太阳炉第三代样机（2005年） 

太阳炉第二代样机（2002年） 

太阳炉第四代样机（2007年） 

图2 实验室内的一万个“太阳” 

图3 甘肃武威基地的太阳炉在工作中 

图4 太阳炉的无坩埚冶炼过程 

图5 太阳炉冶炼出来的高纯硅所拉制出来的单晶棒 

 

 

 

相比于其他可再生能源，太阳能是一种资源巨大的、永久性的能源。就我国而言，我国可开发的总风能约为40亿千瓦，水能约为5.4亿千瓦，而太阳能的辐射能量要比这些大几百至几千倍。我国960万平方公里的土地上，平均所接受的太阳能总辐射为1.8万亿千瓦，相当于每平方米每天可收到约0.5公斤的标准煤，这样浩大的、取之不尽的能源应当成为人类永久的能源。

 

然而，就能源的性质来讲，由于太阳能辐射的两大缺陷：空间的低密度性和时间的不连续性，造成了如今太阳能光电技术的高成本和高碳排放，成为普及应用的主要障碍。

 

太阳能光电技术的发电成本居高不下，是化石能源发电成本的5~10倍。它的高碳排放以及对环境的污染也更是使太阳能光电产业不能极大扩展的重要因素。普遍同意，制造1兆瓦光电池总耗电量约为600万度电，在20年的寿命中的总发电量约为3600万度电，可能达到6倍的增益。然而我们应当注意到，在传统的制造技术中所耗费的电能，是燃煤换得的能量，其每度电约为1.32公斤的二氧化碳排放量。这样的碳排放，对于一个年产1000兆瓦规模的工厂来讲，每年的净排放量可达到800万吨！当然，对于一个地域广大的国家，例如我国，如果这1000兆瓦的光电池用于本国发电，则会对碳排放有一些补偿，但是，这种补偿是以当年对环境的影响作为代价，然后再长期逐步补清。理论上光伏发电发出电力是清洁能源，但如果计及光伏电池及其组件的生产，还要消耗相当大的电力，实际上每发1度由来自光伏发电的电能，还要排放0.22公斤的CO2。而如果中国所生产的光电池有99%用于出口，其碳排放800万吨的CO2排放量，就完全由中国承担。发展低碳太阳能产业是十分迫切的任务。

 

对当前传统技术进行革命，发展低成本、低碳的太阳能光电技术是太阳能利用的根本。太阳能光电产品的制造主要包括多晶硅生产、切片、光电池生产、组件生产、光伏发电机安装和制造等环节，本文主要对生产链中最主要的部分——多晶硅生产的传统技术进行讨论，对运用太阳炉技术冶炼多晶硅的原理和进展作一个简要报告。

 

 

无论是在社会学还是科学方面的革命，都来源于理论的创新，来源于对基础理论的学习和研究。具有革命性的太阳能冶炼多晶硅的技术也不例外。

 

 

太阳炉冶炼高纯硅的科学技术实际上来源于近20年以来笔者之一（陈应天）所孜孜追求的并且从未间断过的理论研究工作。

 

20多年前，作为一名剑桥大学的学者陈应天，参加了美国加州理工学院一项规模宏大的实验研究工作，在这3年紧张的工作中，陈第一次接触到了自适应光学的技术，并意识到了它巨大的应用前景。

 

自适应光学摆脱了传统光学中固定的几何形状的光学器件的概念，在进行光线处理时，光学镜面可以随着聚焦或成像的要求而相应地进行变化以达到最佳效应。固定几何形状的光学器件的主要问题在于像差和相位的问题，像差是一种由几何光学的定律而确定下来的光学器件对成像的畸变，这种畸变是光学定律所规定了的，不能有任何改变的。

 

在上世纪80年代所发展出来的自适应技术的价格是十分高昂的，在一个由成百上千的子镜所组成的镜阵面的情况下，自适应光学会要求每一个子镜都做独立运动，以达到调整镜面形状的目的。我们知道，每一个子镜的运动自由度起码有3个。也就是说在一个由n行和m列子镜所形成的阵列的光学面上所需要的控制个数应该是3×n×m。这样庞大的控制系统，要把自适应光学的技术推广到更多的应用范围显然是十分困难的，陈对这个问题考虑了十几年，他一心一意想找到一种能够在以上所述阵列的光学面的结构中将n×m的控制数量降为n+m的数学模式。

 

