工业硅系列专题二 ：需求之多晶硅篇

期货研究报告|商品研究 工业硅系列专题二：需求之多晶硅篇 •研究员-徐世伟 •联系电话：021-61659372 •联系人-马芸 •联系电话：18565665428 •xueshiwei@cmschina.com.cn•执业资格号：Z0001836 •mayun@cmschina.com.cn 2022年10月31日 01多晶硅产业链概况 工业硅消费占比 铝合金有机硅多晶硅耐火材料和其他出口海外 17% 29% 29% 3% 22% 多晶硅 资料来源：招商期货、公开资料 •工业硅用途广泛，具有十分广阔的应用前景。目前主要用于生产有机硅、多晶硅、铝合金等下游产品。其中多晶硅占工业硅消费的22%，对工业硅需求具有较大影响，多晶硅主要用于生产制备光伏设备以及半导体材料，在“碳中和”的背景下，其需求将持续增加，本篇专题将重点介绍多晶硅生产及产业情况。 单晶体 多晶体 多晶硅棒 资料来源：招商期货、公开资料 •多晶硅是单质硅的一种形式，是呈灰色或黑色且有金属光泽的等轴八面体。当熔融的元素硅在过冷条件下固化时，硅原子以金刚石晶格形式排列成多个晶核。如果晶核生长成具有不同晶体取向的晶粒，晶粒结合并结晶成多晶硅。与之对应如果晶核长成晶体取向相同的晶粒，这些晶粒平行结合起来，便结晶成了另一种晶体硅，我们称之为单晶硅，单晶硅可由颗粒多晶硅使用直拉法得到。两者的区别主要体现在物理性质上，例如机械性能、光学性能和导电性等，多晶硅的导电性远不如单晶硅，甚至于几乎没有导电性，但多晶硅具有较好的半导体性质，是优良的半导体材料；但在化学性质上，两者几乎没有差别，性质较为稳定。 •根据用途可将多晶硅分为太阳能级多晶硅和电子级多晶硅。太阳能级多晶硅主要用于光伏电池，纯度在6N～9N之间（99.9999%～ 99.9999999%），电子级多晶硅主要用于生产半导体，纯度要求非常高，在9N～12N之间。 太阳能级多晶硅技术指标 项目 特级品 1级品 2级品 3级品 施主杂质浓度/10⁻⁹（ppba） ≤0.68 ≤1.40 ≤2.61 ≤6.16 受主杂质浓度/10⁻⁹（ppba） ≤0.26 ≤0.54 ≤0.88 ≤2.66 氧浓度/（atoms/cm³） ≤0.2*10^17 ≤0.5*10^17 ≤1.0*10^17 ≤1.0*10^17 碳浓度/（atoms/cm³） ≤0.20*10^16 ≤2.5*10^16 ≤3.0*10^16 ≤4.0*10^18 少数载流子寿命/µs ≥300 ≥200 ≥100 ≥50 ≤15 ≤50 ≤100 ≤100 ≤30 ≤100 ≤100 ≤100 基本金属杂质含量/（ng/g) Fe、Cr、Ni、Cu、Zn 表面金属杂质含量/（ng/g) Fe、Cr、Ni、Cu、Zn 电子级多晶硅技术指标 项目 1级品 2级品 3级品 施主杂质浓度/10⁻⁹（ppba） ≤0.15 ≤0.25 ≤0.30 受主杂质浓度/10⁻⁹（ppba） ≤0.05 ≤0.08 ≤0.10 氧浓度/（atoms/cm³） ≤1*10^16 — — 碳浓度/（atoms/cm³） ≤4*10^15 ≤1*10^16 ≤1.5*10^16 少数载流子寿命/µs ≥1000 ≥1000 ≥100 基本金属杂质含量/（ng/g)Fe、Cr、Ni、Cu、Zn ≤1 ≤1.5 ≤2.0 表面金属杂质含量/（ng/g)Fe、Cr、Ni、Cu、Zn ≤5.5 ≤10.5 ≤15 数据来源：国家标准化管理委员会、招商期货 PERC电池结构图N型电池结构图 数据来源：公开资料、招商期货 •根据根据硅料掺入杂质及导电类型的不同，可分为P型、N型。当硅中掺杂以受主杂质元素，如硼、铝、镓等为主时，以空穴导电为主，为P型。当硅中掺杂以施主杂质元素，如磷、砷、锑等为主时，以电子导电为主，为N型。 •上述提到的空穴导电和电子导电是两种不同的导电方式，其中空穴导电是指硅中掺入了3价的铟或镓原子，导致3价原子与4价的硅原子形成3个共价键，但硅原子（4价）要形成4个共价键才能达到稳定，因此剩下的一个原子会在周围环境中夺取电子（负电荷），从而形成正电荷净余，而空穴处由于有净余的正电荷，因此会吸引周围其他的电子过来，这样电子在半导体中运动就容易多了。事实上空穴导电看似是净余正电荷吸引其他电子而将正电荷转移，其实事实上仍是电子导电，移动的空穴只是正电荷等效，由于3价原子掺杂不如5价原子带来的电子多，因此空穴导电比电子导电要困难一些。而电子导电的顾名思义是指由于自由电子的定向移动而引起的导电现象。 •不同导电类型决定了多晶硅的不同特性，P型硅和N型硅都可以用于太阳能电池。由于P型硅太阳能电池生产技术成熟、成本低等优点，是目前的主流太阳能电池类型，2021年PERC电池（P型电池的一种）在全球市场中的占比已经超过91%，但由于在制造中,扩散制结工艺要在温度约1000℃进行,且转换效率极限只有24.5%，目前已经达到了该转化效率。相比之下N型硅太阳能电池生产工艺可在200℃以下进行,便于大规模生产,符合高产量、高效率的要求，其转化效 率普遍高于P型太阳能电池，HJT电池（N型电池的一种）未来叠加IBC和钙钛矿转换效率或可提升至30%以上，TOPCon电池是目前各企业主要布局的N型电池之一预计2030年其效率可以达到25.6%，未来五年，将会迎来N型太阳能电池对P型太阳能电池的迭代。 数据来源：公开资料、招商期货 •多晶硅产业链清晰，上游是制备多晶硅的主要原材料工业硅，下游以制造光伏、半导体为主。多晶硅的生产工艺较为复杂，目前国内大多数企业主要使用改良西门子法，少部分企业使用硅烷流化床法，两种制备方法都先将氯化氢与工业硅合成为三氯化氢硅，改良西门子法中通过还原三氯化氢硅得到多晶硅，而硅烷流化床法则利用三氯化氢硅合成硅烷最后得到颗粒硅。多晶硅一般有三种用途，一部分被直接制作成太阳能级多晶硅电池后，生产光伏组件，另一部分被制作成更高纯度的电子级多晶硅，根据2021年数据这部分占比约4%远远小于太阳能多晶硅，剩余部分则通过直拉法成为单晶硅棒，单晶硅棒既可以作为光伏材料，同时也可以作为优良的半导体材料用于生产芯片等高精密电子仪器。 资料来源：公开资料、招商期货 02多晶硅的生产工艺 数据来源：公开资料、招商期货 •太阳能级多晶硅的生产工艺目前主要以改良西门子法为主，少部分国内企业采用硅烷流化床法，除此之外还有冶金法。改良的西门子法工艺相比其他方法工艺成熟，产品质量高，因此该工艺称为目前主流的生产工艺。1955年西口子公司成功开发了利用氢气还原三氯硅烷在硅芯发热体上沉积硅的工艺技术，这就是通常所说的西门子法，在西门子法工艺的基础上，通过增加还原尾气干法回收系统、四氯化硅氢化工艺，实现了闭路循环，这就是改良西门子法——闭环式三氯硅烷还原法。改良西门子法的生产流程，首先将氯气和氢气合成氯化氢，或者工厂直接外购氯化氢，利用氯化氢与工业硅粉生成三氯硅烷，然后经分离精馏提纯后的三氯硅烷，进入氢还原炉进行还原，最终通过化学气相沉积反应，得到高纯的多晶硅。 资料来源：《基于介尺度结构的硅烷流化床制备多晶硅的多尺度流动和反应模拟》、招商期货 硅烷流化床法工艺流程 •改良西门子法主要生产硅块，而硅烷流化床法的产品是颗粒硅，颗粒硅的主要用途是利用直拉法生成单晶硅，产量占比较少。目前使用该方法生产颗粒硅的企业主要是协鑫科技，其2022年半年报披露，颗粒硅的电耗是14.8kWh/kg，蒸汽消耗15.3kg/kg，相比棒状硅有较大成本优势。工艺方面，该方法所使用的流化床反应器，最早于上世纪五十年代在国外提出，随后在此基础上不断得到改进，形成了目前的工艺，作为晶种的高纯度硅粉颗粒从反应器上部加入后，堆积形成晶种颗粒床层，将床层加热到反应要求的温度后，从反应器底部通入硅烷和氢气的混合气使床层达到流化状态，预热的混合气通过加热床层时，由于硅烷受热分解在床层颗粒表面发生气相沉积（是一种目前较为流行的新型提纯、制备晶体的化学方法），硅颗粒不断长大，达到产品要求尺寸后从反应器底部取出。