2015～2022年我國(guó)多晶硅進(jìn)出口情況（單位：萬噸）
多晶硅是一種重要的硅材料，被廣泛用于半導(dǎo)體制造、太陽能電池板等領(lǐng)域。硅具有儲(chǔ)量大、能隙較大等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)代人工智能、自動(dòng)控制、信息處理、光電轉(zhuǎn)換等廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體產(chǎn)品的基礎(chǔ)材料。
光伏是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，是一種利用太陽能電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的新型發(fā)電系統(tǒng)。近年來，光伏發(fā)電成本已低于風(fēng)電、天然氣發(fā)電，在部分國(guó)家和地區(qū)甚至低于火電成本，成為最具競(jìng)爭(zhēng)力的電力產(chǎn)品。在“雙碳”目標(biāo)下，傳統(tǒng)能源企業(yè)面臨著環(huán)保和轉(zhuǎn)型壓力，要想實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保、綠色發(fā)展，必須逐漸加大在新能源領(lǐng)域的布局力度和投入。多晶硅作為光伏硅片生產(chǎn)的重要原料，對(duì)能源轉(zhuǎn)換效率有著重要影響。本文從多晶硅產(chǎn)業(yè)切入，介紹多晶硅技術(shù)、市場(chǎng)和行業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)，敬請(qǐng)關(guān)注。
從產(chǎn)業(yè)鏈來看，多晶硅上游為工業(yè)硅，中游為多晶硅的生產(chǎn)制備，下游為硅片制造中的多晶鑄錠與單晶拉棒。多晶硅產(chǎn)業(yè)緊密連接上下游，是光伏產(chǎn)業(yè)鏈最重要的環(huán)節(jié)之一，多晶硅也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈重要的原材料。
2022年以前，多晶硅市場(chǎng)供不應(yīng)求，國(guó)內(nèi)多晶硅新增產(chǎn)能加快建設(shè)，2022年末多晶硅供應(yīng)出現(xiàn)過剩現(xiàn)象，價(jià)格“拐點(diǎn)”到來，2023～2024年，延續(xù)供應(yīng)過剩局面。在供給壓力逐步增加背景下，行業(yè)進(jìn)入洗牌階段。
多晶硅生產(chǎn)制備主要工藝
多晶硅生產(chǎn)制備的主要工藝方法可以劃分為兩大類：一是以化學(xué)提純?yōu)榛A(chǔ)的西門子法、流化床法；二是以冶金提純?yōu)榛A(chǔ)的物理法。化學(xué)法是生產(chǎn)多晶硅的主流工藝技術(shù)。在化學(xué)法生產(chǎn)中，主流的多晶硅生產(chǎn)技術(shù)主要有改良西門子法（Siemens）和硅烷流化床法（FBR）。
西門子法由德國(guó)西門子公司在1955年率先使用，西門子公司以氫氣（H2）還原高純度三氯氫硅（SiHCl3，簡(jiǎn)稱TCS），在1100攝氏度硅芯/硅棒表面沉積出多晶硅。西門子法的核心環(huán)節(jié)在于化學(xué)沉積工藝（CVD），在CVD爐中，首先將發(fā)熱體（一般為硅芯）加熱到一定溫度，然后將預(yù)熱后的高純?cè)蠚怏w按一定配比注入CVD爐，之后產(chǎn)生的高純硅會(huì)沉積在發(fā)熱體上。
在過去幾十年，業(yè)界對(duì)西門子法不斷改進(jìn)，技術(shù)工藝經(jīng)歷了三代演變，目前業(yè)界所使用的改良西門子法就是第三代西門子法。改良西門子法（Siemens）又稱閉環(huán)西門子法，包括TCS合成（用氯氣和氫氣合成氯化氫，氯化氫與工業(yè)硅粉在一定溫度下生成三氯氫硅）、TCS提純（對(duì)三氯氫硅進(jìn)行分離精餾提純）、TCS氫還原（提純后的三氯氫硅在還原爐內(nèi)進(jìn)行化學(xué)氣相沉積反應(yīng)生產(chǎn)高純多晶硅，在1100攝氏度硅芯表面沉積生長(zhǎng)成多晶硅棒）、四氯化硅（SiCl4，簡(jiǎn)稱STC）的氫化分離和反應(yīng)尾氣的干法回收等步驟。
流化床法的基本原理是，原料氣體入口在底部，氣體像氣流一樣從流化床反應(yīng)器底部注入反應(yīng)器后上升至中間加熱區(qū)，在加熱區(qū)氣體原料分解為固體硅顆粒；從底部不斷進(jìn)入的氣體流速會(huì)使硅籽晶處于懸浮狀態(tài)，硅沉積在硅籽晶上不斷生長(zhǎng)成硅顆粒，懸浮的顆粒會(huì)不斷外延生長(zhǎng)，當(dāng)達(dá)到足夠重量時(shí)，顆粒硅會(huì)沉降到反應(yīng)器底部排出；反應(yīng)的副產(chǎn)物會(huì)從頂部管路排出；最終的多晶硅產(chǎn)物為顆粒硅。
