“晶光闪耀”之多晶硅期货上市预热系列报告（一）：多晶硅：晶硅光伏核心原材料

期货研究 二〇 二2024年02月26日 四年度 多晶硅：晶硅光伏核心原材料 ——“晶光闪耀”之多晶硅期货上市预热系列报告（一） 国张航投资咨询从业资格号：Z0018008zhanghang022595@gtjas.com泰刘鸿儒（联系人）期货从业资格号：F03124172liuhongru028781@gtjas.com君 安报告导读： 期 货作为工业硅最主要的下游，多晶硅期货即将挂牌上市，本篇报告为多晶硅期货上市预热报告首篇，主要 研从多晶硅概念、性质、生产工艺等角度进行展开，帮助投资者们进一步了解多晶硅基础知识。 究 所多晶硅常温下物化性质稳定，并具备半导体的基本属性。多晶硅本身导电能力较弱，因此主流的方法 是在硅晶体中混入少量的杂质（即掺杂）以改变硅特质并增强导电性。根据掺杂元素的不同可分为P型与N 型半导体，在外界光照射下于两者的接触面形成P-N结，从而产生“光生伏特”效应。 按照国标分类，多晶硅目前有三个在行国标，分别为《电子级多晶硅》（GB/T12963-2022）、《太阳能级多晶硅》（GB/T25074-2017）以及《流化床法颗粒硅》（GB/T35307-2023）。由于近些年来生产工艺发展较快，国标内多数指标要求较当下略偏宽松。 多晶硅为晶硅光伏产业链中最重要的上游原料。产业链角度来看，多晶硅下游终端包括光伏行业与半导体行业，并以光伏行业为主，占比高达98%。未来随着光伏行业景气度的进一步抬升，预计光伏终端占比仍将维持主导地位。目前，多晶硅生产工艺包括改良西门子法、硅烷流化床法与物理法。2023年底，据协会统计改良西门子法市占率约86%，而硅烷流化床法市占率则受益于新增产能扩张而提升至14%，物理法因提纯浓度有限，已逐渐被市场所淘汰。 后续对于多晶硅供给侧的介绍与梳理，我们将在上市预热系列报告（二）中进行阐述，敬请期待！ 目录 1.多晶硅定位：晶硅光伏产业链中最重要的上游原料3 1.1多晶硅概念及物化性质：常温下物化性质稳定，具备半导体属性3 1.2多晶硅分类与国家标准：目前国家有针对电子级、太阳能级多晶硅与颗粒硅三大国标5 1.3多晶硅产业链：覆盖光伏与半导体两大领域，且以光伏为主要板块8 1.4晶硅光伏技术转型路线：以“降本增效”为锚，下游倒逼上游提升产品质量8 2.多晶硅生产工艺：主流工艺为改良西门子法与硅烷流化床法9 2.1改良西门子法：目前行业内最主流的多晶硅生产工艺，产品为块状硅9 2.2硅烷流化床法：行业内第二大主流生产工艺，产品为颗粒硅10 2.3物理法：以物理冶金提纯制取多晶硅，目前已逐步被行业淘汰11 2.4主流工艺对比：改良西门子法与硅烷流化床法“各有千秋”12 3.总结：多晶硅为晶硅光伏行业最核心原材料13 （正文） 1.多晶硅定位：晶硅光伏产业链中最重要的上游原料 1.1多晶硅概念及物化性质：常温下物化性质稳定，具备半导体属性 多晶硅，又名硅料、高纯多晶硅料，是指以纯度99%左右的工业硅为原料，经过化学或物理方法提纯后，硅纯度达到99.9999%以上的高纯硅材料。物理性质方面，多晶硅具有金属光泽，呈灰黑色固体，熔点1410℃，沸点2355℃，密度2.32-2.34g/cm³，具有半导体属性。从外观形态来区分，多晶硅分为块状硅与颗粒硅。 图1：多晶硅——块状硅形态图2：多晶硅——颗粒硅形态 资料来源：公开资料整理，国泰君安期货研究资料来源：协鑫科技，国泰君安期货研究 以下对多晶硅半导体属性以及如何导电进行详细展开：按照原子排列方式的不同，硅可分为晶态和非晶态两种同素异形体。晶体硅通常呈正四面体排列，每一个硅原子位于正四面体的顶点，并与另外4个硅原子以共价键紧密结合。非晶体硅原子间的晶格1网络呈无序排列，即硅原子除与其最近邻外，基本上无规则地堆积在一起。