第一節(jié) 多晶硅的簡介

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，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，如這些晶核長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。（立項申請）

第二節(jié) 多晶硅的生產(chǎn)技術(shù)

多晶硅的生產(chǎn)技術(shù)主要為改良西門子法和硅烷法。西門子法通過氣相沉積的方式生產(chǎn)柱狀多晶硅，為了提高原料利用率和環(huán)境友好，在前者的基礎(chǔ)上采用了閉環(huán)式生產(chǎn)工藝即改良西門子法。該工藝將工業(yè)硅粉與HCl反應(yīng)，加工成SiHCl3 ，再讓SiHCl3在H2氣氛的還原爐中還原沉積得到多晶硅。還原爐排出的尾氣H2、SiHCl3、SiCl4、SiH2Cl2 和HCl經(jīng)過分離后再循環(huán)利用。硅烷法是將硅烷通入以多晶硅晶種作為流化顆粒的流化床中，使硅烷裂解并在晶種上沉積，從而得到顆粒狀多晶硅。改良西門子法和硅烷法主要生產(chǎn)電子級晶體硅，也可以生產(chǎn)太陽能級多晶硅。

西門子法

西門子法是由德國Siemens公司發(fā)明并于1954年申請了專利1965年左右實現(xiàn)了工業(yè)化。經(jīng)過幾十年的應(yīng)用和發(fā)展，西門子法不斷完善，先后出現(xiàn)了第一代、第二代和第三代，第三代多晶硅生產(chǎn)工藝即改良西門子法，它在第二代的基礎(chǔ)上增加了還原尾氣干法回收系統(tǒng)、SiCl4回收氫化工藝，實現(xiàn)了完全閉環(huán)生產(chǎn)，是西門子法生產(chǎn)高純多晶硅技術(shù)的最新技術(shù)，其具體工藝流程如圖1所示。硅在西門子法多晶硅生產(chǎn)流程內(nèi)部的循環(huán)利用。

硅烷法

硅烷法是將硅烷通入以多晶硅晶種作為流化顆粒的流化床中，是硅烷裂解并在晶種上沉積，從而得到顆粒狀多晶硅。因硅烷制備方法不同，有日本Komatsu發(fā)明的硅化鎂法，其具體流程如圖2所示、美國Union Carbide發(fā)明的歧化法、美國MEMC采用的NaAlH4與SiF4反應(yīng)方法。

硅化鎂法是用Mg2Si與NH4Cl在液氨中反應(yīng)生成硅烷。該法由于原料消耗量大，成本高，危險性大，而沒有推廣，現(xiàn)在只有日本Komatsu使用此法?，F(xiàn)代硅烷的制備采用歧化法，即以冶金級硅與SiCl4為原料合成硅烷，首先用SiCl4、Si和H2反應(yīng)生成SiHCl3 ，然后SiHCl3 歧化反應(yīng)生成SiH2Cl2，最后由SiH2Cl2 進(jìn)行催化歧化反應(yīng)生成SiH4 ，即：3SiCl4+ Si+ 2H2= 4SiHCl3，2SiHCl3= SiH2Cl2+ SiCl4，3SiH2Cl2=SiH4+ 2SiHCl3。由于上述每一步的轉(zhuǎn)換效率都比較低，所以物料需要多次循環(huán)，整個過程要反復(fù)加熱和冷卻，使得能耗比較高。制得的硅烷經(jīng)精餾提純后，通入類似西門子法固定床反應(yīng)器，在800℃下進(jìn)行熱分解，反應(yīng)如下：SiH4= Si+ 2H2。

