多晶硅专题报告：“硅期又至”系列一，光伏产业链概览

研究员：陈寒松 多晶硅专题报告2024年8月16日 “硅期又至”系列一：光伏产业链概览 期货从业证号：F03129697投资咨询证号：Z0020351 chenhansong_qh@chinastock.com.cn 第一部分摘要 多晶硅期货上市在即，“硅期又至”系列为多晶硅上市前瞻报告，本篇为系列第一篇，主要简述光伏产业链概况。后市将逐步推出系列二至系列四，围绕多晶硅供应、需求、价格前瞻展开。 中国光伏行业已成为先进生产力的名片，效率、成本、行业规模在全球遥遥领先，是我国高质量发展和新质生产力发展的基础性支撑。光伏产业链条较长，从硅石原料到光伏太阳能电池板需经历工业硅、多晶硅、硅片、电池片、组件等环节，需较多产业主体紧密合作。 截至2023年底，中国拥有19家多晶硅生产企业，产能规模全球占比93.74%。目前主要的生产工艺是改良西门子法和硅烷流化床法，其产品分别为块状硅和颗粒硅。根据表面质量不同，块状硅可划分为致密料、菜花料和珊瑚料。按照掺入杂质的差异，多晶硅又可分为P型料和N型料。根据纯度的不同，多晶硅通常可以分为太阳能级多晶硅和电子级多晶硅。多晶硅不同工艺、不同企业之间成本差异巨大，不同厂商之间成本差异可能达到50%，随着生产工艺和技术的改进，多晶硅非硅成本呈现逐年降低的趋势。多晶硅产能呈现由聚焦能源丰富地区向能源优势尤其是清洁能源地区转移的格局，未来内蒙、新疆将成为主要产区。 硅片是多晶硅的直接下游，是多晶硅锭或单晶硅硅棒切片制成的薄片状基板。多晶硅硅片包括铸锭和切片两个环节，但目前市场占有率已不足1%；单晶硅片包含拉晶、切片两大环节，且非硅成本逐年降低。与多晶硅类似，硅片可划分为N型硅片和P型硅片，截至2024年6月，N型硅片渗透率已达80%。从行业发展趋势来看，硅片呈现出薄片化、大尺寸化和标准化趋势。 电池片是硅片的直接下游，从硅片原料使用类型角度，电池片分为P型电池片和N型电池片。从技术角度，电池片分为减少电学损失和减少光学损失两类。两者交叉衍生出多种类型电池片，目前N型TOPCon和HJT成为行业主流。随着PERC和TOPCON电池的技术进步，电池生产工艺逐渐变的繁琐，在获得更高的光电转换效率的同时也降低成本。 组件是电池片的直接下游，光伏组件的结构分为核心部件、电气连接装置、封装材料、封装辅材四个部分，电池片作为核心部件决定光伏组价发电效率。光伏组件位于光伏产业链制造环节的末端，直接面向终端应用市场，下游为光伏电站系统。根据装机规模、入网电压等不同，光伏电站可划分为集中式（大型地面电站等）和分布式（工商业、户用等）。 第二部分光伏产业链概览 太阳能发电作为重要的可再生能源，是我国高质量发展的基础性支撑，也是激发新质生产力的内涵之一。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能的一种技术。具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。光伏产业链条较长，从硅石原料到光伏太阳能电池板需经历诸多环节，需较多产业主体紧密合作。从主线来看，光伏行业可分为上、中、下游三个环节。其中上游主要包括各种原材料的加工、中游主要包括光伏电池和配套设备的制造，下游集中在光伏产品的应用层面。 图1：光伏产业链概览 数据来源：银河期货、公开资料整理 经历近几年的高速发展，光伏行业已经成为我国在国际上领先的优势产业，光伏产品亦成为出口的“新三样”之一。我国光伏产业链条覆盖全面，技术领先、一体化产业具有成本优势，同时兼具较高的光电转换效率。截至2023年，我国光伏产业链各环节产量全球占比均超过90%，工业硅产量占比超过80%。工业硅和多晶硅产销超过80%在国内，因而中国具有绝对的定价优势。根据有色金属工业协会硅业分会数据，截至2023年底，我国多晶硅产量全球占比达到92%，硅片产量全球占比达到98%，意味着几乎全球晶硅太阳能电池用硅均来自于中国。 