多晶硅白皮书系列：多晶硅生产技术及成本分析

期货研究报告|多晶硅白皮书系列2024-04-18 多晶硅生产技术及成本分析 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 改良西门子法和硅烷流化床法是目前主流多晶硅生产技术，产品形态分别为棒状硅和颗粒硅，其中改良西门子法产能产量大，下游客户配套生产技术完善。而硅烷流化床法所生产但颗粒硅更具成本、能耗和碳排放优势，但作为新兴技术，有待进一步推广。 本文作为多晶硅白皮书系列专题第三篇，将主要从多晶硅发展历史、主要生产技术和成本结构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生产情况。 请仔细阅读本报告最后一页的免责声明 目录 报告摘要1 全球多晶硅发展历史3 中国多晶硅发展历史4 多晶硅生产工艺7 多晶硅成本分析10 图表 图1:改良西门子工艺流程8 图2:硅烷流化床法9 图3:多晶硅成本占比（硅烷流化床法）12 图4:多晶硅成本占比（改良西门子法）12 图5:多晶硅行业成本曲线13 表1:1990-1996年中国多晶硅产量表5 表2:1997-2005年中国多晶硅产量表5 表3:2009年中国多晶硅企业分布情况6 表4:多晶硅不同生产工艺比较7 表5:生产技术区别10 表5:硅烷流化床法成本构成11 表6:改良西门子法成本构成12 全球多晶硅发展历史 多晶硅研发中试期 早在19世纪60年代，人们就开始尝试制备超纯硅。1822年，瑞典化学家Berzelius首先使用钾还原四氟化硅制备�单质硅，但直到1951年，美国杜邦公司才使用类似的方法建设了全球首家多晶硅提纯工厂，之后多家公司投入到了多晶硅的提纯研发中。其中西门子公司于1955年成功研发�用氢气还原三氯氢硅，在硅芯发热体上沉积硅的工 艺技术并于1957年建厂进行工业规模化生产，即为西门子法。 至20世纪50年代初，国外多达16家(美国4家、日本6家、欧洲6家)企业研究多晶硅的生产方法产生了如杜邦法、贝尔法、碘化法、皮齐尼法和硅烷法等制备多晶硅的方法。但由于半导体产业刚刚兴起，市场规模不大，且早期的企业顾虑到自有的工艺技术一旦被竞争对手获取，会导致自己在产品质量和生产成本竞争方面处于不利地位，因此很多技术都处于独立开发状态。 多晶硅工业化起步期 20世纪60年代早期，由于杜邦法和贝尔法提炼的多晶硅纯度不高，部分多晶硅企业开始放弃杜邦法或贝尔法，开始引入技术逐步成熟的西门子法，如日本信越化学公司、大阪钛、室素电子公司等都开始改用三氯氢硅氢还原法，西门子法逐步奠定了其在硅工业的地位。同时，日本窒素公司也开始将西门子技术输入到我国，在洛阳建立了年产能3吨的多晶硅生产线。 到20世纪60年代后期，随着硅材料的应用范围从最初的整流器、二极管扩大到可控 硅、晶体硅、集成电路等市场需求量扩大，多晶硅产量也由20世纪50年代的百公斤 量级提升至20世纪60年代的百吨量级。 低成本多晶硅发展期 20世纪70年代，随着彩电、无线电收发两用机、台式电子计算机、电子表等消费品走入市场，集成电路市场生产规模开始扩大，硅材料的市场需求也随之增加，更多的企业加入到硅材料生产领域。 但全球多晶硅市场曾在1971年和1974年�现过两次萎缩，同时，受石油危机的影响，能源价格暴涨，多晶硅企业生产成本大增，一些硅料厂亏损严重，部分企业此后又逐步放弃了硅料生产业务。也正是由于石油危机的发生，美国开始加大对地面光伏发电的支持力度，大力支持低成本的多晶硅生产技术开发，多晶硅产业的发展开始掀起一波高潮。 