纽带与支点——把握“硅能源”战略窗口+带动新一代能源体系与半导体产业协同发展

纽带与支点 把握“硅能源”战略窗口 带动新一代能源体系与半导体产业协同发展 中国电子信息产业发展研究院集成电路研究所 2023年3月31日 硅能源概念的提出 习近平总书记指出：”要把促进新能源和清洁能源发展放在更加突出的位置，积极有序发展光能源、硅能源、氢能源、可再生能源” 以硅能源为代表的清洁能源替代以碳能源为代表的传统能源的发展路线是强调硅能源概念的首要目的 四 主要路径与重点任务 三 机遇和建议 硅能源内涵与外延 二 我国产业发展现状 一 目录 一 01硅能源的内涵与外延 狭义 广义 利用硅，产生能源 仅在能源生产环节发挥作用，其中太阳能光伏是硅能源最为典型的表现形式之一 利用硅，产生、传输、消费和储存能源 在能源的生产、传输、消费等全生命周期均发挥重要作用，具有体系化的特点。具体包括产生环节的光伏电池、管理环节的IGBT、转换环节的硅光器件、传输环节的射频器件、存储环节的负极材料 硅能源的内涵与外延 硅能源 发电输电变电配电用电 晶体硅光伏 电力电子、传感、控制、通信、计算等 终端消费电气化 半导体芯片 新能源大量接入智能电网（数字化） 硅能源是连接半导体、能源产业的战略支点 低功耗芯片 硅能源应用服务 硅能源生产支撑体系 硅能源基础措施 太阳能汽车 光伏系统 直流家电 …… 能源产生器件 能源传输器件 能源转换器件 能源管理器件 能源储存器件 硅能源材料（工业硅、高纯硅、硅棒/硅片等） 能源产生层面：光伏将逐步替代火力发电 硅能源将在能源生产层面引发变革，将在发电层面逐步取代煤炭、石油、天然气等化石能源，成为未来主流能源 能源储存层面：锂电储能将爆发式发展 硅既能制造光伏设备产生能量，又能用于锂离子电池负极材料存储能量，同时也可以用于制备电源管理芯片 硅能源掀起一场巨大能源革命和产业变革 能源传输层面：直流将对交流输电带来冲击 在半导体技术推动下，直流输电技术有望重构当前以交流输电为主的格局，推动能源传输的革新 能源节约层面：半导体技术将极大节约能源 硅能源将更多赋能节能器件，并以“高能效 、低功耗”半导体和系统节能器件为代表推动关键环节实现节能 能源消费层面：直流负荷有望成为主流 “碳中和”推动能源电气化发展，电力电子的大规模应用，电动车、直流楼宇、直流家居等将会加速涌现，催生能源消费革命 催生出新业态、新模式 硅能源革命和产业变革，将带来巨大的市场需求和发展空间，催生出新业态、新模式，比如V2G、V2H、绿电交易等 一 02我国硅能源发展现状 发展硅能源对我国意义重大 习近平总书记指出，面对能源供需格局新变化、国际能源发展新趋势，保障国家能源安全，必须推动能源生产和消费革命 （一）硅能源开源节流，促进我国实现碳达峰、碳中和 硅能源是实现能源开源的重要途径 太阳能基于硅基，将自身消耗的1度电转变为45度电，其能量密度约为碳能源的3000倍 （二）硅能源助力我国能源革命，突破能源供给瓶颈 我国富煤缺油少气的能源资源结构导致自身供给挑战极大 19.7 5.6 煤炭开采年限（年） 石油开采年限（年） 天然气开采年限（年） 我国已探明化石能源储量 1622.8836.2 63000 煤炭储量（亿吨） 石油储量（亿吨） 天然气储量（亿立方米） 41我国化石能源预计开采年限 如果把塔克拉玛干沙漠的1/4面积装上光伏的话，发出的电量就是今天全中国的用电量。