硅烷流化床法包括制成三氯氫硅（以四氯化硅、氫、冶金硅、氯化氫為原料在流化床高溫高壓下氫化生成三氯氫硅）、三氯氫硅制成硅烷（再加氫反應(yīng)生成二氯氫硅，之后生成硅烷氣）、形成顆粒硅[硅烷氣通入流化床反應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行熱分解（500～700攝氏度）并沉積在硅籽晶（載體）表面形成顆粒硅]。
流化床法的主要原料是硅烷或氯硅烷，但相較其他氯硅烷，硅烷能在更低的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，同時(shí)硅烷的提純也更容易，所以在長(zhǎng)期的工業(yè)實(shí)踐中，硅烷流化床法的技術(shù)已經(jīng)越來越成熟。據(jù)《當(dāng)代多晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述》，硅烷流化床法的沉積溫度在650～800攝氏度，轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到95%以上。硅烷流化床法也存在一些缺點(diǎn)，例如生成的產(chǎn)品純度不高、內(nèi)壁容易沉積硅粉等。
產(chǎn)能增速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出需求增速
供應(yīng)方面，我國(guó)占據(jù)主導(dǎo)地位。近年來，光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，受終端光伏裝機(jī)需求驅(qū)動(dòng)，多晶硅市場(chǎng)供不應(yīng)求加劇，國(guó)內(nèi)多晶硅新增產(chǎn)能加快建設(shè)。2022年，我國(guó)多晶硅產(chǎn)能增長(zhǎng)至103.8萬噸/年；多晶硅產(chǎn)量約77.1萬噸，占全球總產(chǎn)量的85%。由于我國(guó)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)在原材料、電力及人工成本方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)成本進(jìn)一步下降并在一定程度上替代進(jìn)口，同時(shí)下游硅片制造產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展、支撐需求，我國(guó)在全球多晶硅產(chǎn)業(yè)的重心地位逐漸加強(qiáng)。
分企業(yè)看，我國(guó)多晶硅產(chǎn)能集中度較高，行業(yè)中企業(yè)前五產(chǎn)能占比將近80%。分地區(qū)看，我國(guó)多晶硅生產(chǎn)主要集中于新疆、內(nèi)蒙古、四川等電力資源豐富的地區(qū)。分技術(shù)路線和產(chǎn)品看，我國(guó)多晶硅生產(chǎn)技術(shù)以改良西門子法為主，主要生產(chǎn)棒狀硅；協(xié)鑫科技通過收購(gòu)美國(guó)SunEdison的FBR專利及技術(shù)團(tuán)隊(duì)，已成功實(shí)現(xiàn)顆粒硅商業(yè)化量產(chǎn)，填補(bǔ)我國(guó)顆粒硅市場(chǎng)空白。目前，協(xié)鑫顆粒硅產(chǎn)能達(dá)20萬噸/年，引領(lǐng)我國(guó)顆粒硅市場(chǎng)方向。
進(jìn)出口方面，由于多晶硅主要下游光伏電池和組件生產(chǎn)集中在我國(guó)，多晶硅需求量大，我國(guó)多晶硅以進(jìn)口為主。2022年，我國(guó)進(jìn)口多晶硅8.8萬噸，主要來自德國(guó)、馬來西亞、日本和中國(guó)臺(tái)灣，德國(guó)瓦克公司是世界多晶硅巨頭，而馬來西亞是韓國(guó)OCI公司的重要生產(chǎn)基地。隨著我國(guó)多晶硅新產(chǎn)能投產(chǎn)和放量，多晶硅自給率逐步提升，擠出了一部分進(jìn)口。
需求方面，多晶硅的直接下游是太陽能及電子級(jí)硅片制造。隨著光伏產(chǎn)業(yè)景氣度不斷提高，多晶硅消費(fèi)量實(shí)現(xiàn)了快速增長(zhǎng)。2022年，我國(guó)多晶硅表觀需求量約84.8萬噸，主要集中于光伏市場(chǎng)。
