电气设备行业专题研究：颗粒硅：工艺决定低碳基因，市场验证拉晶品质

电气设备行业专题研究 颗粒硅： / 工艺决定低碳基因，市场验证拉晶品质 2022年09月14日 / 【投资要点】 颗粒硅：工艺决定低碳基因，CCZ技术更添应用潜质。相比于西门子法的多晶硅路线，硅烷流化床法在工艺、流程、投资和生产成本等方面具有优势，下游使用过程中会提高生产效率。产品品质提升更多是工程问题，随着量产和工程调试，有望从落后走向赶超： 工艺：硅烷放热反应本质与流化床特性决定硅烷流化床法的低能耗特性。1）分解温度低至550-700摄氏度，摩尔反应焓为负，为热力学上的弱放热反应。2）反应过程中籽晶与气接触面积大，单程转换效率高。 流程：硅烷流化床包含SiH4制备、流化床反应等流程，回收工序简单，综合能耗优势明显。改良西门子法包括五个主要环节：即SiHCl3合成、精馏提纯、还原、尾气的回收和SiCl4的氢化分离。 投资成本：据协鑫科技和CPIA的数据，颗粒硅万吨单位投资额约为6-7亿元，建设周期短至15个月。棒状硅行业领先企业单位万吨单位投资额约为7-11万元，建设周期约24个月。 生产成本：电耗、人工和折旧等大幅下降，据我们测算，综合成本较棒状硅相比低6元/kg（测算依据和过程见正文和图表），且蒸汽和硅耗仍有下降空间。 下游使用：颗粒硅使下游在长晶环节成本降低近两成。 拉晶重新装料：相比于棒状硅，颗粒硅的单筒装料量要高25%，可以节约生产工时，提升单产效率；同时颗粒硅具有更快的熔化速率，有助于进一步加快生产效率。 拉晶连续加料：颗粒硅+CCZ实现效率提升和N型硅片品质升级。1）效率提升：连续直拉单晶（CCZ）采用特殊直拉单晶炉，一边单晶拉制，一边加料熔化。颗粒硅具有良好的流动性和填充性，能够提升初始装锅阶段和复投阶段的效率，能够更好地满足复投料尺寸要求，在坩埚寿命周期内可完成8-10根晶棒拉制（RCZ仅能完成4-5根）。2）品质升级：拉晶过程液面恒定，产出的单晶硅棒电阻率更加均匀且分布更窄，满足高效N型电池需求，将更受下游电池片厂商青睐。 渗透率：低碳组件+降本需求提升，颗粒硅占比有望提高。据CPIA的数据，2021年颗粒硅目前市场渗透率为4.1%，未来渗透率有望持续提高。催化剂：低碳组件打开海外市场。单kg的颗粒硅较棒状硅减少约50kg的碳排放，以现在的国内59元/吨和欧洲80欧元/吨的碳价格计算，颗粒硅对应的碳减排价值分别为2.9元/kg和27.6元 /kg，能提高下游企业竞争力。 挖掘价值投资成长 强于大市（维持） 东方财富证券研究所 证券分析师：周旭辉 证书编号：S1160521050001 证券分析师：朱晋潇 证书编号：S1160522070001电话：021-23586740 相对指数表现 9/1311/131/133/135/137/139/13 18.99% 8.68% -1.63% -11.94% -22.25% -32.56% 电气设备沪深300 相关研究 《钙钛矿电池：“黑科技”见曙光》 2022.08.16 《高纯石英：皇冠上的明珠》 2022.07.22 《锂电2025年趋势展望：受限的锂矿，分散的正极，激进的电池》 2022.03.25 《2022年新能源汽车投资策略：景气中段，超跌布局》 2022.01.26 《8月持续高增长，渗透率创新高》 2021.09.14 行业研究 电气设备 证券研究报告 2017 品质提升：全面达到电子3级，关键指标对标N型用料需求，100%颗粒硅拉晶应用反馈良好。 金属杂质：协鑫科技已可以生产出对标国内电子级标准的产品，总金属含量可控制在1ppbw以内（量产水平基本控制在3ppbw左右）。我们认为随着技术不断成熟，预计未来颗粒硅杂质会不断下降，量产达到电子级标准。 含碳量：可稳定将碳含量控制在0.3ppma以内。 含粉率：通过新型除尘工艺，在无明显成本增加下，已经突破该问题，含粉率由8mg/g下降至1mg/g。