材料领域“多面手”

硅是地球上仅次于氧的第二多元素，旧称矽。1823年，瑞典人贝齐里乌斯，用氟化硅或氟硅酸钾与钾共热，得到粉状单质硅。贝齐里乌斯将制得的硅在氧气中燃烧，生成二氧化硅——硅土，由此硅才被确定为一种元素，并被命名为silicium，元素符号是Si。硅的化学性质比较活泼，高温下能与氧等多种元素化合，在自然界中主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在，其质量约占地表岩石的四分之一。建筑用的砖、瓦、砂石、水泥、玻璃，日常生活中使用的瓷碗、水杯，洗脸间的洁具，看上去虽截然不同，但其主要成分都是硅的化合物。

　　工业上，通常是在电炉中由碳还原二氧化硅制得单质硅。电子工业中使用的高纯硅则是用氢气还原三氯氢硅或四氯化硅制得。硅有无定型与结晶两种同素异型体，其中，结晶型的硅呈暗黑蓝色，很脆，是典型的半导体，化学性质非常稳定：在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。

　　

　　用途广泛的硅材料

　　

　　硅的用途十分广泛，冶金、电子、军工、建材、工程机械、医药、橡胶、化妆品、服装等众多行业都会用到它。其中，“硅片”已成为信息产业的核心材料。硅还是制作金属陶瓷、太空飞船的重要材料。将陶瓷和金属混合烧结制成的金属陶瓷复合材料，耐高温，富韧性，可切割，既继承了金属和陶瓷各自的优点，又弥补了两者的先天缺陷。人类第一架航天飞机哥伦比亚号能抵挡住高速穿越稠密大气时因磨擦所产生的高温，全靠它那31000块硅瓦拼砌成的外壳。在光导纤维通信中，要用纯二氧化硅拉制出高透明度的光导玻璃纤维(光纤)。光纤通信容量高，一根头发丝那么细的玻璃纤维，可以同时传输256路电话，它还不受电、磁干扰，不怕窃听，具有良好的保密性能。光纤通信已使人类生活发生了革命性巨变。硅还可以制成性能优异的有机硅化合物，习惯上称之为有机硅。像有机硅塑料是极好的防水材料。在地下铁道四壁喷涂有机硅，可以‘劳永逸地解决渗水问题。在古文物、雕塑的外表，涂一层薄薄的有机硅塑料，可以防止青苔滋生，抵挡风吹雨淋。天安门广场上的人民英雄纪念碑表面，便经过有机硅塑料处理，因此可以永保洁白。

　　

　　太阳能与多晶硅的崛起

　　

　　多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，那么这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。工业上，生产多晶硅的工艺是工业硅与氯气、氢气反应后生成三氯氢硅，再在氢气中还原沉积而成。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。比如，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，多晶硅远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性能也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性，但多晶硅可作拉制单晶硅的原料，而单晶硅是一种重要的半导体材料，可用于制造大功率晶体管、整流器、液晶显示屏、太阳能电池等。其中，它在太阳能电池方面的应用最为人所关注，被喻为光伏产业的“基石”。

　　太阳能利用分为直接利用太阳辐射中的热能和太阳能发电技术(光伏技术)两部分，两者中最重要的还是光伏产业，光伏行业中又以晶体硅电池为主。多晶硅片在太阳能电池中占成本的70％。太阳能界有得硅者得天下的说法。

　　太阳能因取之不尽、用之不竭，且无污染，被公认为人类社会可持续发展的重要清洁能源，而储存太阳光能，并将其转化为电能的整个过程，都离不开高纯度的多晶硅原材料。然而，每千克120美元的进口价格使得太阳能电池价格昂贵，让不少人对这个高端太阳能产品“望而却步”。

　　随着集成电路制造与太阳能电池等产品对多晶硅需求的增长，我国多晶硅的自主供货一直存在着严重的缺口。由于多晶硅的生产工艺比较复杂，纯度要求高，目前国内仅有四家企业能够生产。而国内多晶硅产量仅占世界总产量的0.4％，我国每年约有93％以上的多晶硅需要进口。近年来多晶硅市场售价的暴涨，已经危及到我国多晶硅下游产业的正常运营，并成为制约我国信息产业和光伏产业发展的瓶颈。

　　需求就是动力。在能源短缺，各国都十分注重对太阳能利用的大背景下，多晶硅产业具有广阔的市场前景。制造太阳能电池须采用纯度99.9999％以上的多晶硅材料，通常以“N”表示小数点之后的“9”。N越大，纯度越高。我国科研人员经过多年攻关，已经试生产出99.999999％(6N)高纯度的多晶硅。在不久的将来，这些价廉物美的“小太阳”，有望给千家万户的屋顶带来新动力。在上海，有一个太阳能试点小区，那里已统一安装了新型太阳能热水器，用上了太阳能路灯、草坪灯和门牌照明等太阳能光电技术。

　　

　　急速升温的资源——硅矿

　　

　　硅产业最上游原材料为硅矿(硅砂)，是以二氧化硅(石英)为主(次)要成分的矿物资源，其主要类型有：脉石英、石英砂、石英砂岩、石英岩(硅石)、石英质砾石及硅藻土等。硅矿资源主要分布在宁夏石嘴山、湖北宜昌、广西大化、四川峨眉等地。我国硅矿资源十分丰富，勘探表明，仅宁夏石嘴山市的远景资源储量就达42.8亿千克，现年产硅石260万千克。广西大化瑶族自治县境内的地下硅矿储量有2亿千克以上。在这些硅矿中，二氧化硅含量达99.5％以上，最高可达到99.8％。大多数矿体类型简单，矿脉大，容易开发，价值高。

　　目前市场上二氧化硅含量高于99.98％的高纯石英砂价格为4600元／千克，二氧化硅含量高于99.99％的高纯石英砂价格为8000元／千克；二氧化硅含量高于99．998％的高纯硅微粉价格为12000元／千克，二氧化硅含量大于99.9995％的高纯硅微粉价格高达18000元／千克。

　　高纯石英砂、高纯硅微粉价格虽然较高，但其最佳原材料水晶矿价格也非常昂贵，而且原料比较少。因此，利用质量较好的硅矿开发高纯石英砂、高纯硅微粉，将成为我国多晶硅产业发展的必由之路。

　　作为高科技产业，利用硅矿开发多晶硅，产业耗能大，电力需求高，生产中电价成本占生产总成本的40％。在国家限制高耗能产业的大背景下，电价已成为我国大多数硅矿企业亟待突破的瓶颈之一。因此，偏远地区更适合投产这类项目。

　　多晶硅产业尽管耗能大，但由于其产出能耗比也较高，每千瓦时产值可达到4元人民币。如果政府制定了相应的电价优惠政策，必然将推动多晶硅产业飞速发展。

　　从硅矿到工业硅、多晶硅、单晶硅、有机硅及其应用产品，具有很长的产业链，涉及的领域极为广泛，而且利润丰厚，正在成为我国新兴产业的热门领域。

　　

　　[责任编辑]赵　菲