硅烷氣體為有毒易燃性氣體，沸點(diǎn)低，反應(yīng)設(shè)備要密閉，并應(yīng)有防火、防凍、防爆等安全措施。硅烷又以它特有的自燃、爆炸性而著稱。硅烷有非常寬的自發(fā)著火范圍和極強(qiáng)的燃燒能量，決定了它是一種高危險性的氣體。硅烷應(yīng)用和推廣在很大程度上因其高危特性而受到限制在涉及硅烷的工程或?qū)嶒炛?，不?dāng)?shù)脑O(shè)計、操作或管理均會造成嚴(yán)重的事故甚至災(zāi)害。然而，實踐表明，過分的畏懼和不當(dāng)?shù)姆婪恫⒉荒芴峁?yīng)用硅烷的安全保障。因此，如何安全而有效地利用硅烷，一直是生產(chǎn)線和實驗室應(yīng)該高度關(guān)注的問題。

硅烷熱分解法與西門子法相比，其優(yōu)點(diǎn)主要在于：硅烷較易提純，含硅量較高（87.5%，分解速度快，分解率高達(dá)99%），分解溫度較低，生成的多晶硅的能耗僅為40 kW ·h/kg，且產(chǎn)品純度高。但是缺點(diǎn)也突出：硅烷不但制造成本較高，而且易燃、易爆、安全性差，國外曾發(fā)生過硅烷工廠強(qiáng)烈爆炸的事故。因此，工業(yè)生產(chǎn)中，硅烷熱分解法的應(yīng)用不及西門子法。改良西門子法目前雖擁有最大的市場份額，但因其技術(shù)的固有缺點(diǎn)—產(chǎn)率低，能耗高，成本高，資金投入大，資金回收慢等，經(jīng)營風(fēng)險也最大。只有通過引入等離子體增強(qiáng)、流化床等先進(jìn)技術(shù)，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，才有可能提高市場競爭能力。硅烷法的優(yōu)勢有利于為芯片產(chǎn)業(yè)服務(wù)，其生產(chǎn)安全性已逐步得到改進(jìn)，其生產(chǎn)規(guī)模可能會迅速擴(kuò)大，甚至取代改良西門子法。雖然改良西門子法應(yīng)用廣泛，但是硅烷法很有發(fā)展前途。與西門子方法相似，為了降低生產(chǎn)成本，流化床技術(shù)也被引入硅烷的熱分解過程，流化床分解爐可大大提高SiH4 的分解速率和Si的沉積速率。但是所得產(chǎn)品的純度不及固定床分解爐技術(shù)，但完全可以滿足太陽能級硅質(zhì)量要求，另外硅烷的安全性問題依然存在。

美國MEMC公司采用流化床技術(shù)實現(xiàn)了批量生產(chǎn)，其以NaAlH4 與SiF4 為原料制備硅烷，反應(yīng)式如下：

SiF4+NaAlH4=SiH4+NaAlF4。硅烷經(jīng)純化后在流化床式分解爐中進(jìn)行分解，反應(yīng)溫度為730℃左右，制得尺寸為1000微米的粒狀多晶硅。該法能耗低，粒狀多晶硅生產(chǎn)分解電耗為12kW·h/kg左右，約為改良西門子法的1/10，且一次轉(zhuǎn)化率高達(dá)98%，但是產(chǎn)物中存在大量微米尺度內(nèi)的粉塵，且粒狀多晶硅表面積大，易被污染，產(chǎn)品含氫量高，須進(jìn)行脫氫處理。

冶金法

冶金法制備太陽能級多晶硅（Solar Grade Silicon簡稱SOG—Si），是指以冶金級硅（MetallurgicalGrade Silicon簡稱MG-Si）為原料（98.5%~99.5%）。經(jīng)過冶金提純制得純度在99.9999%以上用于生產(chǎn)太陽能電池的多晶硅原料的方法。冶金法在為太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)服務(wù)上，存在成本低、能耗低、產(chǎn)出率高、投資門檻低等優(yōu)勢，通過發(fā)展新一代載能束高真空冶金技術(shù)，可使純度達(dá)到6N以上，并在若干年內(nèi)逐步發(fā)展成為太陽能級多晶硅的主流制備技術(shù)。