氢跳：目前通过投料方式、热场控制、气流控制、设备大型化、脱氢等工艺调整，氢跳问题基本解决。 TCL中环与协鑫合作研发颗粒硅的下游使用技术。根据中环的反馈，在经历了长期应用与实证后，颗粒硅已能满足公司硅片生产需要。目前中环已经可实现100%使用颗粒硅生产光伏单晶。 客户认证：下游客户对颗粒硅认同程度提高，隆基股份、TCL中环、上机数控等厂商纷纷签订颗粒硅长单合同。 【配置建议】 建议关注：协鑫科技、上机数控、中来股份、天通股份、兰石重装等。 【风险提示】 风险提示。需求端不及预期；新技术和产品的替代；行业竞争格局发生变化。 2017 正文目录 1.颗粒硅：工艺决定低耗基因，CCZ更添应用潜质6 1.1.西门子法VS流化床法——主流的多晶硅生产工艺6 1.2.工艺对比：弱放热反应，分解温度和电耗低，连续转化效率高7 1.3.投资成本：Capex显著低于棒状硅，建设周期短10 1.4.拉晶重新装料：单筒装料量高出25%，熔化速率高12 1.5.拉晶连续加料：颗粒硅+CCz实现效率提升和N型硅片品质升级13 1.6.长晶成本：颗粒硅免破碎，长晶环节成本降低19%。13 2.渗透率：低碳组件+降本需求提升，颗粒硅加速应用14 2.1.降本需求：价格不断超预期，景气周期或延续14 2.2.政策挑战：各国相继出台碳排放政策，欧盟2027年碳关税实施17 2.3.低碳机遇：碳减排价值达2.9-27.6元/kg，低碳组件打开海外市场18 2.4.难点攻克——壁面沉积、流态化、产品纯度、氢跳19 2.6.品质提升：全面达到电子3级，关键指标对标N型用料需求21 2.7.专利分布：国内专利主要在中能硅业和天宏23 3.建议关注：协鑫科技、上机数控、中来股份25 3.1.协鑫科技：十年磨一剑，硅料龙头王者归来25 3.2.上机数控：切割设备+硅片+硅料多产业布局的一体化龙头28 3.3.天瑞硅材料：国内唯二量产企业，颗粒硅产能规划领先29 3.4.天通股份：CCz设备市场领军企业，协鑫颗粒硅合作伙伴30 3.5.中来股份：破茧再启航，布局上游多晶硅和工业硅31 3.6.兰石重装：石化装备制造先行者，新能源转型焕发新生32 4.风险提示33 图表目录 图表1：多晶硅工艺路线6 图表2：颗粒硅产品示意图7 图表3：块状硅产品示意图7 图表4：颗粒硅硅烷流化床法和改良西门子法工艺对比8 图表5：硅烷分解反应摩尔反应焓变8 图表6：三氯氢分解反应摩尔反应焓变8 图表7：硅烷流化床法生产多晶硅8 图表8：硅烷流化床法流程图9 图表9：硅烷流化床法制备颗粒硅反应方程式9 图表10：改良西门子工艺流程图9 图表11：改良西门子法主副反应方程式9 图表12：第三代改良西门子流程简图10 图表13：REC流化床结构示意图10 图表14：流化床颗粒硅反应器示意图10 图表15：颗粒硅万吨投资费用和万吨占地下降明显11 图表16：颗粒硅的建设流程更短（月）11 图表17：颗粒硅和棒状硅生产成本对比（元/kg）12 图表18：颗粒硅的单筒装料量比棒状硅高25%12 图表19：2021年协鑫科技熔化速率对比（kg/h）12 2017 图表20：颗粒硅在装料填充方面较棒状硅有明显优势12 图表21：单晶拉棒技术分类13 图表22：颗粒硅协同CCZ连续加料需求13 图表23：颗粒硅技术在CCZ的应用13 图表24：CCZ电阻率更均匀分布13 图表25：颗粒硅使下游在长晶环节成本降低近两成14 图表26：2005-22年多晶硅价格走势14 图表27：颗粒硅需求量2025年或达36万吨15 图表28：光伏产业链中硅料扩产周期长，产能弹性低16 图表29：多晶硅产业CR5变化趋势16 图表30：全球颗粒硅产能规划（万吨）17 图表31：全球已有数十个国家确立碳中和目标17 图表32：欧盟碳关税法案关键内容17 图表33：CBAM机制进展及对中国影响18 图表34：棒状硅和颗粒硅碳足迹数值（kgCO2/kgSi）18 