晶硅系列专题二：光伏“黑金”—多晶硅

晶硅系列专题2024年7月26日 晶硅系列专题二：光伏“黑金”—多晶硅 报告摘要： 多晶硅产业链：多晶硅位于光伏和半导体产业的上游，光伏产业链为“多晶硅-硅片-电池片-组件-光伏装机”，半导体产业链包括“多晶硅-晶圆-电子器件-半导体”。 多晶硅分类：按纯度可分为冶金级、太阳能级和电子级多晶硅，光伏板块使用太阳能级多晶硅，半导体板块使用电子级多晶硅；按照形态分为棒状硅和颗粒硅；按照表面形态分为致密料、莱花料、珊瑚料和复投料；按照掺杂元素分为N型料和P型料。 分析师：祁玉蓉 从业资格证号：F03100031投资咨询证号：Z0021060研究所 金属期货（期权）研究室 TEL：010-82295006 Email：qiyurong@swhysc.com 多晶硅生产工艺：改良西门子法为主流生产工艺，生产出来的多为 棒状硅，目前国内多数企业均采用该法生产；硅烷流化床法生产的多晶硅为颗粒硅，目前国内使用硅烷流化床法生产颗粒硅的主要有协鑫科技和天宏瑞科。 多晶硅成本：原料与电耗为多晶硅生产主要成本，原材料成本占比约35%左右，综合能耗主要以电耗为主，占总成本42%左右，根据百川盈孚数据，当前改良西门子法生产多晶硅平均成本约为4.5万元/吨，根据公司财报数据显示，协鑫科技徐州基地颗粒硅制造成本 43.73元/kg，鑫元基地2023年四季度平均生产成本已降至35.9元 /kg，远低于改良西门子法生产成本。 多晶硅供给：全球多晶硅产量逐年增加，且逐渐向我国聚集，2023年我国多晶硅产能已提升至244万吨，全球占比94%，多晶硅产能集中在西北地区，产业集中度较高，前五名企业产能占比66.80%。 多晶硅需求：光伏为主要应用方向，我国贡献多晶硅主要消费量，2023年，我国多晶硅消费量134.73万吨，全球占比约95%，超90%的多晶硅流向光伏产业，从下游硅片、电池片和组件市场来看，我国产能产量快速增长，全球占比均超80%，在全球占有绝对领先和主导地位。 后市展望：短期来看，多晶硅市场库存压力依旧较大，考虑某头部大厂或在8月迎来大幅减产，市场挺价心态明显，预计多晶硅价格继续持稳为主，价格反转尚需等待；后续随着广期所多晶硅期货上市，将为产业提供更多的风险管理工具 期货（期权）研究报告 请务必阅读正文之后的免责条款部分 风险提示：宏观风险；需求端不及预期。 相关图表： 相关报告： 《晶硅系列专题一：跌宕起伏的光伏发展史》 《工业硅系列专题一：硅石篇》 《工业硅系列专题二：工业硅篇》 《工业硅系列专题三：交割篇》 《工业硅系列专题四：“硅能源”全产业链期货的重要性研讨》 《工业硅系列专题五：有机硅篇（上）》 《工业硅系列专题六：有机硅篇（下）》 《工业硅系列专题七：交割质量标准修改解读》 目录 报告摘要：1 一、产业链：性质优良，聚焦光伏与半导体4 二、分类：多标准划分，太阳能级为主流5 （一）按纯度分：冶金级、太阳能级和电子级多晶硅5 （二）按产品形态分：棒状硅、颗粒硅6 （三）按表面形态分：致密料、莱花料、珊瑚料和复投料6 （四）按掺杂元素分：N型料、P型料7 三、生产工艺：闭路循环，改良西门子法为主8 （一）改良西门子法8 （二）硅烷流化床法9 四、成本：原料与电耗占比高，总成本仍有下降空间10 五、供给：中国逐渐成为主导力量，海外依赖度降低12 六、需求：光伏产业快速发展，贡献主要需求增量14 七、总结与展望17 图表目录 图表1：光伏产业链图4 图表2：多晶硅与单晶硅对比5 图表3：太阳能级多晶硅技术指标5 图表4：电子级多晶硅技术指标6 图表5：棒状硅6 图表6：颗粒硅6 图表7：致密料7 图表8：复投料7 图表9：珊瑚料7 图表10：莱花料7 图表11：N型料与P型料指标参数对比8 图表12：改良西门子法生产流程图9 图表13：硅烷流化床法生产流程图9 