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 工业硅 多晶硅 硅片 电池片 组件 装机 国内海外 图2：2023年我国硅产业链各环节产量全球占比 98% 93% 92% 90% 81% 50% 数据来源：银河期货、有色金属工业协会硅业分会 第三部分多晶硅环节 一、多晶硅分类 多晶硅是单质硅的一种形态，具有灰色金属光泽，密度2.32-2.34g/cm³，熔点为1410℃，沸点为2355℃。它是由硅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，然后结合起来形成的。多晶硅在常温下不活泼，但在高温下可以与氧、氮、硫等元素反应。室温下质脆，加热至800℃以上即有延性，1300℃时显出明显变形。多晶硅不溶于水、硝酸和盐酸，但溶于氢氟酸和硝酸的混酸中。 （一）按照生产工艺分类 按生产工艺不同，多晶硅可被划分为棒状硅和颗粒硅，前者采用的是目前主流技术— —改良西门子法生产（TCS），后者则是采用硅烷流化床工艺（FBR）生产。改良西门子法生产出棒状硅后，并不能直接供下游使用，需要将其破碎成块状才可用作后续生产，而颗粒硅形状为“颗粒状”，无需进行破碎即可直接使用，一定程度上避免了硅料的损耗。目前改良西门子法依然是多晶硅生产的主要工艺，所对应的产成品棒状硅也是目前多晶硅的主要形态，据《中国光伏产业发展路线图（2023-2024年）》，2023年颗粒硅市场份额有所提升，达到17.3%，棒状硅市场份额为82.7%。目前颗粒硅仅少量企业掌握生产工艺，协鑫科技为典型代表。 图3：颗粒硅图4：棒状硅和颗粒硅市场占有率 数据来源：银河期货、协鑫科技数据来源：银河期货、CPIA （二）根据表面质量分类 根据表面质量的不同，块状硅可划分为致密料、菜花料和珊瑚料。致密料表面颗粒凹陷程度最低，小于5mm，外观无颜色异常、无氧化夹层，价格较高；菜花料表面颗粒凹陷程度适中，为5-20mm，断面适中，价格中档；而珊瑚料表面凹陷较为严重，深度大于20mm，断面疏松，价格最低。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，企业日常生产中可在致密料中掺杂不低于30%的菜花料来生产单晶硅，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，企业需在两者之间进行权衡后选择合适的掺杂比例。复投料指颗粒粒径5~50mm的硅料，区别于锅底填充料，可在初次拉晶后，填充复投料继续完成下次拉晶，生产不必停炉重装原料，以提升坩锅利用率，降低能耗，并提高单炉产量。 图5：多晶硅致密料图6：多晶硅菜花料 数据来源：银河期货、公开资料整理数据来源：银河期货、公开资料整理 图7：多晶硅珊瑚料图8：多晶硅复投料 数据来源：银河期货、公开资料整理数据来源：银河期货、公开资料整理 （三）按照纯度分类 多晶硅是自然界中纯度最高的物质之一，其纯度表征以主体物质的含量多少来表示，即纯度=(总质量-杂质质量)/总质量*100%，通常用“N个9”来表示，例如6N代表99.9999%。根据纯度的不同，多晶硅通常可以分为太阳能级多晶硅和电子级多晶硅两种类型。太阳能级多晶硅（SGS,SolarGradeSilicon），是指纯度在6N-9N的多晶硅，主要用于太阳能光伏晶体硅电池的生产，根据技术指标的差别，又可分为特级品、1级品、2级品和3级品。电子级多晶硅（EGS,ElectronicGradeSilicon）一般是指纯度在9N以上的多晶硅产品，主要应用于半导体硅片的生产，应用于电子电力上的硅材料纯度要求更高，需要达到11N以上，产品标准包括特级品、电子1级、电子2级、电子3级等四种类别。 （四）按掺入杂质类型分类 按照掺入杂质的差异，多晶硅又可分为P型料和N型料。P型料掺杂以受主杂质为主，主要是Ⅲ族元素，如硼、铝、镓等，P型料导电以空穴导电为主。N型料掺杂以施主杂质为主，主要是Ⅴ族元素，如磷、砷、锑等，N型料导电类型以电子导电为主。