经过多年的研究和计算，陈独立发展出一种在由n行和m列的子镜所组成的阵列组镜中使用行列运动以实现每个子镜的独立运动的数学方法。这个方法之所以能够实现，是利用了物理学中众所周知的转动算子不对易的原理。陈的研究发现，利用行和列的数字化的转动，只要按照推导出来的八步运动的方式改变它们的顺序，也就是说，按照先转行后转列的次序，以及正转和反转的次序就可以消除行列运动对每个子镜运动的耦合，从而留下纯粹的任意子镜的独立的运动（陈的这个理论在2009年已经由中国科学院数学研究所丁路、胡森等人发展成一种类似于泰勒展开的更一般的理论）。这样一种线运动方式的最大优点是它极大地减少了需要控制的数目，实际控制的数目可以从n×m的数量变成n+m的数量。

 

陈等人发现，新理论中利用行和列的分别运动以减少像差的理论，可以在太阳能聚光方面获得巨大的利用。

 

 

利用陈的行列运动的新理论，可以使用一步走的行加列的运动，修正太阳能的一级像差，以提高太阳聚焦的效率。然而太阳是一个运动的光源，这就存在一个跟踪的问题。陈试图把一步走的行列运动的方法应用于传统的太阳跟踪公式，即“方位角—仰角”跟踪方法，但发现这样做并没有能够取得好的结果。后来才发现解决问题的答案，是人们所惯用的“方位角—仰角”方法必须进行彻底改变，代以“自旋—仰角”公式。

 

所谓“自旋”，是将定日镜的一个轴指向固定目标的自旋运动。陈和他的研究梯队发现，“自旋—仰角”跟踪公式与行加列运动是一对天然绝配，但前人却忽略了这一“天然绝配”。尽管太阳能跟踪理论已发展多年，但实际上还留下一个有待发现的科学秘密。在这方面，中国科技大学刘祖平也专门作了科普介绍。

 

 

新的理论刷新了所有太阳能聚光的传统设计，我们进行了一系列研究工作，以获得各种既廉价又有效的太阳能聚光器以及跟踪装置。我们对几倍的太阳的聚光到几十倍、几百倍、几千倍以至上万倍的聚光，都进行了各式各样的样机及其跟踪系统的研究，并开始迈向产业化阶段。

 

传统的太阳炉采用了两阶型的设计，第一阶是用跟踪太阳的定日镜，采用平面式的反射镜或略有曲率的反射镜，使得在目标处的光斑的面积与定日镜的总面积之比为1或略小于1；这样的设计就需要第二阶的反射镜的面积非常的庞大，而这样一个直径为几米或者几十米的抛物面镜或球面镜，要使其制造的几何形状达到光学的要求，实际上是非常耗时耗力的，因而其制造成本也是相当高的。一般讲来，对于能达到3000度以上的太阳炉，每千瓦的制造成本可以高达十几万到几十万元人民币。陈等人所发展出来的理论可以实现跟踪与聚光一步完成，使在目标处的太阳光斑的大小几十倍或几百倍小于定日镜的采光面积。所用的二次反射镜可以几十倍或几百倍地小于定日镜的反射镜。这种准二阶型的太阳炉实际上可用将近低于十倍的成本，在几十千瓦或上百千瓦的热量的情况下，获得3000~4000度的高温。

 

我们把这种使用自旋仰角跟踪公式，以一步行列运动进行主动补偿的低成本的太阳炉称为新型太阳炉。新型太阳炉自从原理的推出至今，已经经过了四代样机的改进，图1给出了四代样机的图片。第一代样机只有2m×2m，最初在1997年建成，验证了上述原理，并于2001年公开发表，引起了国家太阳能领域的轰动。当时最大的质疑在于这样原理的太阳炉能否做大，达到工业化的要求。2002年制成3.4m×3.4m的样机、2005年制成5m×5m的样机，2007年又发展为8m×8m的样机，标志着新型太阳炉技术的稳定发展和逐步成熟。第四代样机已经成批量生产，并开始少量的出口销售。2010年又开始第五代样机的开发，目标在于更大数量地减少驱动装置，降低成本，提高可靠性，将会把经过十几年开发的新型太阳炉的设计和制造推向一个更高的平台。

 

 

使用太阳光线聚集的能量冶炼各种金属的概念并非是始创于笔者；历史上有许多说法，也有某些尝试，但没有任何有价值的工作留下，以至于许多人将这个概念当做童话。究其原因，在具有主动补偿作用的新型太阳炉发明以前，没有一个有效地能够将光线廉价并方便地聚焦到一个固定目标的器件。在国外大量发展的碟式聚焦和跟踪系统，其使用的难点就在于其焦点难以固定。我们现在虽然有了一个新型工具——新型太阳炉，但由于上述太阳能量的空间低密度性和时间的间歇性，真正使用太阳光进行高精度的冶炼或工业化的作业，仍然存在巨大困难。在多年来使用太阳炉冶炼硅的研究工作中，我们发现只有巧妙地将许多不同的原理和窍门应用在此工作中，才能将这样一个被视为童话的概念变为现实。