图表14：硅烷流化床法VS改良西门子法10 图表15：改良西门子法成本走势图11 图表16：改良西门子法成本拆分11 图表17：2010-2024年中国及全球多晶硅产能12 图表18：2010-2024年中国及全球多晶硅产量12 图表19：全球前十大多晶硅生产企业13 图表20：中国多晶硅产能分布13 图表21：中国多晶硅行业集中度（截至2023年末）13 图表22：中国多晶硅进出口情况13 图表23：2010-2023年中国多晶硅消费量14 图表24：2010-2023年中国硅片、电池片、组件产量14 图表25：2021-2024H1中国硅片、电池片、组件合计出口量15 图表26：2021-2024H1中国硅片、电池片、组件合计出口额15 图表27：2000-2022年全球及中国光伏累计装机情况15 图表28：2000-2022年全球及中国新增光伏装机情况15 图表29：2000-2022年全球主要国家光伏累计装机情况16 图表30：2000-2022年全球主要国家新增光伏装机情况16 图表31：分布式光伏发电VS集中式光伏发电16 图表32：集中式市场17 图表33：分布式市场17 多晶硅是光伏产业链最上游的原材料，是极为重要的半导体材料，被称为光伏产业链中的“黑金”，本篇报告为晶硅系列专题的第二篇，将从多晶硅的概念、性质、分类、生产及市场格局等多方面进行分析研究，揭开多晶硅的神秘面纱。 一、产业链：性质优良，聚焦光伏与半导体 多晶硅，又称硅料，其原材料包括工业硅、氢气、氯气等，通过改良西门子法、硅烷流化床法等生产工艺进行制备，是单质硅的一种形态，有灰色金属光泽，密度2.32-2.34g/𝑐𝑐𝑐𝑐2，熔点1,410℃，沸点2,355℃；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，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来就结晶成多晶硅，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。 多晶硅可融化冷却后制成多晶硅锭，也可以通过拉晶法生产为单晶硅棒，二者化学活性差异极小，其差异主要表现在物理性质方面，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，多晶硅远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。 多晶硅锭和单晶硅棒通过进一步加工、切割，可生产硅片，进而应用于制造晶硅电池，服务于光伏电站的集成和建设，光伏产业是多晶硅最大的终端流向；此外，单晶硅片还可以通过打磨、抛光、外延、清洗等工艺形成晶圆，应用于半导体行业。 图表1：光伏产业链图 资料来源：宏源期货研究所 图表2：多晶硅与单晶硅对比 多晶硅 单晶硅 结构 由许多生长过程中方向各异的小晶体组成 单一且连续的晶体结构 制造过程 制造过程相对简单，冷却速度较快 熔融的硅原料在特定条件下缓慢冷却 物理性质 稍逊于单晶硅 力学、光学及热学性能更优越 外观 表面可见明显的晶体界限和不同的色泽 色泽均匀一致 电学性能 电学性能相对较差 较高的电导率 转换效率 略低于单晶硅 较高 成本 制造工艺简单，成本较低 工艺复杂，成本较高 应用领域 光伏市场，尤其是成本敏感的大规模生产 高端光伏市场，如大型电站、分布式光伏等领域 资料来源：宏源期货研究所 二、分类：多标准划分，太阳能级为主流 按照纯度、产品形态、表面形态及掺杂元素等不同的标准，多晶硅可以分为不同的类别。 （一）按纯度分：冶金级、太阳能级和电子级多晶硅 根据纯度，多晶硅可以分为冶金级多晶硅、太阳能级多晶硅和电子级多晶硅。