N型多晶硅的技术标准要求更高，虽然目前暂无国标对N型硅料进行规范定义，但产业内普遍认为，在拉晶环节N型硅料需至少满足电子2级的标准才能够实现多根单晶硅棒拉制。 二、国内多晶硅有两种生产工艺 多晶硅生产工艺复杂，有较高的技术壁垒。现阶段多晶硅生产工艺有改良西门子法、硅烷法、气液沉积法、流化床法、碳热还原法和熔盐电解法等。国内市场目前第一大主流工艺为改良西门子法，第二大主流工艺是以协鑫科技、江苏中能、天宏瑞科为代表的硅烷流化床法。 （一）改良西门子法 改良西门子法是将工业硅粉与盐酸在一定的条件下合成氯硅烷，之后通过精馏塔对氯硅 烷内的重组分及轻组分分别进行提纯，提纯后得到的高纯度三氯氢硅送至还原炉内，通过与氢气发生还原反应获得最终产物多晶硅。改良西门子法是目前我国多晶硅生产的主流工艺，通过加热将有害性的副产物四氯化硅与氢气进行反应，转化成三氯氢硅，实现了闭环生产，降低了原料消耗成本。改良西门子法技术相对成熟、设备易于操作。 改良西门子法的优点主要表现在以下方面：①原料可循环利用（包括氢气、三氯氢硅、氯化氢、四氯化硅），降低了原料消耗成本；②采用大直径、多对棒还原炉，可有效降低还原炉能耗，我国多晶硅还原炉的制造技术在能耗及产物沉积速率方面处于领先水平；③还原炉反应器呈钟罩式，这种设计更好地实现了产物的高沉积率；④出炉产品纯度高，可以高达9N，满足太阳能级多晶硅使用需求，纯度甚至可以达到11N，满足电子级多晶硅的使用需求。 改良西门子法仍有一些不足之处：①还原炉的电耗高，而多晶硅的生产成本很大一部分产生于此，因而需要设计更加节能的还原设备；②原料反应转化率低，如冷氢化过程中合成三氯氢硅，这增加了生产成本以及设备的损耗率；③多晶硅生产中三氯氢硅的合成以及转化过程中添加的盐酸具有毒性及腐蚀性，这对现场操作人员的安全防护、生产设备的材质都提出了更高的要求，且三氯氢硅的合成及转化过程存在反应不连续、电耗大、成本高。 图9：改良西门子法生产工艺流程 数据来源：银河期货、公开资料整理 （二）硅烷流化床法 流化床法采用的工业原料为冶金级硅粉（Si）、氢气（H2）、氯化氢（HCl）、四氯化硅（SiCl4），其主要反应过程分为四步：第一步，Si+H2+HCl+SiCl4→SiCl3；第二步，SiCl3+H2→SiH2Cl2；第三步，通过SiH2Cl2制备SiH4（硅烷气）；第四步，SiH4在流化床内发生分解反应，在反应器内预先放置的硅粉上不断沉积，形成粒状产物多晶硅。 相较于改良西门子法，流化床法的主要优点有：①可以连续生产（包括硅烷的连续进料、成品多晶硅的连续取出），生产效率提升；②所选用的晶种因比表面积大，因此产物沉积速度更快，缩短了反应时间，降低了反应成本；③生产出的多晶硅不需经过拆炉、破碎的过程，减少了工艺程序，提升了工作效率；④硅烷气的热分解产物为氢气，减少了对设备的腐蚀、磨损。但流化床法的缺点亦十分明显：①大量的硅沉积在反应器内的壁面上，降低了流化床的传热效率，甚至会诱发器壁的破裂，硅沉积严重时，需对装置进行停车清理，影响正常生产运行；②颗粒硅的生产危险性更高；③小颗粒的多晶硅更易受到污染，导致产品的性能受到影响。 图10：硅烷流化床法生产工艺流程 数据来源：银河期货、公开资料整理 三、多晶硅非硅成本逐年降低 得益于技术进步和上下游一体化布局，中国多晶非硅成本逐年降低。根据中国有色金属工业协会硅业分会数据，从2012年至2023年，中国多晶硅还原炉-单台年产量由120吨增加至800吨，综合能耗由32.5tce/kg降低至5.9tce/kg，电耗由170KWh/kg降低至58KWh/kg （CPIA数据为57KWh/kg）。多晶硅不同工艺、不同企业成本差异巨大。改良西门子法和硅烷流化床法在电耗方面具有较大差异，目前流化床法单吨电耗18000KWh左右，改良西门子法57000KWh左右。从龙头企业公布的成本来看，改良西门子法工艺中，通威股份成本控制能力较强，2023年工业硅平均成本4.2万元/吨以内；大全能源公告的现金成本4.27万元 /吨（估算完全成本约4.7