不同的冶金級硅含有的雜質(zhì)元素不同，但主要雜質(zhì)基本相同，主要包括Al、Fe、Ti、C、P、B等雜質(zhì)元素。而且針對不同的雜質(zhì)也 研究 了一些有效的去除方法。自從1975年Wacker公司用澆注法制備多晶硅材料以來，冶金法制備太陽能級多晶硅被認(rèn)為是一種有效降低生產(chǎn)成本、專門定位于太陽多級多晶硅的生產(chǎn)方法，可以滿足光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展需求。針對不同的雜質(zhì)性質(zhì)，制備太陽能級多晶硅的技術(shù)路線，如圖3所示。

第三節(jié) 多晶硅料 行業(yè) 產(chǎn)能及發(fā)展趨勢

一、多晶硅產(chǎn)能擴(kuò)張繼續(xù)，進(jìn)口替代空間大

我國多晶硅產(chǎn)業(yè)已具規(guī)模效應(yīng)。2016 年全年，我國多晶硅有效產(chǎn)能約 21 萬噸/年，產(chǎn)量達(dá)到 19.5 萬噸，同比大幅增長 15.4%，較 2014 年更是大幅增加 47.7%。分季度產(chǎn)量數(shù)據(jù)來看：1 季度產(chǎn)量 4.97 萬噸、2 季度產(chǎn)量 5.04 萬噸、3 季度產(chǎn)量 4.77 萬噸、4 季度產(chǎn)量 4.76 萬噸。國內(nèi)多晶硅產(chǎn)業(yè)的規(guī)模相對集中，2016 年位居前三位的江蘇中能、新特能源和洛陽中硅產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的 55.6%，年有效產(chǎn)能在萬噸以上的中能、新特、中硅、大全、永祥、亞硅、賽維等 7 家企業(yè)產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的 80.7%，這幾家企業(yè)在規(guī)模、技術(shù)、成本和質(zhì)量等各方面均已接近或代表了國際先進(jìn)水平。

多晶硅 行業(yè) 進(jìn)口替代空間仍大。相對于“硅片-電池-組件”產(chǎn)業(yè)鏈來說，國內(nèi)多晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對滯后，光伏 行業(yè) 發(fā)展前期，國內(nèi)多晶硅產(chǎn)量在全世界的占比不超過 10%，導(dǎo)致國內(nèi)光伏企業(yè)長期受制于海外硅料企業(yè)。后來，國內(nèi)企業(yè)開始逐漸布局多晶硅產(chǎn)能，國內(nèi)的多晶硅產(chǎn)量也不斷提高，2016 年，國內(nèi)多晶硅產(chǎn)量為 19.5 萬噸，在全世界多晶硅產(chǎn)量中占 50.3%。隨著近幾年國內(nèi)光伏 行業(yè) 的快速發(fā)展，中國多晶硅產(chǎn)量在世界總產(chǎn)量的份額在不斷增加。從 2013 年的 34%已經(jīng)提升到了 2016 年的 51%。預(yù)計未來中國市場份額將會進(jìn)一步提升，根據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會硅業(yè)分會統(tǒng)計，截止 2017 年 2 月底，國內(nèi)在產(chǎn)多晶硅企業(yè)為 17 家，有效產(chǎn)能共計 22 萬噸/年，較 2016 年底凈增 1 萬噸/年，主要來自新特能源、洛陽中硅等技術(shù)改造擴(kuò)產(chǎn)和優(yōu)化產(chǎn)能釋放。根據(jù)其他多晶硅生產(chǎn)企業(yè)的擴(kuò)產(chǎn)進(jìn)度來看，預(yù)計截止 2017 年中，國內(nèi)多晶硅年產(chǎn)能將達(dá)到 25 萬噸/年左右。