冶金级多晶硅一般硅含量为99.999%~99.9999%（5N~6N），主要应用于建筑、航空、汽车、机械等领域；电子级多晶硅一般硅含量达到99.9999999%（9N）及以上，生产技术及纯度要求较高，主要应用于半导体行业；太阳能级多晶硅硅含量介于冶金级多晶硅和电子级多晶硅之间，一般在99.9999%~99.9999999%（6N~9N），主要应用于光伏行业，受益于光伏产业的迅猛发展，目前太阳能级多晶硅产量远大于冶金级和电子级多晶硅。 按照技术指标差别，太阳能级和电子级多晶硅均可分为特极品、1级品、2级品和3级品。 图表3：太阳能级多晶硅技术指标 项目 特极品 技术指标 1级品2级品 3级品 施主杂志浓度/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） ≤0.2*1017 ≤0.5*1017 ≤1.0*1017 ≤1.0*1017 碳浓度/（atoms/𝑐𝑚3） ≤2.0*1016 ≤2.5*1016 ≤3.0*1016 ≤4.0*1016 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 资料来源：中国国家标准化管理委员会（GB/T25074-2017），宏源期货研究所 图表4：电子级多晶硅技术指标 项目 特极品 技术指标1级品2级品 3级品 施主杂志浓度（P、As、Sb总含量，以原子数记） 𝑐𝑚−3 ≤0.15*1013 ≤0.25*1013 ≤0.5*1013 ≤1.5*1013 受主杂质浓度（B、Al总含量，以原子数记） 𝑐𝑚−3 ≤0.5*1012 ≤1.5*1012 ≤2.5*1012 ≤5.0*1012 碳含量（以原子数记） 𝑐𝑚−3 ≤1.0*1015 ≤2.5*1015 ≤2.5*1015 ≤5.0*1015 基体金属杂质含量/（Fe、Cr、Ni、Cu、Zn、Na总 含量）ng/g（ppbw） ≤0.1 ≤0.3 ≤0.5 ≤2.0 表面金属杂质含量/（Fe、Cr、Ni、Cu、Zn、Al、 K、Na、Ti、Mo、W、Co总含量）ng/g（ppbw） ≤0.1 ≤0.5 ≤1.0 ≤5.0 注：多晶硅的导电类型、电阻率、少数载电子流寿命和氧含量由供需双方协商确定。 资料来源：中国国家标准化管理委员会（GB/T12963-2022），宏源期货研究所 （二）按产品形态分：棒状硅、颗粒硅 根据产品形态，多晶硅可以分为棒状硅和颗粒硅，因为棒状硅生产工艺较为成熟，目前市场主流以棒状硅为主，截至2022年，棒状硅市占率达92.50%，未来随着颗粒硅生产工艺不断改进和下游应用的拓展，市占率有望进一步提高。 图表5：棒状硅图表6：颗粒硅 资料来源：市场公开资料，宏源期货研究所资料来源：市场公开资料,宏源期货研究所 （三）按表面形态分：致密料、莱花料、珊瑚料和复投料 根据表面形态，棒状硅经过破碎后可以分为致密料、莱花料、珊瑚料和复投料。 致密料：表面颗粒凹陷深度小于5mm，断面结构致密，外观无异常颜色，无氧化夹层，价格最高，主要用于拉制单晶硅、制造高效率的光伏电池。 复投料：致密料的一种，拉晶产生的头尾或者边皮料，一般品质较好，可用于填充硅料二次循环使用。 莱花料：表面颗粒凹陷深度5~20mm，外观无异常颜色，无氧化夹层，价格中档，可用于制造低成本的光伏电池，效率相对较低。 珊瑚料：断面结构疏松，凹陷程度≥20mm，外观无异常颜色，无氧化夹层，价格最低。 莱花料和珊瑚料主要用于制作多晶硅片，部分企业选择在致密料中掺杂不低于30%的莱花料生产单晶硅，进而达到节省成本的目的，但会在一定程度上降低拉晶效率。 图表7：致密料图表8：复投料 资料来源：市场公开资料，宏源期货研究所资料来源：市场公开资料,宏源期货研究所 图表9：珊瑚料图表10：莱花料 资料来源：市场公开资料，宏源期货研究所资料来源：市场公开资料,宏源期货研究所 （四）按掺杂元素分：N型料、P型料 根据硅