多晶硅整合期 到了20世纪80年代，在个人计算机和存储器发展的带动下，半导体市场又掀起新一轮高潮，对硅材料产业发展起到极大的促进作用。 在20世纪80年代后期，受美国对日本的半导体反倾销政策的影响，全球多晶硅市场 需求在1987年左右再次�现较大萎缩，一批多晶硅企业开始退�该领域，如美国德州仪器公司、美国通用电子公司等，行业整合也在加速，市场集中度进一步提高。 多晶硅腾飞期 2000年之后，随着德国EEG法案的�台，光伏市场快速发展，对多晶硅市场需求快速拉大，但当时的多晶硅工厂主要供应电子级多晶硅料，太阳能级多晶硅料供应来源主要是多晶硅工厂不能满足电子级硅料的产品。由于供求关系紧张，多晶硅原材料的价格持续上涨，推动资本开始源源不断投入到太阳能级多晶硅领域。 如今，在碳中和指引及能源转型发展下，全球光伏新增装机量连年提升，光伏产业已经 成为多晶硅最重要的消费领域。 中国多晶硅发展历史 根据《当代多晶硅发展概论》一文中所记载的中国多晶硅产业发展历史，可以将国内多晶硅产业发展可以分为以下阶段： 萌芽期 我国的多晶硅工艺研究工作起源于20世纪50年代。北京有色金属研究总院于1955年起，在缺少技术和资料的背景下，就自行摸索了锌还原四氯化硅工艺（杜邦法）和氢还原四氯化硅工艺（贝尔法），后又于1958年开始研究西门子法，并在摸索过程中解决了还原炉的高压启动等工艺，成功生产�了高纯硅材料。但当时，多晶硅厂的生产规模整体较小、工艺技术落后、消耗大、成本高，生产主要还属于工艺研究阶段，并没有形成规模。 摸索期(1964-1996年) 我国多晶硅产业化始于1964年，北京有色金属研究院338室(硅材料研究室)及相关配套的人员、装置和职能管理部门内迁至四川峨眉县，成立峨嵋半导体材料厂(代号为739厂)，建设产能为803千克/年的多晶硅工厂，并于1965年8月实现第一炉硅料产 �。次年，洛阳单晶硅厂(740厂)也从日本引进一条产能为3吨的多晶硅生产线，这是我国首次从国外引进多晶硅生产线。1968年，739厂援建了华山半导体材料厂(代号741厂)，并于1971年投产。至此739厂、740厂和741厂形成了我国三大硅材料生产基地。 之后受到大力发展电子工业的指示影响，国内对多晶硅的需求量剧增，全国多个地方开始创建多晶硅项目。20世纪70年代，多晶硅年产量达到8吨/年，但行业发展逐步 进入了盲目扩张时期，小型生产厂家多达30余家。这些工厂技术水平低、生产规模小，各种消耗指标高、产品质量不稳定，加之生产成本逐年增加等因素，在改革开放后受市场经济冲击严重，绝大部分多晶硅企业因亏损而相继停产或转产。 到1993年，全国只有原峨嵋半导体材料厂、洛阳单晶硅厂、上海棱光股份有限公司和 重庆天源化工厂4家单位在生产多晶硅产品，而到1996年则只剩下原峨嵋半导体材料 厂和洛阳单晶硅厂2家。这些生产厂生产规模小、工艺技术落后、消耗大、成本高，因此全国的多晶硅总产能始终在年产数十吨的规模上徘徊。 表1:1990-1996年中国多晶硅产量表 年份 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 产量/吨 55.9 66.7 76.4 78.6 66.5 67 96.2 数据来源：《当代多晶硅发展概论》华泰期货研究院 起步期(1997-2005年) 1997年，在国家经贸委的支持下，峨嵋半导体厂通过“双加”工程，将多晶硅产能提升至 50吨/年。面对当时工业规模小、生产工艺落后、综合利用率低、能耗高、产品质量标准 低、市场竞争力低等形势，国家经贸委支持峨嵋半导体厂实施100吨/年多晶硅产业化关 键技术研究，该项目于2000年初通过国家鉴定。同年，国家发展计划委员会批准组建四 川新光硅业科技有限公司，建设年产1000吨多晶硅产业化项目。 