如果把塔克拉如玛干沙漠全装上光伏的话，这些电量足够全球使用 硅将有力支撑数字经济助力能源节流 硅能源在能源的生产方式上有力支撑了数字经济的发展，在能源的使用环节提高了效率 硅是电力电子芯片和器件的基础，对能源和电力系统形成有力支撑 硅能源在保障能源安全过程中发挥重要作用 一是作为化石能源的主要替代 二是作为未来电力系统的重要支撑 三是支撑能源在各种应用场景中的高效利用 发展硅能源对我国意义重大 （三）硅能源可提升供应链韧性，重塑我国制造业新优势 发展硅能源是有效提升供应链韧性的重要方式 一方面，发展硅能源能够有效遏制产业向东南亚外迁 另一方面，发展硅能源是重塑制造业竞争优势的重要举措 （四）硅能源促进集成电路产业发展，锤炼我国非对称发展优势 硅能源支撑我国集成电路产业发展，为集成电路产业创造新的应用市场空间 一方面，碳中和将催生巨大投资需求 另一方面，硅能源有望成为我国非对称长板优势领域 企业名称 销售额（亿美元） 直接二氧化碳排放（万吨） 用电量 （亿度） 间接二氧化碳排放（万吨） 三星 1956 1380 269 2582.3 英特尔 698.3 148.9 52 499.2 台积电 345 207.5 126 1215.6 中芯国际 31.6 172.3 17 168.2 德州仪器 135.5 203 25 244.8 意法半导 体 95.6 140.2 22.8 218.9 索尼 95.5 137.6 61 586.7 英飞凌 89.5 23 18.7 180 联电 48.1 513 25.3 243.3 总计 3775.1 2925.5 618.6 5938.8 2019年全球主要半导体制造企业能耗情况 我国在硅能源领域拥有坚实基础 （一）企业层面 我国电网和通信行业龙头企业均已在数字能源领域开始积极布局 目前各大电网企业均在筹划建设数字技术平台，为实现全域物联、人工智能等各个环节提供数字化支撑 通讯龙头企业提出并建立“零碳”能源网，开发能源云操作系统，实现数字化清洁能源的规模化开发利用、多级能源网络广泛互联 （二）产业层面 在硅能源材料、器件模块、终端及应用方面，产业基础雄厚，在产业规模和产业化发展水平上均位于全球领先地位，培养了一批领先企业 我国硅能源产业应用不断拓展，催生新模式、新业态，产业发展潜力巨大 我国在硅能源领域拥有坚实基础 （三）市场层面 硅能源产业全球市场大，国内市场可控，具备较好的发展空间 我国硅能源的成本、产能、市场占有率等多方面在全球处于优势地位 我国硅能源产业国内市场发展迅速，进口替代效应明显，前景广阔 （四）生态层面 我国硅能源产业已形成光伏、半导体、电力装备、智能电网为主体的产业发展体系，推动技术研发、人才培养、标准体系建设等产业生态持续完善，已具备产业协同发展、高端突破的能力和水平 （六）政策层面 顶层设计高度重视硅能源产业发展。密集出台相关新能源战略发展政策，从输配电网、清洁能源、新能源终端产品、光伏、储能、绿色低碳等多维度加大对硅能源产业的支持力度 各地政策对绿色能源、清洁能源、新能源、节能减排的关注热度较高 在“十四五”规划、《产业结构指导目录》等诸多政策中，都指明电力电子、半导体功率器件技术等是未来我国高科技领域发展关键技术 02一 机遇和建议 启示硅能源的地位和作用 与机遇 启示机遇 硅能源发展将显著带动半导体产业发展，光伏、新能源汽车大市场优势将大幅提升功率半导体市场份额 海外的旺盛需求将带动全球光伏装机量，为我产业打开更广阔市场空间 推进锂电储能和直流负荷支撑的消费应用终端 变革以交流输变电主导的能源传输模式 政府支持是产业发展重要推动力，对引导产业和市场走向成熟尤为重要 颠覆依靠传统碳资源能源获取方式 牵引半导体技术向以效率优势实现节能环节优势发展 发展建议 加强顶层设计 加深认识，编制规划、行动方案、成立专家咨询委 加大硅能源核心技术研发 培育创新群体、探索研发新模式、光伏、新型电力 以应用示范推动能源与信息技术深度融合 硅材料生产绿色示范工厂、绿色制造、光伏+ 培养行业领军人才和高端技术人才 卡尖、卡基、学科交叉、产教融合、人才引进、创新中心 优化金融支持方式 国家、地方投资，GP模式、产金融合 一 02主要路径与重点任务 五大主要路径 