按照原子的排列规律，晶体硅可分为单晶体与多晶体，单晶体是指通过籽晶诱导的方式，在籽晶表面上产生晶核，使熔融的单质硅沿着唯一的晶核结晶，最终生长成为晶体内原子排列规律完全一致的单晶体；多晶体是指通过直接凝固或定向凝固的方式，熔融的单质硅中原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，聚结后成为多晶体。单晶与多晶的差别在于晶粒2的晶面取向是否相同，单晶体中晶粒的晶面取向一致，而多晶体中晶粒的晶面取向不一致。 图3：硅有晶态和非晶态两种结构，其中晶体硅又可分为单晶体与多晶体 资料来源：公开资料整理，国泰君安期货研究 1晶格：指晶体内部原子排列的具体形式 2晶粒：指结晶物质在生长过程中由于受到外界空间限制，未能发育成具有规则形态的晶体，而只是结晶成颗粒状 对于硅原子而言，其最外层拥有4个价电子，同时与相邻硅原子共享了上下左右的4个电子，并形成 稳定的8电子结构，共用的价电子称为“共价键”。共价键中的电子并不像绝缘体中的电子结合得那样紧，若受到热激发如光照、温度变化等，一些价电子就会挣脱原子核束缚，成为自由电子，此为多晶硅具有半导体属性的底层原因。 图4：共价键结构使得多晶硅具有半导体属性 资料来源：公开资料整理，国泰君安期货研究 当价电子成为自由电子后，共价键中失去了一个电子，相应地就会留下一个空位，称为空穴。当价电子被激发，发生跃迁时，硅晶体内就会产生等量的自由电子和空穴。电子和空穴在传输电荷方面的作用，被称为“载流子”，通常有两种成对存在的载流子，也叫做“电子-空穴对”。在半导体两端加以电压，电子带负电就会向正极移动，形成“电子电流”，空穴带正电向负极移动形成“空穴电流”，以实现导电的效果。由于载流子数量较少，多晶硅本身导电能力较弱，因此主流的方法是在硅晶体中混入少量的杂质以改变硅特质并增强导电性，此被称为掺杂。 硅属于4价元素，最外层拥有4个电子，一般用价电子数比硅多的原子或比硅少的原子来取代其中的 一些硅原子以增加自由载流子。当掺杂元素为5价元素（如磷）时，五价元素与周围硅原子共享电子后多出一个自由电子，此时电子数大于空穴数，电子是多数载流子（多子），空穴是少数载流子（少子），以带负电的电子导电为主，因此被称为N(Negative)型半导体；同理，当掺杂元素为3价元素（如硼），此时空穴数大于电子数，空穴为多子，电子为少子，以带正电的空穴导电为主，故称为P(Positive)型半导体。 图5：N型半导体与P型半导体原子结构图 资料来源：公开资料整理，国泰君安期货研究 若将N型半导体与P型半导体连接，此时由于半导体内载流子浓度的差异，N型半导体中的多子（电子）会扩散至P区，而P型半导体中的多子（空穴）则会扩散到N区。P区失去空穴后留下带负电的杂质离子，N区失去电子后留下带正电的杂质离子，最终扩散形成了一个由N指向P的“内电场”，由于电场的存在，N区的少子（空穴）向P区漂移，P区的少子（电子）向N区漂移，从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，内电场减弱，最终达到扩散与漂移的动态平衡。此时，在结合面两侧留下了离子薄层，P区一侧带负电，N区一侧带正电，薄层内形成了电势差，即P-N结。P-N结是光伏电池的“心脏”，当光照射至P-N结时，光能激发电子跃迁，产生“电子-空穴对”，在多子扩散以及少子漂移的作用下，P区带正电，N区带负电，从而实现“光生伏特（电）”效应。 图6：在P型半导体与N型半导体的接触面，当扩散与漂移达到动态平衡后，形成P-N结 资料来源：公开资料整理，国泰君安期货研究 化学性质上看，多晶硅在常温下较为稳定，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。化学性质稳定的主要原因在于晶格结构中硅原子通过共价键相互连接从而形成了稳定的三维晶体结构。不过，在高温熔融状态下多晶硅的硅原子运动速度增加，使得晶格结构中的缺陷和不规则性增多，导致其稳定性下降，几乎能与任何材料作用，具有较大的化学活泼性。 1.2多晶硅分类与国家标准：目前国家有针对电子级、太阳能级多晶硅与颗粒硅三大国标 多晶硅按照纯度不同可分为冶金级、太阳能级和电子级。