并于2009年被批準(zhǔn)為浙江省工業(yè)行業(yè)龍頭骨干企業(yè)和浙江省創(chuàng)新型示范企業(yè)。隨著光伏行業(yè)嚴(yán)峻的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，光伏企業(yè)想要生存就必須在技術(shù)和成本上占有優(yōu)勢(shì)，我公司為了在嚴(yán)峻的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中勝出，于2011年6月成立了企業(yè)研究院，投入1400萬(wàn)元建設(shè)了一幢研發(fā)大樓，研發(fā)大樓總面積5000平米，包括3000平米辦公區(qū)域，1000平米的研發(fā)成果發(fā)布及展示廳以及1000平米的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)中心，實(shí)驗(yàn)中心擁有價(jià)值8000萬(wàn)元的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，包括fe含量測(cè)試儀、掃描電子顯微鏡、多晶硅鑄錠爐、傅里葉紅外光譜儀、低溫傅立葉紅外測(cè)試儀、氣相色譜儀等儀器等檢測(cè)儀器和設(shè)備，為技術(shù)研發(fā)人員