能源产生层面 持续挖掘PERC电池的性价比，加大推动n型电池技术产业化 开发退役光伏组件资源化利用的技术路线和实施路径，加快资源循环综合利用 能源消费层面 开发户用智能光伏产品及系统 构建新型生态体系，完善基础设施体系 ，优化产业发展环境 积极推进高能耗家电直流化演变 推动建筑与光伏的深度融合 能源节约层面 加快发展能耗低、污染少的制造业，促进生产型制造向服务型制造转变 突破绿色转型核心关键技术，推进节能终端、硅基节能半导体产品、系统节能器件发展 1 3 5 24 能源传输层面 加快面向柔性电网和柔性变电站的专用半导体器件研发 加大对专用硅基IGBT、碳化硅基IGBT、静止无功补偿器、串联电容器等器件研发 能源储存层面 通过纳米技术，优化硅基负极材料尺寸、结构，提高循环寿命 提升硅基负极材料电导率，增强倍率和充放电性能，实现锂离子储能电池性能全面提升 六大发展重点 一、硅能源材料 01工业硅 02高纯硅 03单晶硅及硅片 应大力发展大型工业硅电炉，提升全生产环节绿色化发展水平，持续降低产品生产能耗，提高劳动生产率，同时减少污染排放 继续探寻品质更优的石英砂矿源等 持续开发低成本高品质多晶硅提纯技术 研究推广多晶硅生产、后处理等环节的自动化与智能化 支持12英寸及以上集成电路硅片用原生多晶硅料产业化 应支持大尺寸、多次投料单晶硅棒拉制 研究大尺寸、低损耗、 超薄片切割技术 提升半导体单晶硅生长质量 发展硅环、硅垫等产品 持续挖掘PERC电池的性价比和推动n型电池技术规模化发展 研究多主栅、无损切割、高密度封装等高效组件生产技术 加快研究硅基叠层电池 能源产生器件 推动先进IGBT、新型IGCT、功率RF、MOSFET及SiC等宽禁带功率半导体材料、器件及技术研发 加强电源管理芯片开发，推动其高效低耗化、集成化、内核数字化、智能化发展 能源管理器件 硅基LED：可靠、低功耗、高发光 硅光器件：高端器件、测试设备、特殊材料攻关 新型显示器件：新技术研发和产业化 碳化硅器件：提升逆变器效率、延长电池续航时间 射频器件：硅基器件集成工艺开发 能源转换器件 芯片工艺优化：提升射频无线充电的能量发射功率、电能转化效率，以及定位精度，提高充电端的输入功率，降低发射端和充电段的发热量 能源传输器件 纳米技术：优化材料尺寸、结构 ，减轻体积效应对性能的负面影响，提高寿命 复合材料技术：提升硅基负极材料电导率，增强倍率和充放电性能，提升锂离子储能电池性能 能源存储器件 六大发展重点二、硅能源器件 六大发展重点 三、硅能源终端产品 建设以新能源为主导的新型电力系统 发展智能光伏直流系统 支持开发智能化、数字化的户用智能光伏产品及系统 推动“光伏+”在更多领域应用 光伏发电系统 以融合创新为重点，突破关键核心技术，提升产业基础能力，构建新型产业生态，完善基础设施体系，优化产业发展环境 “光伏汽车”将能源产用与整车合二为一，应大力发展V2G、V2H等新模式、新业态 新能源汽车 六大发展重点 四、硅能源基础措施 硅能源发电 大型光伏发电基地建设，提升能源供给 结合风电、水电和光伏出力特 0102 智能电网 点，充分利用清洁煤电调峰调频能力，加速推动多能互补发电基地建设 氢能、物理化学储能等技术，包括电化学技术、电力电子技术、数字技术、散热技术等，用电力电子和数字技术不断提升储能系统可靠性，降低成本 ，推动光伏+氢能、光伏+锂电技术融合发展 03 硅能源应用 以应用牵引、整机带动、生态培育，为硅能源应用推广创造更多便利条件 研究硅能源与国家重要基础措施建设融合发展：西电东送、南水北调通道、高速公路/铁路，及东数西算、5G/6G等项目建设中，同步规划硅能源。 在智慧城市建设中，加速硅能源与充电措施协同，推动光储充融合发展，不断提升硅能源发展应用水平 持续通过应用示范，推动更多V2G、V2H等应用探索