據(jù)中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)（CPIA）數(shù)據(jù)，2022年，全球光伏新增裝機(jī)容量191.5吉瓦，其中增量主要來自亞洲地區(qū)，占新增裝機(jī)總?cè)萘康?8.5%。2022年，我國(guó)光伏新增裝機(jī)容量87.4吉瓦，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)392.6吉瓦，其中，集中式光伏新增裝機(jī)容量36.3吉瓦，比上年增長(zhǎng)41.8%；分布式光伏新增裝機(jī)容量51.1吉瓦，比上年增長(zhǎng)74.5%。2017～2022年光伏裝機(jī)容量年均增速24.6%。預(yù)計(jì)“十四五”期間，國(guó)內(nèi)光伏裝機(jī)容量年均增長(zhǎng)94吉瓦，2025年光伏累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)720吉瓦；2025～2030年，年均光伏新增裝機(jī)容量將在120吉瓦左右。
除制作光伏電池外，多晶硅還可作為制造芯片的原材料，應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域，具體可細(xì)分為汽車制造、工業(yè)電子、電子通信、家電等領(lǐng)域。2022年，全球半導(dǎo)體硅片出貨量為147.1億平方英寸，比上年增長(zhǎng)3.9%。與國(guó)際主要半導(dǎo)體硅片供應(yīng)商相比，我國(guó)半導(dǎo)體硅片生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)較為薄弱，占市場(chǎng)份額較小，技術(shù)工藝水平及良品率控制等與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍有顯著差距。2022年，我國(guó)半導(dǎo)體硅片產(chǎn)量約6800萬片，隨著半導(dǎo)體領(lǐng)域新增產(chǎn)能投產(chǎn)爬坡，預(yù)計(jì)未來我國(guó)電子級(jí)硅料需求量持續(xù)增長(zhǎng)。
據(jù)CPIA數(shù)據(jù)，2022年我國(guó)晶硅電池片產(chǎn)量約318吉瓦，我國(guó)多晶硅實(shí)際需求量約82.7萬噸，主要集中于光伏領(lǐng)域。在“雙碳”戰(zhàn)略及“新型電力系統(tǒng)”相關(guān)政策推動(dòng)下，光伏行業(yè)將繼續(xù)帶動(dòng)我國(guó)多晶硅需求增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2025年，我國(guó)多晶硅需求將以年均11.3%的增速增至114萬噸。但是就現(xiàn)有公開項(xiàng)目計(jì)算，產(chǎn)能增速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出需求增速，預(yù)計(jì)2022年～2025年年均產(chǎn)能增速為58%，考慮到供應(yīng)過剩局面，市場(chǎng)洗牌后，實(shí)際投放產(chǎn)能和達(dá)產(chǎn)產(chǎn)能年均增速或?qū)⒃?5%。
產(chǎn)品價(jià)格承壓加大
多晶硅的價(jià)格與成本、供需基本面密切相關(guān)。多晶硅主要成本來自上游工業(yè)硅，由于工業(yè)硅生產(chǎn)的主要省份是新疆、云南及四川，其中云南及四川地區(qū)是以水電為主的發(fā)電結(jié)構(gòu)，其電力供應(yīng)具有明顯的季節(jié)特征，因此工業(yè)硅價(jià)格在年內(nèi)存在一定周期性。從基本面來看，多晶硅產(chǎn)能建設(shè)周期及爬坡周期較長(zhǎng)，產(chǎn)能放量至達(dá)產(chǎn)需要時(shí)間。
2022年，光伏行業(yè)快速發(fā)展，多晶硅整體處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，疊加下半年硅料企業(yè)失火、部分地區(qū)限電、新疆疫情等因素，市場(chǎng)情緒緊張，基本面支持價(jià)格走高。
2022年雖然有大量多晶硅新增產(chǎn)能，但產(chǎn)能爬坡過程拖累整體產(chǎn)能利用率的提升。2022年底，隨著新增產(chǎn)能逐漸爬坡達(dá)產(chǎn)，多晶硅供應(yīng)顯著增加，而下游完成備貨后采購(gòu)情緒不高，疊加供應(yīng)鏈下游硅片、電池片等環(huán)節(jié)累庫，傳導(dǎo)至上游多晶硅報(bào)價(jià)滑坡，價(jià)格出現(xiàn)“拐點(diǎn)”。2023年2月中旬以前，企業(yè)捂價(jià)出售，導(dǎo)致多晶硅價(jià)格、庫存呈現(xiàn)雙雙上升的趨勢(shì)，此后硅料庫存在承受近一個(gè)月的壓力后，硅料企業(yè)競(jìng)相出貨，帶動(dòng)多晶硅價(jià)格一路下跌，預(yù)計(jì)2024年硅料價(jià)格再度反彈的可能性不大。供給側(cè)壓力逐步增加的背景下，行業(yè)將進(jìn)入洗牌階段。
