作者：周贵升
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01多晶硅介绍多晶硅，又称硅料，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，这些晶面取向不同的晶粒结合起来，就形成了多晶硅。硅纯度在6N-11N之间。多晶硅呈现灰色金属光泽，密度2.32-2.34g/cm³，熔点1410℃，沸点2355℃。可溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和盐酸。常温下较为稳定，高温下与氧、氮、硫等反应。按照表面质量可分为致密料、菜花料、珊瑚料和复投料。
02多晶硅的主要应用领域按纯度和用途不同，可以将多晶硅分为太阳能级多晶硅（6N-9N）和电子级多晶硅（9N-11N），太阳能级多晶硅主要用于太阳能发电的生产制造，即光伏产业，而电子级多晶硅主要作为半导体电子原材料，即半导体产业，并以光伏行业为主，占比高达98%。以下将对两个产业做简单介绍。
图表5：太阳能级多晶硅技术指标 资料来源：中国国家标准化管理委员会（GB/T25074-2017），弘业期货金融研究院
图表6：电子级多晶硅技术指标 资料来源：中国国家标准化管理委员会（GB/T 12963-2022），弘业期货金融研究院
2.1、光伏产业链光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术，最早于1839年法国科学家所发现，到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，光伏产业由此发展。其关键元件是太阳能电池，太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏产业链上游包括硅料、硅片等原料及加工，中游主要为构建光伏电站所需的电池片、组件和部件，包括太阳能电池生产、光伏发电组件封装等环节，下游为光伏的应用领域，主要是光伏电站的搭建、系统集成与运营。
图表7：光伏产业链 资料来源：天合光能
（1）多晶硅：
多晶硅是光伏和半导体产业的上游原材料，主要是将工业硅粉通过一系列的化学手段进行提纯从而得到可以用于太阳能行业和电子行业的多晶硅料。（2）硅片：
硅片技术含量相对不高，属于资本密集型环节。目前主流的硅片尺寸有3种，包括166mm（M6）、182mm（M10）、210mm（G12）。根据晶核晶面取向不同，硅片可分为单晶硅片和多晶硅片。两者原子排列有所不同，单晶硅是有序排列，多晶硅是无序排列。单晶硅片的生产环节包括拉晶和切片。拉晶是把高纯多晶硅拉制成单晶硅棒，因为需要晶体有规律的生产，所以对温度和速度的控制要精准把控，切片环节就是把前面制成的硅棒切成厚度规格的硅片。多晶硅片的生产环节是铸造和切片，可直接用纯度较低的硅加热熔化冷却成多晶硅锭，因为节省了昂贵的单晶拉晶费用，因此成本较低，切片环节类似。两者相比较，单晶硅晶片表面缺陷少、杂质少，光电转换效率较多晶硅更高，而多晶硅在生产成本较为便宜，但多晶硅使用寿命较短，综合下来，单晶硅性能更好。（3）电池片：
硅片下游是电池片，这是光伏发电的核心部件。电池片工艺技术标准化程度高，同质化高，主要依靠设备资本开支。电池技术路线决定了光伏产品的效率，也是技术进步的核心。随着P型PERC电池逐步达到量产性能极限，以TOPCon、HJT等为代表的N型电池技术加速迭代。二者的主要区别是掺杂的元素不同，P型硅片中主要掺入硼或镓，N型硅片中主要掺入磷。PERC（Passivated Emitter and Rear Contact）中文全称钝化发射极和背面接触电池。最早起源于上个世纪八十年代，由早期的BSF电池升级而来，通过在BSF结构的基础上增加背面钝化层，降低少数载流子的复合，提升了电池效率。随着PERC电池技术的效率提升及量产工艺的逐步成熟，PERC电池市占率从2017年开始大约以每年20%左右的速度提升，2021年市占率达到91%左右。但随着其量产性能逐步达到极限转换效率23.5%，无法解决光衰效应。2023年光伏产业链进入以N型电池技术为核心的产能扩张周期，其中TOPCon技术路线依靠更高性价比和成熟的产业链配套等优势，进入规模量产元年。据InfoLink Consulting预计，2024年TOPCon市占率将达到70%，TOPCon技术已成为市场主流。需要注意的是，目前HJT、XBC技术也在成本和工艺方面取得较大进步，产能规模也逐步扩大，并在差异化竞争中获得一定的市场份额，前沿技术如钙钛矿及钙钛矿/晶硅叠层电池效率记录也不断刷新，在追求降低度电成本的宗旨上，光伏产业电池的新技术研发将持续推进。（4）组件：
光伏组件是光伏发电系统的核心。光伏组件是能提供直流电输出的光伏电池组合装置，位于光伏产业链制造环节的末端，直接面向终端应用市场。光伏组件的制造实质是封装过程，只有将电池片和其他辅助材料封装在一起，电池片才能长久高效地产生电能。一般而言，一块光伏组件由60或72片电池片组成。随着市场需求的不断变化，光伏组件正朝着多样化和定制化的方向发展，适应不同应用场景、不同气候条件、不同电力需求的光伏组件产品，以满足市场多样化的需求。（5）电站：
