华泰期货：多晶硅白皮书系列：多晶硅产业链简介

期货研究报告|多晶硅白皮书系列2024-03-21 多晶硅产业链简介 研究院新能源&有色组 研究员 陈思捷 021-60827968 chensijie@htfc.com从业资格号：F3080232投资咨询号：Z0016047 师橙 021-60828513 shicheng@htfc.com从业资格号：F3046665投资咨询号：Z0014806 穆浅若 021-60827969 muqianruo@htfc.com从业资格号：F03087416投资咨询号：Z0019517联系人 王育武 021-60827969 wangyuwu@htfc.com 从业资格号：F03114162 投资咨询业务资格： 证监许可【2011】1289号 报告摘要 多晶硅是以工业硅为原料经一系列的物理化学反应提纯后达到一定纯度的非金属材料，其位于工业硅的下游，同时处于整条光伏及半导体产业链的上游。 自2020年9月中国明确提�2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标后，中国采取了优化能源结构、提高能源利用效率、发展可再生能源、实施绿色低碳消费战略等多项措施。作为光伏产业的核心原材料，多晶硅市场也进入快速发展阶段 考虑到多晶硅期货即将挂牌上市，本文作为多晶硅白皮书系列专题第一篇，将主要从多晶硅产业链、基础知识、上下游情况等方面对多晶硅进行介绍，帮助投资者们进一步了解多晶硅基础知识。 请仔细阅读本报告最后一页的免责声明 目录 报告摘要1 多晶硅产业链4 上游环节：工业硅5 中游环节：多晶硅6 基础概述6 分类标准6 生产工艺9 价格走势12 下游环节：光伏产业及半导体13 光伏产业—太阳能级多晶硅13 半导体产业—电子级多晶硅15 行业特征16 图表 图1:多晶硅产业链4 图2:工业硅产业链5 图3:2022年中国工业硅消费占比丨单位：%5 图4:2022年全国工业硅消费占比丨单位：%5 图5:颗粒状多晶硅6 图6:块状多晶硅6 图7:多晶硅主要分类7 图8:多晶硅致密料8 图9:多晶硅菜花料8 图10:多晶硅珊瑚料8 图11:中国多晶硅价格走势丨单位：千克/元8 图12:改良西门子工艺流程10 图13:硅烷流化床法10 图14:中国多晶硅价格走势丨单位：千克/元12 图15:中国单晶硅片价格走势丨单位：元/片12 图16:中国PERC电池片价格走势丨单位：元/瓦13 图17:中国PERC电池组件价格走势丨单位：元/瓦13 图18:光伏产业链14 图19:中国光伏组件月度进�口额丨单位：百万元15 图20:中国单晶硅片月度进�口量丨单位：吨15 图21:中国多晶硅片月度进�口量丨单位：吨15 图22:中国及全球新增光伏装机预期丨单位：GW15 请仔细阅读本报告最后一页的免责声明2/17 表1:多晶硅根据技术差别分级类型7 表2:多晶硅不同生产工艺比较9 表3:全球多晶硅供应企业格局11 请仔细阅读本报告最后一页的免责声明3/17 多晶硅产业链 多晶硅是以工业硅为原料经一系列的物理化学反应提纯后达到一定纯度的非金属材料，其位于工业硅的下游，同时处于整条光伏及半导体产业链的上游。 从多晶硅具体产业链结构来看，上游环节为原材料和设备，主要用到工业硅、铸锭设备、线切割设备等；中游环节为多晶硅的制备，主要以工业硅为原材料，通过物理方法或化学方法将工业硅进一步提纯，制备成多晶锭、单晶棒；下游环节为多晶硅的应用领域，主要为光伏产业、集成电路产业。多晶硅锭和单晶硅棒进一步切割加工为硅片、电池，进而成为光伏组件的关键部分，应用于光伏领域。此外，单晶硅片还可通过反复的打磨、抛光、外延、清洗等工艺形成硅晶圆片，作为半导体电子器件的衬底材料。 图1:多晶硅产业链 数据来源：中国光伏行业协会SMM华泰期货研究院 在太阳能光伏产业发展之前，多晶硅被认为是电子工业的基石，全球95％以上的半导体器件和99％以上的集成电路都是由硅材料(含单晶硅及多晶硅)制造的。