烈日下的沙漠腹地

一粒粒黄沙泛着微光

作为地壳中含量第二丰富的元素

硅占据着地壳总质量的26.4%

几乎遍布每一粒沙子、每一块岩石

但它的价值，远不止地球的构成材料

在太阳能发电与半导体领域

硅基材料的应用占比超过90%

没有高纯度的硅

就没有如今便捷的智能设备

也没有清洁的光伏能源

可并非所有含硅的沙子都能担此重任

“从化学成分看

沙子和高纯度硅料都是氧化硅

但是沙子本身的纯度

还不能直接利用到半导体或者是光伏”

天津大学化工学院副教授黄国强解释

沙粒中的硅必须经过多轮提纯

先从氧化物中提炼出单质硅

再层层提升纯度

直到达到99.9999%以上

才能用于太阳能电池

而要满足高端芯片半导体级硅的需求

纯度需突破11个9

即99.999999999%

黄国强用一个比喻说明了这个数字的意义

相当于要从全球人口里找出一个人

比这难度还要再高10倍

“每多一个9

它的纯度就增加9倍

相当于杂质水平就减少10倍

难度也是逐级增加的”

六七十年代，中国高纯硅产业规模仅十几吨

国外已达千吨级、万吨级

黄国强回忆

“当时我们还是‘小学生’

人家已经上‘研究生’了”

2000年以后

随着硅用太阳能电池迅速发展

高纯单晶硅价格一度飙至400万元/吨

是如今价格的100倍以上

“拥硅为王”的时代

中国产业只能在技术封锁中艰难求生

21世纪初

中国高纯硅产业深陷“三高”泥潭

高污染、高能耗、高对外依存度

“两头在外”的被动局面

压得产业喘不过气——

高端的技术和高端的装备依赖进口

产品多晶硅又依赖于出口

破局的钥匙

藏在天津大学几代化工人的坚守里

20世纪60年代

面对国外重水分离技术封锁

余国琮院士提出“两塔法”：

用两座精馏塔接力蒸馏

利用水与重水1.4摄氏度的沸点差

反复汽化冷凝

最终得到99.9%纯度的重水

为“两弹一星”事业立下汗马功劳

经过科研团队创新适配

成为硅提纯的“利器”

 

通过精确控制温度梯度

让硅材料中的硼、磷等杂质

在塔板间反复“筛选”

最终被去除到千亿分之一级别

一举将中国多晶硅纯度拉至国际先进水平

更具革命性的突破接踵而至

针对精馏塔串联导致的高能耗问题

科研团队发明多塔差压耦合技术

将四座精馏塔设为从低压到高压的梯度压力

仅需加热最高压塔

其产生的能量即可“带动”前序三座塔运转

最终能耗降低75%

 

面对副产物污染难题

反歧化反应技术实现“变废为宝”

让二氯二氢硅与四氯化硅通过催化反应

“归中”转化为核心原料三氯氢硅

原料利用率从75%跃升至99.8%

硅烷法的突破

更让中国在全球多晶硅格局中掌握主动权

此前，硅烷因遇空气自燃爆炸的风险

让众多研究机构望而却步

而一体化反应精馏制备硅烷技术的诞生

将国际多步固定床工艺简化为一步反应

不仅攻克安全难题

更实现“四降”

成本降低90%、能耗降低90%

投资降低90%、占地降低90%

 

近三年，60万吨/年的硅烷产能落地

占全球产能的90%以上

彻底打破国外垄断

如今，中国高纯硅产业

已实现从“跟跑”到“领跑”的历史性跨越

“实现弯道超车的因素

在于我们国家的科研团队”

黄国强的话

道出产业逆袭的核心——

关键技术买不来

唯有靠自己的科研团队攻坚克难

才能让沙漠黄沙蜕变为芯片晶圆

 

天津大学化工学院的实验室里

灯光依旧明亮

中国科技正以“逢山开路、遇水架桥”的韧劲

在更多智造领域

跑出加速度

 

　　《智造未来》系列科普视频每集聚焦一项近年来我国进行科研攻关的关键核心技术，通过专家访谈、实地拍摄、动画演绎等多种形式，结合多样化的表现手法，以技术的演进路线为主轴，通俗阐释其对产业变革、经济发展、社会进步的深远影响，呈现一堂永不落幕的“科学公开课”，吸引更多年轻人奔赴科技的“星辰大海”。

 

出品｜中国科学技术馆

摄制｜光明网

特别鸣谢｜天津大学党委宣传部

天津大学化工学院