雖然我國多晶硅產(chǎn)量不斷增加，但是多晶硅進(jìn)口量依舊居高不下。據(jù) 海關(guān)數(shù)據(jù) 統(tǒng)計，2016 年全年累計進(jìn)口多晶硅達(dá)到 141022噸，同比大幅增加 20.6%。月均進(jìn)口量超過萬噸，其中 12 月份多晶硅進(jìn)口量創(chuàng)歷史最高紀(jì)錄，達(dá)到 14449 噸，環(huán)比增加 6.4%，同比增長 38.3%。雖然國內(nèi)多晶硅產(chǎn)量在國內(nèi)多晶硅消費(fèi)量中的占比逐漸提高，但是相對于光伏產(chǎn)業(yè)鏈上的其他環(huán)節(jié)，多晶硅的進(jìn)口替代空間較大。隨著國內(nèi)光伏 行業(yè) 的持續(xù)發(fā)展，國內(nèi)多晶硅料生產(chǎn)企業(yè)與國外企業(yè)在技術(shù)上以及成本上的差距將會逐漸減小，未來多晶硅料的自給率將會不斷提高。

二、改良西門子法占主流，未來流化床法值得關(guān)注

目前生產(chǎn)多晶硅的主要方法是改良西門子法，原理是在 1100℃左右的高純硅芯上用高純氫還原高純?nèi)葰涔?，生成多晶硅沉積在硅芯上。改良西門子法，顧名思義，就是在傳統(tǒng)的西門子法上進(jìn)行的改進(jìn)，與傳統(tǒng)的西門子法相比，改良西門子法在生產(chǎn)過程中能耗較少，減少污染，同時還可以回收利用生產(chǎn)過程中伴隨產(chǎn)生的大量氫氣、氯化氫、氯化硅等副產(chǎn)品。改良西門子法是目前生產(chǎn)多晶硅最為成熟、最可靠、投產(chǎn)速度最快的工藝，其他工藝很難在短期內(nèi)取代其地位。

隨著我國光伏 行業(yè) 的發(fā)展，生產(chǎn)多晶硅的成本在不斷下降。能耗指標(biāo)是影響多晶硅成本的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，2007 年，我國采用改良西門子法生產(chǎn)多晶硅電耗為每公斤 180 多度，目前已經(jīng)降到了 60 度以下，能耗降到了 行業(yè) 起步時的三分之一以下。

不過雖說目前改良西門子法占據(jù)了大部分的市場份額，但是該工藝已經(jīng)幾乎將物耗、生產(chǎn)效率等方面的優(yōu)化做到了極致，在沒有突破性發(fā)展的前提下，生產(chǎn)成本的降低已經(jīng)進(jìn)入了瓶頸期。面對這種局面，流化床法多晶硅制造工藝將會被各大企業(yè)所關(guān)注，希望能從新的方法上入手，尋求進(jìn)一步的降本空間。

流化床法是以硅烷或氯硅烷作為硅源氣、以氫氣作為載氣，通過化學(xué)氣相沉積反應(yīng)，在流化床反應(yīng)器內(nèi)預(yù)先放置的硅籽晶上進(jìn)行生長；隨著生產(chǎn)進(jìn)行，從流化床底部不斷排出長大的顆粒硅產(chǎn)品，同時從頂部添加適量的硅籽晶，單次持續(xù)運(yùn)行時間可長達(dá)幾千小時?，F(xiàn)有的工業(yè)實踐表明，與改良西門子法相比，流化床反應(yīng)器的生產(chǎn)能耗極低，床內(nèi)大量運(yùn)動顆粒提供的充足反應(yīng)面積可以獲得很高的沉積效率，能夠連續(xù)化運(yùn)行的生產(chǎn)模式對于提高生產(chǎn)效率十分有利，同時顆粒狀產(chǎn)品利于下游使用，在多晶鑄錠環(huán)節(jié)或單晶拉制環(huán)節(jié)中，相比于塊狀硅能夠提高裝料量 30~40% ，可以顯著降低硅片制造成本。

隨著企業(yè)的關(guān)注與資金投入的不斷增加，流化床法有望在未來占據(jù)一定的市場份額。根據(jù) 2017 年 2 月發(fā)布的《中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖》預(yù)測，到 2025 年，流化床法在多晶硅生產(chǎn)技術(shù)市場占比有望達(dá)到 10%。