一般颗粒产品的取出和晶种颗粒的投放同步进行操作以实现生产的连续。 工艺方法国内使用占比优势缺点 沉积温度低 改良西门子法96%工艺成熟、经验丰富、产品质量高、 工艺流程复杂，投资周期长、能耗 高、成本高、生产效率相对低 硅烷流化床法4% 反应温度低约600度至800度、转化效率高、成本低、产品纯度高 硅烷制造成本高、安全性差、易燃易爆 解决 冶金法_成本低、电耗低、无污染产品质量不稳定、关键技术难题为 数据来源：CNKI、招商期货 •改良西门子法是目前国内外最为主流的生产工艺，在国内占比达到96%，其优点明显，技术成熟，产品质量高，但相比其他工艺，工艺更复杂，投资成本较高；硅烷流化床法相比改良西门子法，反应温度更低，只需达到600-800摄氏度，而改良西门子法往往需要达到1100摄氏度以上，同时该方法成本相对较低且产品纯度高，其产品是颗粒硅主要用于制作直拉单晶硅。上述两种方法都是化学方法，而冶金法则是物理方法，通过两次熔单向凝固以及其他物理方法处理得到多晶硅，该方法成本低、无污染，但存在严重的产品纯度问题，在附加提纯工艺后，成本依旧较高，虽然远期来看该方法前景较好，但因一些关键技术的原因，到大范围应用，还有较长的时间。 03多晶硅供应概况 120 100 80 60 40 20 0 多晶硅产能 中国海外中国占比 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 多晶硅产量 中国海外中国占比 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 数据来源：有色金属工业协会硅协分会、招商期货 •多晶硅2021年全球产能约为67.1万吨，其中国内约51.9万吨，占比从2010年的30%增加至2021年的77%，预计2022年，国内产能将达到114万吨，占比提升至88%；产量方面国内2021年生产多晶硅49万吨，占全球产量的78%。供给呈现“一超多强”格局，国内产能在全球占主导地位，这主要原因是国内的工业硅、电力价格更便宜，相较于海外人力成本也有明显优势，同时国内下游需求旺盛，无论光伏还是半导体都有相应政策支持，市场空间广阔。目前国内企业主要都是生产太阳能级多晶硅，但纯度要求更高的电子级多晶硅的生产仍然以美国、日本、德国等国家的少数几家多晶硅企业为主，美国的Helmlock年产量达到11000吨，德国2021年产量为10500吨，日本Tokuyama、三菱、住有合计生产约12300吨。当前国内一些企业在相关政策补贴以及产业基金投资的支持下， 已经开始进行试验，国产电子级多晶硅也将逐步成为现实。 多晶硅月度产量（万吨） 2020年2021年2022年 2021年多晶硅分省产量分布 新疆内蒙古四川江苏青海河南陕西 2% 4% 3% 9% 13% 55% 14% 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 0 数据来源：有色金属工业协会硅协分会、百川盈孚、招商期货 •2021年国内多晶硅产量分布集中度较高，其中产区主要在新疆、内蒙古、四川等地。其中新疆产量占全国总产量超过50%，具有明显的成本优势，由于煤炭资源丰富，电力价格较低且相对其他省份供给更为稳定，其次新疆也是多晶硅的主要原材料工业硅的主要产地，2021年新疆工业硅产量占全国总产量的44%，因此不仅购买成本低，运输费用也相对低廉，于是新疆生产多晶硅具有得天独厚的区位优势。 •四川青海等地主要以水力发电为主，其低廉的电力成本同样吸引了许多企业投资产线，同时由于目前国家大力发展可再生能源电力，具有相关政策支持，水电-多晶硅具有广阔的发展前景，云南、四川等地的产量预计未来几年将持续上升。 2010年 2021年 企业名称 产