冶金级多晶硅，一般是指用冶金法提纯后的多晶硅，产品纯度在5N-6N（N代表百分数中有几个“9”，冶金级即硅含量为99.999%-99.9999%）之间，主要应用包括航空、尖端技术、军事技术部门的特种材料以及建筑、纺织、汽车、机械等领域。太阳能级多晶硅，一般是指纯度在6N-9N（硅含量为99.9999%-99.9999999%）之间的多晶硅，主要用于太阳能光伏电池的生产。电子级多晶硅是指纯度在9N（硅含量99.9999999%）以上的多晶硅产品，是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅制品的主要原料，应用于电力电子上的硅材料纯度要求更高，需要达到11N以上。 多晶硅按照型态分可分为块状硅与颗粒硅。块状硅形态类似于岩石，尺寸范围在几厘米到几十厘米不等，品质较为稳定，可长期存放。颗粒硅呈颗粒状，直径约2mm，大小与绿豆相似，能免去破碎步骤，但由于与空气接触的表面积较大，在运输加工的过程中容易受到污染，一般采用真空包装，在库存状态下，真空状态或仅可维持3-4个月。仓储运输角度，多晶硅多采用袋装包装，每袋为10kg，运输则以箱装为主，每箱约600kg或750kg。 块状硅根据表面光滑程度的不同又可分为致密料、菜花料与珊瑚料三种。致密料外表光滑，表面颗粒凹陷程度最低，小于5mm，无氧化夹层，价格在三者中最高，主要用于拉制单晶硅；菜花料颜色偏灰、表面 粗糙，颗粒凹陷程度在5-20mm之间，断面适中，价格位于中档；珊瑚料表面凹陷深度大于20mm，断面疏松，价格最低。一般而言，菜花料与珊瑚料主要用于多晶硅片的制作，部分企业也会选择将致密料与菜花料进行混合以生产单晶硅片。 图7：根据表面光滑程度的不同，多晶硅可以分为致密料、菜花料和珊瑚料 资料来源：公开资料整理，国泰君安期货研究 多晶硅目前有三个在行国标，分别为《电子级多晶硅》（GB/T12963-2022）、《太阳能级多晶硅》（GB/T25074-2017）和《流化床法颗粒硅》（GB/T35307-2023）。因分类不同，除去指标数值要求不同外，要求的类目也存在一定的差异。 其中，在涉及块状硅的国标《电子级多晶硅》（GB/T12963-2022）与《太阳能级多晶硅》（GB/T25074- 2017）中，电子级多晶硅分为特级品、电子1级、电子2级、电子3级四个等级，太阳能级多晶硅分为特级品、1级品、2级品、3级品四个等级，因太阳能级多晶硅国标出台时间较早，以当下工艺水平来看，指标要求较为宽松。 在颗粒硅国标《流化床法颗粒硅》（GB/T35307-2023）中，将颗粒硅分为4个等级。由于颗粒硅工艺近些年发展较快，虽国标于2023年发布，但当前颗粒硅质量基本已经超越特级品，尤其在施主杂质、受主杂质与总金属杂质含量方面。 表1：《电子级多晶硅》（GB/T12963-2022）中，对电子级多晶硅技术指标要求 资料来源：《电子级多晶硅》（GB/T12963-2022），国泰君安期货研究。注：部分指标经过换算，换算公式为:1ppba=5*10^13cm^-3以及1ppba=10^-3ppta=10^3ppma，下同。 表2：《太阳能级多晶硅》（GB/T25074-2017）中，对太阳能级多晶硅的技术指标要求 资料来源：《太阳能级多晶硅》（GB/T25074-2017），国泰君安期货研究 表3：《流化床法颗粒硅》（GB/T35307-2023）中，对颗粒硅的技术指标要求 资料来源：《流化床法颗粒硅》（GB/T35307-2023），国泰君安期货研究 除了上述技术指标以外，国标中也规定了多晶硅的尺寸、粒径和表面质量，以下对各指标概念分别作相应解释： 表4：国标中多晶硅、颗粒硅各类指标及相应定义解释 指标名称 指标解释 施主杂质 多晶硅半导体导电方式分为电子导电和空穴导电，不同杂质会导致不同的导电方式，磷、砷、锑等能提供电子的杂质元素称为施主杂质。 受主杂质 多晶硅半导体导电方式分为电子导