第四節(jié) 多晶硅 行業(yè) 發(fā)展現(xiàn)狀及未來需求預(yù)測

多晶硅料全球需求穩(wěn)定，進(jìn)口替代空間較大。在全球裝機(jī)持續(xù)增長的背景下，硅耗量較低的金剛線切割單多晶占比逐年提升，在此背景下，未來幾年多晶硅需求將維持穩(wěn)定并略有增長。

我國進(jìn)口多晶硅料占比約40%。多晶硅進(jìn)口結(jié)構(gòu)中，韓國的多晶進(jìn)口硅料占比巨大，美國多晶硅料的進(jìn)口額在逐漸下降。這主要是由于我國對于美國多晶硅企業(yè)的“雙反”稅率超過50%，使得其喪失價格競爭優(yōu)勢，而我國對于韓國的主要出口企業(yè)OCI和韓國硅業(yè)的稅率僅為象征性的2.4%、2.8%，且全球最大的多晶硅供應(yīng)商德國wacker反傾銷稅率為平均水平14.3%，這使得韓國的多晶硅料有相對競爭力，長時間以遠(yuǎn)低于其生產(chǎn)成本的價格繼續(xù)向中國傾銷。

針對韓國“反傾銷”復(fù)查案已出臺，提高韓企硅料稅率。韓國主要多晶硅企業(yè)OCI的年報顯示，在商務(wù)部采取反傾銷措施之后，韓國企業(yè)仍然以遠(yuǎn)低于其生產(chǎn)成本的價格繼續(xù)向中國傾銷，實際傾銷幅度大幅高于現(xiàn)有反傾銷稅稅率。2017年11月21日復(fù)查結(jié)果出臺，相比原稅率OCI稅率由2.4%上調(diào)至4.4%，韓國硅業(yè)(Hankook)稅率由2.8%上調(diào)至9.5%，韓華化學(xué)稅率由12.3%下調(diào)至8.9%，其余企業(yè)的反傾銷稅率上調(diào)較多，新稅率從88.7%至113.8%不等。本次期中復(fù)審結(jié)果基本符合調(diào)整預(yù)期，后市多晶硅價也進(jìn)一步得以支撐，利好國內(nèi)低成本多晶硅企業(yè)。

國內(nèi)多晶硅企業(yè)成本顯著低于國外。根據(jù)統(tǒng)計，2017年上半年Wacker、保利協(xié)鑫、新特、大全、永祥的生產(chǎn)成本分別在86.1、70.9、62.1、58.3、57元/kg。當(dāng)前國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)成本已遠(yuǎn)低于OCI等國外企業(yè)，即在反傾銷稅率無需大幅上調(diào)的情況下，中國多晶硅企業(yè)競爭優(yōu)勢已然優(yōu)于國外多晶硅企業(yè)。

中國多晶硅產(chǎn)能擴(kuò)展迅速，2018年處產(chǎn)能爬坡階段。中國多晶硅企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)速度加快，2016年全國多晶硅產(chǎn)能達(dá)20.8萬噸，17、18年全年將分別新增名義產(chǎn)能8.4、9.0萬噸。但未來兩年內(nèi)，國內(nèi)多晶硅產(chǎn)能仍不能完全滿足國內(nèi)需求：

根據(jù)各多晶硅廠家擴(kuò)產(chǎn) 規(guī)劃 ，即使在完全無計劃推延、擱淺的情況下， 行業(yè) 內(nèi)絕大產(chǎn)能將在2018年的年底才能建成，至2018年 行業(yè) 仍處在產(chǎn)能爬坡階段；另外，東方希望作為 行業(yè) 新晉玩家，除了生產(chǎn)成本及技術(shù)需要時間沉淀外，若欲得到下游硅片企業(yè)的批量采購，還需要經(jīng)過長時間產(chǎn)品送樣檢驗期。我們判斷，在產(chǎn)能爬坡、新晉玩家與 行業(yè) 磨合的雙重影響下，國內(nèi)多晶硅產(chǎn)能釋放將低于一致預(yù)期，在2018年全球多晶硅需求量穩(wěn)定的條件下，中國多晶硅價格仍將維持高位。