2003年洛阳中硅在国家发改委重点行业结构调整专项资金的支持下，在洛阳建设年产 300吨多晶硅产业化项目，2005年10月投产，这也是我国首条产业化示范线，标志着多晶硅规模化生产技术体系形成，打破了国外多年的技术封锁和市场垄断，形成多晶硅规模化生产技术体系。 表2:1997-2005年中国多晶硅产量表 年份 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 产量/吨 / 25.4 / / 66.5 67 62 57 90 数据来源：《当代多晶硅发展概论》华泰期货研究院 发展期(2005-2009年) 虽然21世纪初全国在产的多晶硅工厂仅1~2家，但2005年之后，受太阳能级多晶硅市场需求影响和在多晶硅生产线示范项目的带动下，国内资本开始大举进入多晶硅领域，多晶硅产业规模迅速扩大。至2009年底，已建、在建和拟建的多晶硅生产企业达52 家，国内多晶硅的投产企业由2006年的2家增至2009年的24家，年产量也从两三百吨发展至两万吨，使我国光伏产业原材料的自给率由几乎为零提高至50%左右，为我国光伏产业摆脱对外依赖进口的局面，实现产业健康发展奠定了基础。 当时多晶硅企业多数布局于内蒙古、四川、河南等中西部省区，主因多晶硅(尤其是采用西门子工艺)的生产成本受电价因素影响较大，且地区产业政策、下游市场对产业布局也有较大的影响，因此投资项目大部分集中在中西部电能资源丰富的地区。而东部部分地 区如江苏省因对该产业关注早，整体产业链发展较快，也带动了本地多晶硅产业的快速发展。 表3:2009年中国多晶硅企业分布情况 地区内蒙古江苏河南山东 江山西重庆河西北 宁湖青陕夏北海西 云浙安北新南江徽京疆 多晶硅企业个数88443332222111111 数据来源：《当代多晶硅发展概论》华泰期货研究院 市场调整期(2009-2013年) 在多晶硅利润率大增的情况下，资本纷纷涌入多晶硅投资领域，使多晶硅产能虚增。同时，少部分工厂因不完全掌握改良西门子多晶硅生产技术或片面追求经济效益，生产的副产物没有得到较好处置，导致四氯化硅污染环境的事件发生。多晶硅也被冠以“高能 耗、高污染”的帽子，国家收紧了多晶硅项目审批权限，同时，“国发38号文”，将多晶硅行业定为产能过剩行业。 到2011年之后，受太阳能光伏市场增速放缓和国外多晶硅企业对我国倾销的影响，多晶 硅产品价格大跌，企业也�现大面积亏损，很多企业开始停产甚至破产。至2013年上半 年，全国在产的多晶硅企业仅为7家(江苏中能、大全新能源、亚洲硅业、新特能源、黄河上游、四川永祥、神州硅业)。 市场恢复期(2013年至今) 2013年，国务院�台《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，国内光伏市场开始规模化扩大，再加上我国相继对美、韩、德等�台多晶硅反倾销、反补贴等政策，国内多晶硅市场需求开始扩大，产品价格也逐步提升，国内多家多晶硅企业开始复产。至2013年 底，国内开工企业已达到15家，多晶硅产能也达到16万吨。国家也开始简政放权，将多晶硅项目审批权限下放到地方，多晶硅项目投资开始加大，多家企业开始扩产或新建多晶硅工厂。同时，多晶硅生产布局更加优化，逐步往能源价格洼地如西北等地区转移，生产设备也更为先进。 近年来，随着光伏产业进入“平价上网”时代，国内新增光伏装机量不断突破新高，对应的 硅料需求也在连年增加，多晶硅产业得到进一步发展。 多晶硅生产工艺 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