 

在这个发明中，我们使用了可以聚光1万倍的新型太阳炉对原料进行提纯。图2所示的是这样一种太阳炉的聚光效果，它将投射在8m×8m镜面上的光线聚焦成一个鸡蛋大小的光斑。

 

经过洗清的约为0.99的工业硅同氧化剂、添加剂混合在一起，然后在一定的压力下压制成棒。经过许多试验，我们发现，直接在大气中进行冶炼是一个比较经济而方便的方法。在这个方法中，其操作过程及原理大致报告如下：

 

1.调节氧化剂与添加剂的比例，使得共熔体的相变温度适合于硅料的冶炼。在相变控温的情况下，太阳光强度的变化主要转化为产量的变化。

 

2.硅料棒直接同聚焦光线接触，代替了传统意义上的坩埚。这种无坩埚操作法，实在是把我们试验初期使用坩埚所带来的烦恼一扫而光。实际上，多年来，我们试验了几乎所有可能找到的各种材质的坩埚：如石英、陶瓷、石墨、碳化硅、碳纤维、金属等等。它们或者由于不能适用于氧化剂，或者由于透光性不好，或者由于真空中的离析，或者由于表面接触的污染而被淘汰；无坩埚的技术是本发明的一大关键。当然，要实现此技术，也还需要其他技术，特别是高压粉末压制等技术的集成才行。

 

3. 太阳炉炼硅的无坩埚操作是一个无附加污染的十分清洁的过程。正是这样清洁的操作才使太阳炉不仅可用于一次冶炼，而且可进行多次冶炼，有望利用冶炼的“多次”制备出纯度比太阳能级高纯硅更高的超高纯硅。在太阳炉中，被聚焦1万倍的高密度的光子猛烈地轰击硅中的许多杂质，如硼、磷、钙、铝、铁等等，在光催化和高温下，这些杂质（当然也牺牲一部分硅料）迅速氧化，并溶入由氧化物和添加剂组成的萃取介质。这个过程有点类似炼钢的过程。然而，在这个杂质浓度为百万分之几的熔体内，许多化学过程都是双向可逆地进行的。这就像水在高温下可分解为氢气和氧气。困难的是如何在高温下将分解出来的氢气和氧气分开，不使它们再次混合并反应成水。在我们的过程中，氧化和萃取必须巧妙地结合，使得氧化后的杂质最大限度地被萃取出来，而不要再混入已相当纯净的硅料之中。为此我们进行了无数次的实验，找到了非常巧妙的方法，使萃取能够及时进行，可以把通常最难去除的硼通过一次过程从百万分之五达到千万分之五。其要点是充分利用了太阳光加热的瞬时性。太阳光加热是通过吸收光子进行的，加温过程非常快，以至于被加热的物体的各个微观部分的温度并不相同，形成了所谓的“非平衡”系统，在这个系统中，那些吸光性能好的、体形大的部分首先熔化或气化，所以，在一段时间内，形成了固、液、气态三相并存的状态。我们就是利用这个性质，将氧化和萃取分成两步进行，两步过程的间隔时间也通过氧化剂、添加剂及硅料的调节而不能太长，但又要保证萃取过程的充分进行。

 

4. 下一个过程是叙述硅料中的金属杂质，特别是那些重金属杂质，还有非金属杂质，如氧，又是如何通过太阳炉过程去除的。这是许多读者常问到的问题，也是许多业内人士质疑的问题。太阳炉去杂的过程除了以上所述的通过挥发、氧化萃取等，还由于引入了自由落体控时的方法，在一定程度上实现了定向凝固效应的去杂的过程。

 

正如我们在2009年7月发表在物理快报的文章中所述，被熔化后的液态硅料以近乎球状的形状重力降落了约4米左右，在这个1秒多的凝固的时间间隔内，硅球发生了一些奇妙的变化。这些变化是缘于硅料内的各种杂质具有不同的凝固系数。那些系数大于1的杂质，如氧，则在凝固时固定在颗粒表面上；而那些系数小于1的杂质，如绝大部分金属杂质和磷，则在凝固时往液态区域内迅速迁移，似乎它们要固定在硅球的内部。然而实际情况却不然，由于硅材料具有负的热胀系数，即如同水一样，固体的体积大于液态的体积，固体的硅实际上要比液体的硅大出9%，所以在硅球内部的材料即将凝固时，多余的9%的硅料会突然将凝固的外壳炸开一个小口，这部分比较脏的材料挤到硅球外部。这样，无论是系数大于1或小于1的杂质都大部分聚焦在硅球的外部，我们就可以运用半导体工业中常用的混合酸的酸洗方法将它们清除。当然，这样的定向凝固去杂比起传统的定向凝固去杂其效率要差很多。可是，重复这个过程，则可以实现完全太阳炉法制备高纯度的多晶硅，省去了拉制单晶以前的定向凝固过程，省去了大量的电力。