企業(yè)應(yīng)加大研發(fā)力度、合理布局產(chǎn)能
多晶硅向上承接工業(yè)硅，同時(shí)位于整條光伏及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的上游，地位十分重要。近年來，全球多晶硅產(chǎn)量逐年增加，且逐漸向我國(guó)聚集。我國(guó)多晶硅需求主要集中在光伏領(lǐng)域，而我國(guó)又是全球最主要的組件出口國(guó)，未來隨著全球光伏裝機(jī)容量擴(kuò)張，我國(guó)多晶硅需求持續(xù)向好。但是多晶硅屬于高資金、高技術(shù)壁壘的行業(yè)，項(xiàng)目建設(shè)、投產(chǎn)周期通常在兩年及以上，產(chǎn)能對(duì)市場(chǎng)的影響往往滯后于投產(chǎn)計(jì)劃，從而容易產(chǎn)生對(duì)市場(chǎng)的認(rèn)知偏差，造成密集達(dá)產(chǎn)、價(jià)格下滑、利潤(rùn)走低。目前，我國(guó)多晶硅市場(chǎng)已處于相對(duì)平衡狀態(tài)，對(duì)比目前對(duì)光伏新增裝機(jī)容量的預(yù)測(cè)和硅料、硅片投產(chǎn)計(jì)劃，未來硅料可能走向過剩。同時(shí)，我國(guó)半導(dǎo)體級(jí)多晶硅技術(shù)亟待突破，企業(yè)應(yīng)加大研發(fā)力度、合理布局產(chǎn)能，避免行業(yè)“內(nèi)卷”，推動(dòng)行業(yè)向高技術(shù)、高價(jià)值、高端應(yīng)用發(fā)展。（作者來自中國(guó)石化經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院市場(chǎng)所）
多晶硅簡(jiǎn)介
硅元素有晶態(tài)和非晶態(tài)兩種同素異形體，其中晶態(tài)硅又可分為多晶硅和單晶硅。多晶硅是銀灰色、有金屬色澤的晶體，是以工業(yè)硅為原料，經(jīng)一系列的物理化學(xué)反應(yīng)提純后達(dá)到一定純度的非金屬材料。多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)，熔融的單質(zhì)硅在過冷條件下凝固時(shí)，硅原子以晶格形態(tài)排列成晶核，如這些晶核長(zhǎng)成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結(jié)合起來，就結(jié)晶成多晶硅。多晶硅料是生產(chǎn)多晶硅片和單晶硅片的直接材料。
硅的主要評(píng)判指標(biāo)是純度。多晶硅是自然界中純度最高的物質(zhì)之一，其純度表征以主體物質(zhì)的含量多少來表示，即純度=（總質(zhì)量-雜質(zhì)質(zhì)量）/總質(zhì)量×100%，通常用“N個(gè)9”來表示，例如6N代表99.9999%。根據(jù)純度的不同，多晶硅通常可以分為工業(yè)/金屬硅、冶金級(jí)（MG-Si）、太陽能級(jí)（SoG-si）、電子級(jí)（SEG-si）。
太陽能級(jí)多晶硅（SGS，Solar Grade Silicon），是指純度在6N-9N（99.9999%～99.9999999%）的多晶硅，主要用于太陽能光伏晶體硅電池的生產(chǎn)，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的差別，又可分為特級(jí)品、1級(jí)品、2級(jí)品和3級(jí)品。
依據(jù)硅料的結(jié)構(gòu)、表面致密程度和表面質(zhì)量可將太陽能級(jí)多晶硅料分為致密料、菜花料、珊瑚料和顆粒料等。致密料是指表面顆粒凹陷深度小于5毫米，斷面結(jié)構(gòu)致密，外觀無異常顏色，無氧化夾層；菜花料指表面顆粒凹陷深度5毫米～20毫米，外觀無異常顏色，無氧化夾層；珊瑚料指斷面結(jié)構(gòu)疏松，凹陷深度≥20毫米，外觀無異常顏色，無氧化夾層。
電子級(jí)多晶硅（EGS，Electronic Grade Silicon）一般是指純度在9N以上的多晶硅產(chǎn)品，主要應(yīng)用于半導(dǎo)體硅片的生產(chǎn)，應(yīng)用于電子電力上的硅材料對(duì)純度要求更高，需要達(dá)到11N以上。