图表35：光伏产业链各环节碳排放量比较（万吨/GW）18 图表36：低碳组件降碳明显19 图表37：壁面沉积原理19 图表38：硅烷流化床内反应模型19 图表39：Geldart粒子分类20 图表40：流态化流型示意图20 图表41：协鑫科技颗粒硅纯度达到电子级20 图表42：天宏瑞科颗粒硅纯度达到太阳能级20 图表43：颗粒硅出厂前进行工艺处理21 图表44：控制颗粒硅熔化速率（kg/h）21 图表45：颗粒硅炉体设备尺寸的提升21 图表46：颗粒硅关键指标达到N型用料需求22 图表47：晶棒平均头部少子寿命与棒状硅各棒次持平22 图表48：续三月引放成活率对比22 图表49：连续三月合格圆棒单产率对比22 图表50：100%比例颗粒硅电池效率22 图表51：协鑫科技大单采购合同23 图表52：流化床工艺专利申请23 图表53：颗粒硅生产工艺专利拥有情况24 图表54：协鑫科技致力于成为全球领先的硅料企业25 图表55：2021年硅料企业市占比（不含新疆部分产能）25 图表56：协鑫科技2018-2022H1营收变动（亿元）25 图表57：协鑫科技硅料销量及单价（吨，元/kg）25 图表58：协鑫科技2021年营收结构26 图表59：协鑫科技颗粒硅扩产计划26 图表60：协鑫科技长期布局行业新技术26 图表61：协鑫科技生产基地布局27 图表62：协鑫科技注重新技术的储备27 图表63：颗粒硅CQC产品碳足迹证书28 图表64：GQL颗粒硅产品法国碳足迹证书28 图表65：以颗粒硅为原材料制作的低碳光伏组件28 图表66：上机数控公司产品图28 图表67：上机数控营收及利润变化（亿元）29 图表68：公司已签订数百亿硅片订单29 图表69：天瑞硅材料多晶硅示意图30 图表70：天瑞硅材料粒状多晶硅规格书30 图表71：传统RCZ和CCZ工艺流程对比30 图表72：2020年全球光伏背板格局31 2017 图表73：中来股份专注于Topcon电池研发31 图表74：中来股份在Topcon技术领域存在领先优势31 图表75：鑫元颗粒硅项目球罐工程32 图表76：内蒙古大全多晶硅项目N08120材质冷氢化流化床反应器32 图表77：亚洲硅业多晶硅项目还原炉32 图表78：行业重点关注公司（截至2022年9月12日）33 1.颗粒硅：工艺决定低耗基因，CCZ更添应用潜质 1.1.西门子法VS流化床法——主流的多晶硅生产工艺 图表1：多晶硅工艺路线 西门子法和硅烷流化床法是多晶硅主流工艺。根据沉积工艺的不同，化学法多晶硅可以分为西门子法和流化床法。根据发生进入核心CVD或流化床反应器的反应原料不同，又分为三氯氢硅法、硅烷法、四氯化硅法、二氯二氢硅法等。根据不同生产原料和沉积技术，可组合为三氯氢硅西门子法、硅烷西门子法、三氯氢硅流化床法、硅烷流化床法等。 2017 西门子法，流化床法 根据反应原料的不同 多晶硅 生产工艺 高纯试剂还原高纯二氧化硅 镁还原四氟化硅法 其他工艺 钠还原四氟化硅法 冶金法 （不足5%） 三氯氢硅西门子法，硅烷西门 子法，三氯氢硅硫化床法，硅烷流化床法 三氯氢硅法，硅烷法，四氯化硅法，二氯二氢硅法 化学法 （95%以上） 资料来源：《当代多晶硅产业发展概论》，东方财富证券研究所 2017 硅料是光伏产业的基础原材料，是光伏的上游环节。目前硅料可以分为两种类型：块状硅和颗粒硅。 颗粒硅：是光伏硅料环节的新一代技术，生产工艺为硅烷流化床法。颗粒硅形似球状，直径在2mm左右，大小近似绿豆，纯度可达6N。 棒状硅：是目前光伏硅料供应的主流，生产工艺多为西门子法。工艺相对成熟，致密料为块状形态，纯度可达6-11N。通过化学气相沉积的方法，生产棒状硅和块状硅。 图表2：颗粒硅产品示意图图表3：块状硅产品示意图 资料来源：陕西天宏官网，东方财富证券研究所资料来源：新特能源官网，东方财富证券研究所 颗粒硅历史：REC、MEMC开发数年，协鑫、天宏实现工业放大国外企