而随着光伏行业对上游硅料的强劲需求，太阳能电池芯片对多晶硅需求量的增长速度远高于半导体多晶硅的发展市场需求，多晶硅经历了由“半导体产业主导”向“光伏产业主导”的转变。目前，光伏行业是多晶硅使用量最大的行业领域，占比80%以上。而且随着“碳中和”的逐步推进，光伏产业未来发展前景巨大，全球光伏装机量将持续增加，多晶硅需求具有一定潜力。 请仔细阅读本报告最后一页的免责声明4/17 上游环节：工业硅 在此前发布的工业硅白皮书中，已详细介绍了工业硅产业链的情况。工业硅由硅石和碳质还原剂在矿热炉内冶炼而成，其下游需求环节主要分为多晶硅、有机硅和铝合金铸造三个方面。有机硅、铝合金是工业硅传统下游领域；而随着近年光伏产业的兴起，多晶硅产量增加，为工业硅带来新的需求增量。 2023年光伏产业技术加快迭代升级，根据光伏行业规范公告企业信息和行业协会测算，全国多晶硅全年产量超过143万吨，同比增长66.9%；硅片产量超过622GW，同 比增长67.5%；晶硅组件产量超过499GW，同比增长69.3%。考虑到2023年工业硅产量374万吨，按1吨多晶硅需工业硅原料1.15吨，2023年多晶硅对工业硅需求量达 164.45万吨，约占到总产量的44%，未来多晶硅仍将是工业硅需求的主要增长部分。 图2:工业硅产业链 数据来源：中国光伏行业协会SMM华泰期货研究院 3% 铝合金 20% 多晶硅 39% 有机硅 38% 图3:2022年中国工业硅消费占比丨单位：%图4:2022年全国工业硅消费占比丨单位：% 其他 其他 5% 多晶硅 27% 铝合金 27% 有机硅 41% 数据来源：SAGSI华泰期货研究院数据来源：SAGSI华泰期货研究院 请仔细阅读本报告最后一页的免责声明5/17 中游环节：多晶硅 基础概述 多晶硅也叫硅料，是指以纯度99%左右的工业硅为原料，经过各种物理或化学方法提纯后，使得硅纯度达到99.9999%以上的高纯硅材料。 熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，这些晶面取向不同的晶粒结合起来，就形成了多晶硅。多晶硅呈现灰色金属光泽，密度2.32~2.34g/cm3，熔点1410℃，沸点2355℃，常温下较为稳定，在高温下可以与氧、氮、硫等反应，具有半导体属性，主要是以块状硅和颗粒硅两种形式存在。 图5:颗粒状多晶硅图6:块状多晶硅 数据来源：公开资料整理华泰期货研究院数据来源：公开资料整理华泰期货研究院 分类标准 1．按纯度要求及用途不同 工业硅的硅含量一般在99%以上（2N）。从分类来看，多晶硅的主要评判指标是纯度，按纯度高低排序可以分为： 1）冶金级多晶硅（MG-Si），一般含硅量为99.999%～99.9999%（5N-6N），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；2）太阳能级多晶硅(SOG-Si)，纯度介于冶金级硅与电子级硅之间，一般在99.9999%～99.9999999%（6N-9N）之间，主要用于太阳能电池的生产制造。 3）电子级多晶硅(SEG-Si)，一般要求含硅量达到99.9999999%以上（9N以上），主要用于半导体电子材料的生产制造。 请仔细阅读本报告最后一页的免责声明6/17 一般要求含Si在99.9999%以上，主要用于半导体电子材料的生产制造 电子级多晶硅 太阳能级多晶硅 冶金级多晶硅 多晶硅 一般认为含Si在99.99-99.9999%之间，主要用于太阳能电池的生产制造 硅的氧化物在电弧炉中被碳还原而成。一般含Si为95%左右，部分高达99.8%以上 图7:多晶硅主要分类 数据来源：中国有色金属工业协会硅业分会华泰期货研究院 2、按硅料掺入杂质及导电类型的不同，太阳能级多晶硅主要分为N、P型 根据《太阳能级多晶硅》（GB/T25074-2017）国家标准分类规定，太阳能级多晶硅根据外形分为块状和棒状；根据导电类型分为N型和P型。