2023年中国光伏颗粒硅行业概览：颗粒硅优势突显，未来前景广阔
头豹市场研读| 2023/03 观点摘要 在双碳目标带动下，中国政府出台了一系列改革政策促进以光伏为代表的新能源发展，中国光伏行业全面进入快速发展阶段。光伏产业链四大主制造之一的硅料环节迎来重大变革，2022年作为颗粒硅规模化商用元年，新增颗粒硅产能超过10万吨，居全行业之首。老牌多晶硅厂商协鑫科技首次宣布将于2023年底停产棒状硅，全面押注颗粒硅，大规模扩产在即。 本文主要关注于多晶硅生产技术以及颗粒硅市场需求。 多晶硅主要生产技术 当下最主要的两种多晶硅生产技术主要包括改良西门子法和硅烷流化床法。西门子法主要利用三氯氢硅与高纯氢气在钟罩式还原炉内发生化学气相沉积反应还原生成棒状硅，该技术围绕尾气回收和物料循环历经三代改进，已成为行业主流的多晶硅制备工艺。硅烷流化床法颗粒硅则是利用高纯度硅烷热分解，在流态化床内进行化学气相沉积制成的颗粒状多晶硅；整个生产流程通过持续加料，自动排出成品，可以满足持续不断地连续生产。 颗粒硅市场需求 随着颗粒硅技术和工艺的不断完善，颗粒硅市场需求将会继续保持快速发展。根据头豹研究院预测，2022-2027年，中国光伏颗粒硅市场需求年均复合增速约为24.6%。 多晶硅制备工艺：改良西门子法（1/2） 西门子法主要利用三氯氢硅与高纯氢气在钟罩式还原炉内发生化学气相沉积反应还原生成棒状硅，该技术围绕尾气回收和物料循环历经三代改进，已成为行业主流的多晶硅制备工艺 改良西门子法生产工艺流程 西门子法围绕尾气回收和物料循环不断改进，成为主流的多晶硅制备工艺。 根据CPIA数据，2022年改良西门子法市场份额为92.5%，是当下最主流的多晶硅制备工艺。虽然改良西门子法有多条细分技术路线，但是在光伏领域主要以纯度和成本更具优势的三氯氢硅西门子法为主。该工艺使用氯气和氢气合成氯化氢后与工业硅粉在一定的温度下生成三氯氢硅，然后对三氯氢硅进行分离精馏提纯，提纯后的三氯氢硅在还原炉内进行化学气相沉积反应生产高纯多晶硅。在西门子法基础上，改良西门子法增加了尾气回收和四氯化硅氢化工艺，使还原尾气能够分离成氯硅烷液体、氢气和氯化氢气体循环使用，实现了生产过程的闭路循环和原料的循环利用，提高了物料使用率以及自动化程度，降低了生产成本，避免了环境污染。 钟罩式反应器（还原炉） 改良西门子法的核心是三氯氢硅与高纯氢气在钟罩式还原炉内发生化学气相沉积反应还原生成棒状硅。将硅芯加热到一定温度，然后将通过精馏工序后的高纯三氯氢硅（TCS）和尾气回收装置送来的高纯氢气在还原炉反应，产生的高纯硅沉积在通电硅芯上。当硅芯生长至一定尺寸时，停炉将棒状硅取出。在这过程中，四氯化硅（TET）等副产物或未发生反应的原料从底部排出，经回收、分离、提纯后再次循环使用。 单晶硅棒 冷却媒质 电极 出气口 进气口 多晶硅制备工艺：硅烷流化床法（2/2） 硅烷流化床法颗粒硅是利用高纯度硅烷热分解，在流态化床内进行化学气相沉积制成的颗粒状多晶硅；整个生产流程通过持续加料，自动排出成品，可以满足持续不断地连续生产 硅烷流化床法生产工艺流程 𝑺𝒊𝑪𝒍 𝑺𝒊𝑯 𝟒 𝟒 700℃,转化率90% 颗粒硅（FBR法） 后处理及包装 硅粉 𝑺𝒊𝑪𝒍氢化 𝑺𝒊𝑯制备 𝟒 𝟒 氯硅烷混合液 𝑯 𝟐 硅烷流化床法关键反应示意图 𝑺𝒊+HCl 三氯氢硅合成 多晶硅种子 排气门 石英管 SiHCl 𝟐 𝟐 三氯氢硅歧化反应 反应区域加热区域 粒装多晶硅 SiH 硅烷合成 𝟒 电阻加热器 硅烷硫化床法的核心工艺是利用高纯度硅烷在反应器中热分解为颗粒硅。 硅烷流化床法的主要原理是将硅烷作为原料，以氢气作为载体，从流化床炉的底部注入反应器。从反应器顶部加入平均直径约为0.2～0.6mm高纯度籽晶，堆积形成晶种颗粒床层。从底部注入的气体流速不断增加，叠加外部加热器的影响，颗粒床层由固定床转变为流化床。硅烷和氢气在加热区发生反应，沉积在籽晶表面。 随着悬浮的籽晶颗粒不断地外延生长，达到足够重量的颗粒硅由于重力作用沉降到反应器的底部排出。反应的副产物则从反应器的底部管路排出。对比改良西门子法使用的还原炉，流化床反应器可以满足持续地上下加料，生产的硅颗粒也会自动从底部排出，从而达到不间断的连续生产。 中国光伏颗粒硅行业市场规模 未来五年，中国颗粒硅市场需求将会继续保持高质量发展，预计2027年市场需求将会达到27.4万吨，较2022年增长约201% 中国光伏颗粒硅市场需求测算，2020-2027年预测 中国光伏颗粒硅市场需求测算逻辑 颗粒硅总需求量 随着颗粒硅技术和工艺的不断完善，颗粒硅市场需求将会继续保持快速发展。2019年，协鑫科技终于实现颗粒硅产线长期稳定运行，并拉开了中国颗粒硅产能快速扩产序幕。2020年颗粒硅市场需求为3.2万吨，短短2年时间便上升至9.1万吨，年均复合增速约为68.5%。相较于传统改良西门子法，硅烷流化床法凭借更低的能耗、更高的自动化程度较高、更小的生产成本以及资本开支较小，逐步赢得了下游客户的青睐，颗粒硅的掺杂比例也进入了快速上升渠道。未来“颗粒硅+CCZ技术+N型电池技术”的组合将带动光伏产业链新一轮的降本增效，叠加低碳属性，颗粒硅市场规模将会继续保持快速发展。根据头豹研究院预测，2022-2027年，中国光伏颗粒硅市场需求年均复合增速约为24.6%。