 

通过观察，我们发现，绝大部分经过自由落体的硅颗粒的表面和内部都有结晶的晶痕，并且硅球的表面和内部两边的电学类型截然不同，这说明在太阳炉自由落体的过程中，硅料又经过了一次“自清洁”。

 

 

从以上所叙述的操作和原理部分，我们可以十分清楚地看到，由于这种太阳炉冶炼过程采用了无坩埚技术。所以，从原理上讲，只要氧化剂及添加剂足够干净，多次重复太阳炉冶炼过程，可以将硅料的纯度提高到相当的纯度。所以，太阳炉冶炼高纯硅不但给我们提供了一个低成本低碳的太阳能级的多晶硅制备技术，也提供了制备更高纯度硅材料的技术。

 

我们在目前的工作中，更加关心一次太阳炉过程能够达到什么纯度。这实际上是同上节所述的诸多参数的调节以及氧化剂、添加剂的纯度等有关的。许多工作还在进行中。目前有望在2009年7月已报告的6个N的基础上，在保证太阳能炼硅有较大生产率的条件下，稳定地达到6.5个N。

 

 

本发明目前仍处在产业化的初级阶段。然而，根据目前的工作，我们可以确认，太阳炉冶炼硅的成本至少可以达到传统成本的一半或更低。这主要是因为太阳炉的制作成本有极大的价格下降空间。随着其设计及制造方法的进一步完善，在不久的将来，新型太阳炉的成本甚至可以几倍地降价，从而使所冶炼的多晶硅的成本极大地降价。

 

在2009年的研究报告中，我们曾提出，经太阳炉去硼以后的材料可以通过传统的定向凝固过程再进一步去除金属等杂质。然而，近期的研究发现，与其花费大量电力进行一次或多次定向凝固，还不如利用太阳炉的定向凝固性能，再重复一次或多次的太阳炉冶炼，这样就可以将冶炼高纯硅材料对外加电力的需要降到最低。我们相信，经过这些努力，新技术的碳排放将达到传统技术碳排放的1/10。

 

另外需要提及的是，沿着本文所提出的建立低成本、低碳太阳能光电产业的思路，我们也成功地实现了低倍聚光发电系统，加上跟踪后的一片光电池可以作为4片使用。这样的技术，结合太阳能冶炼技术，可以将太阳能光电产业的碳排放比传统工艺降低20到30倍左右，使我国光伏技术真正登上清洁能源技术的制高点。

 

 

以上技术在经过多年的发展后，已由甘肃电力投资集团投资，于2009年在甘肃武威地区建立了一个产学研相结合的工业基地——甘肃电投日新应天科技有限公司，目前已有近50台太阳炉投入生产，每台太阳炉的生产量估算为每年1吨。该公司已经生产出一定数量的高纯硅材料并拉制成太阳能级单晶棒，由这种单晶材料所制造出来的光电池已经有一部分制成各式不同的光伏发电系统，经受长期的现场试验。以下为该基地的太阳炉工作的有关照片。

 

 

以上报告并非是对所述发明的结题，对于一个大规模产业化的过程，本报告只是开题报告。我们还有许多问题等待解决：如提纯的光化学机理的研究、超高聚光的光强分布的学习、一次太阳炉过程的更高提纯效率、硅料回收率的提高、各种必要的劳动保护、自动化生产的实现、太阳炉生产的流水线化、群机的中央控制系统、太阳炉设计的改进、更大尺寸新型太阳炉的制造等等。然而，目前的情况是，经过十几年的努力，我们已经在低成本、低碳太阳能光电产业的道路上迈出了第一步，希望这一步能够引起社会公众包括政府部门的极大重视，在取得更大支持的同时，使本文所述的新的生产方法真正成长为提纯硅材料或其他贵重材料的一个革命性的工业生产法。我们相信，在迈出第一步的基础上，随着许多细节的逐渐完善，各种工艺的不断改进，在很短的时间内，新的方法将会在新能源领域中起到作用，为解决能源危机，改善人类生存条件作出贡献，成为我们中国人在人类历史发展的关键时刻对世界文明的贡献之一。

 

《科学时报》 (2010-3-9 A4 2009年中国十大科技进展专题报道)