其中，当硅中掺杂以施主杂质（V族元素，如磷、砷、锑等）为主时，以电子导电为主，为N型多晶硅；当硅中掺杂以受主杂质（Ⅲ族元素，如硼、铝、镓等）为主时，以空穴导电为主，为P型多晶硅。根据技术差别分为分4级，参考分类如下： 表1:多晶硅根据技术差别分级类型 技术指标 特等级 1等级 2等级 3等级 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） ≤0.2ⅹ1017 ≤0.5ⅹ1017 ≤1.0ⅹ1017 ≤1.0ⅹ1017 碳浓度/(atoms/cm3） ≤2.0ⅹ1016 ≤2.5ⅹ1016 ≤3.0ⅹ1016 ≤4.0ⅹ1016 少数载流子寿命/µs ≥300 ≥200 ≥100 ≥50 基体金属杂质含量/（ng/g）Fe、Cr、Ni、Cu、Zn ≤15 ≤50 ≤100 ≤100 表面金属杂质含量/（ng/g） Fe、Cr、Ni、Cu、Zn、Na ≤30 ≤100 ≤100 ≤100 数据来源：中国有色金属工业协会硅业分会华泰期货研究院 3.按表面质量的不同 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 请仔细阅读本报告最后一页的免责声明7/17 程中容易受到污染，一般采用真空包装。 块状硅根据表面光滑程度的不同又可大体分为致密料、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；同时复投料属于致密料的一种，是单晶拉晶产生的头尾或边皮 料，一般品质较好，可以作为填充硅料二次循环使用。而菜花料颜色偏灰、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，致密料主要用于拉制单晶硅，菜花料、珊瑚料则主要用于制作多晶硅片。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，从而节约原料成本，但菜花料的使用会在一定程度上降低拉晶效率。 图8:多晶硅致密料图9:多晶硅菜花料 数据来源：公开资料整理华泰期货研究院数据来源：公开资料整理华泰期货研究院 图10:多晶硅珊瑚料图11:中国多晶硅价格走势丨单位：千克/元 多晶硅复投料致密料菜花料 300 250 200 150 100 50 2022-01-052022-06-052022-11-052023-04-052023-09-05 数据来源：公开资料整理华泰期货研究院数据来源：SMM华泰期货研究院 请仔细阅读本报告最后一页的免责声明8/17 生产工艺 工业上制备多晶硅的化学方法主要有改良西门子法、硅烷法、流化床法、无氯技术、VLD、新硅烷法；另外还有物理方法，包括铝热还原法、冶金法、区域熔化提纯法，以及热线法。 目前主流多晶硅生产技术是硅烷硫化床法和改良西门子法，全球主要多晶硅生产企业中，除挪威REC外，均完全或主要采用改良西门子法。根据中国光伏行业协会的数据，2019年全球多晶硅产量中采用改良西门子法生产的占比高达97.8%；我国也类似，2020年国内采用改良西门子法生产的多晶硅约占全国总产量的97.2%。 各种多晶硅生产方法所用硅源气、能耗、生产方式以及副产物危害等比较如下： 表2:多晶硅不同生产工艺比较 方法 硅源气/原料 产品用途 能耗 生产方式/能力 副产品/环境友好度 改良西门子 三氯氢硅 太阳能级、电子级 200 间歇/一般 氯化氢/污染 硅烷法 硅烷 太阳能级 60 间歇/一般 氢气/基本无害 流化床法 硅烷 太阳能级 10 连续/大 氢气/基本无害 流化床法 三氯氢硅 太阳能级 \ 连续/大 氯化氢、四氯化硅/污染 无氯技术 金属级硅/