光伏电站的主要组成部分为光伏组件、支架、逆变器、交直流电缆、并网柜及其他辅材等。光伏电站可根据其是否与电网相连分为两类：带有蓄电池存储的独立发电系统，适用于无电网连接地区；以及不带蓄电池的并网发电系统，直接与公共电网相连并向其供电。光伏电站主要可以分为集中式光伏电站和分布式光伏电站两大类。集中式光伏电站通常指的是大型光伏发电站，它们多建在地广人稀的地区，如荒漠或者开阔的平原，特点是由数目庞大的太阳能电池板组成，通过规模经济实现成本较低。这种类型的光伏电站占地面积大，发电容量高，通常需要配备高压输电系统，将电力输送到较远的用户端。而分布式光伏电站则主要是指安装在居民楼、商业建筑、工业厂房等建筑物的屋顶或墙面上的小型光伏发电系统。这种系统的特点是发电点接近用电点，减少了输电损失，并且可以利用建筑物的现有结构，不占用额外土地资源。光伏电站作为国家鼓励的绿色能源项目，具有环保、可再生、运营成本低等优点，是实现能源结构转型和减少碳排放的重要途径之一。随着技术的不断创新和政策的支持，光伏电站正持续扩大其在全球能源供应中的份额，为应对气候变化和能源危机提供了一种可持续的解决方案。
2.2、半导体产业链电子级多晶硅材料是制造集成电路、晶体管、电子器件的关键材料，其纯度要求比太阳能级多晶硅更为严格，最低为9N，目前最高可达12N。电子级多晶硅行业壁垒较高，海外企业占据全球市场主导地位。全球主要厂商包括美国赫姆洛克半导体公司(Hemlock)、德国瓦克集团(Wacker)、日本德山株式会社（Tokuyama)、日本三菱电机株式会社（Mitsubishi)、日本住友集团（Sumitomo)、韩国奥瑟亚(OCI)和挪威REC等。我国电子级多晶硅行业起步较晚，基础薄弱，因此电子级多晶硅市场需求的对外依存度较高。目前，国内电子级多晶硅生产企业主要包括鑫华半导体、黄河上游水电开发、永祥新能源、天宏瑞科、丽豪半导体、大全能源等，随着电子级多晶硅生产技术的不断突破，部分国内企业已具备规模化生产电子级多晶硅的能力，有望加速实现国产替代。当前，半导体产业的国产替代趋势已成为行业共识，这不仅是对外部环境变化的积极应对，也是提升产业自主可控能力、保障供应链安全的必由之路。随着新能源汽车、5G通信、人工智能等新兴技术领域的快速发展，为半导体行业带来新的增长点。
03多晶硅生产工艺目前多晶硅的主要生产工艺包括改良西门子法和硅烷流化床法。其中改良西门子法为市场主流路线，其优势在于工艺成熟、操作安全、产品纯度高、设备使用年限长。硅烷流化床法作为市场新兴工艺，主要优势在于电力能耗低、转化效率高、自动化程度高，该工艺目前国内仅协鑫大规模使用。
3.1改良西门子法改良西门子法是将工业硅粉与氯化氢（HCl）在一定条件下合成三氯氢硅气体（SiHCl3，简称TCS），然后将TCS精馏提纯，最后通过还原反应和化学气相沉积（CVD）将高纯度的TCS转化为高纯度的多晶硅，还原后产生的尾气进行干法回收，实现了氢气和氯硅烷闭路循环利用。其核心化学反应式如下：SiHCl3+H2=Si+3HCl改良西门子法存在一些不足之处，TCS还原采用电加热方式，沉积温度高达1100℃，电耗较高。占据了多晶硅很大的生产成本，因此需要更加节能的还原设备。原料反应转化率低，如冷氢化过程中合成TCS，这增加了生产成本以及设备的损耗率。多晶硅生产中TCS的合成以及转化过程中添加的盐酸具有毒性及腐蚀性，对操作人员的安全防护和生产设备的材质要求更高，且TCS的合成及转化过程存在反应不连续、电耗大、成本高、转化率低等问题，因此，改良西门子工艺仍需改进。
改良西门子工艺是目前我国多晶硅生产的主流工艺，主要以生产棒状/块状多晶硅为主，龙头企业通威、大全、新特等企业均使用该工艺，而随着协鑫在硅烷流化床工艺生产研发的投入，该工艺不断完善，已成为另一种主流工艺。
图表8：改良西门子法（棒状硅） 数据来源：天合光能3.2硅烷流化床法硅烷流化床法是将细小的硅颗粒晶种铺在有气孔的流化床床层上，然后从下面通过硅烷气体和其他反应气体，在加热等反应条件下，硅烷气体分解生成硅单质，硅单质不断沉积在硅颗粒种子上，最终形成直径2-4mm的颗粒状多晶硅产品，多晶硅产品通过出料管送出流化床反应器。该反应流程可以实现连续化生产。
图表9：硅烷流化床法（颗粒硅） 数据来源：天合光能
3.3两种主流工艺对比总体而言，改良西门子法和硅烷流化床法都是当前的主要技术。由于改良西门子法在多晶硅生产领域应用时间长，占据主导地位。两种方式各有优势，改良西门子工艺是目前技术成熟、综合效益最高、配套最完备的多晶硅生产工艺。而硅烷流化床法与改良西门子法在工艺上有不少重合，主要区别在于流化床和还原气相沉积方面。
图表10：改良西门子法与硅烷流化床法对比 数据来源：前海东亚证券，弘业期货金融研究院
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发表于 2025-1-9 09:47