美國Wacker停產(chǎn)，多晶硅價得以支撐。2017年9月7日，美國Wacker因爆炸事故年產(chǎn)能2萬噸多晶硅基地停產(chǎn)，雖其直接供應(yīng)國內(nèi)比例應(yīng)該較低，但停產(chǎn)后率先影響中國外圍市場，并間接影響中國多晶硅市場供需和價格，截至11月初，國內(nèi)主流多晶硅廠家出廠價已上升至139.00元每公斤。待2019年產(chǎn)能釋放后，多晶硅料價格或?qū)⒒芈洌I(lǐng)先企業(yè)的成本也同期降低，未來兩年 行業(yè) 成本領(lǐng)先企業(yè)將維持較高毛利水平。

電池產(chǎn)能集中于中國，提效降本為 行業(yè) 永恒主題曲。電池 行業(yè) 集中度相對較低，提效降本為 行業(yè) 主旋律：2016年全球電池產(chǎn)能95GW，前十的企業(yè)產(chǎn)能39GW，市占率僅為41.05%，為光伏產(chǎn)業(yè)鏈中市場集中度最低環(huán)節(jié)，對應(yīng)的電池 行業(yè) 龍頭可達(dá)到的最高毛利率22.12%，為全產(chǎn)業(yè)鏈毛利最低環(huán)節(jié)，所以降低生產(chǎn)成本可以為電池企業(yè)帶來的收益也將最為顯著。同時，電池是決定光伏組件轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵，提高轉(zhuǎn)換效率是光伏發(fā)電平價上網(wǎng)的重要途徑，我們判斷在目前 行業(yè) 分散的格局下，率先成功提效降本、保持領(lǐng)先優(yōu)勢的企業(yè)擁有最大概率成長為 行業(yè) 龍頭。

BSF電池仍占據(jù)大部分市場份額，高效電池中僅有PERC電池實現(xiàn)量化大規(guī)模生產(chǎn)。目前，傳統(tǒng)BSF型電池（轉(zhuǎn)換效率18.5-19.8%）仍為市場主流，高效電池雖然技術(shù)路線十分豐富，但是僅有PERC電池近年的投資成本降低最快，該技術(shù)可用于單晶硅片（轉(zhuǎn)換效率21.2%）和黑硅多晶硅片（轉(zhuǎn)換效率19.7%），主流電池廠商都已經(jīng)擁有PERC電池的產(chǎn)能或者正在 規(guī)劃 中。據(jù)統(tǒng)計，截至2016年底PERC產(chǎn)線全球裝機(jī)量約為13.4GW，實際產(chǎn)量在7.9GW，到2017年底將達(dá)到20GW的名義裝機(jī)容量，17年P(guān)ERC電池的實際產(chǎn)量預(yù)計將達(dá)到14GW。而其他高效晶硅電池IBC（轉(zhuǎn)換效率22.0%）、HJT（轉(zhuǎn)換效率23.3%）或在實驗室階段，或未實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

電池 行業(yè) 當(dāng)前需尋找成本領(lǐng)先標(biāo)的。目前國內(nèi)企業(yè)技術(shù)差異小，且尚未達(dá)到高效電池技術(shù)的最前沿，國外雖部分企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)IBC、HJT等高效電池的小部分量產(chǎn)，但由于設(shè)備門檻高，投資重，還未實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。在技術(shù)無明顯差異的情況下及新技術(shù)無法實現(xiàn)平民化生產(chǎn)的條件下，企業(yè)若能通過對生產(chǎn)過程控制與管理做到生產(chǎn)成本的降低，并遠(yuǎn)低于 行業(yè) 水平，制勝成本控制，實現(xiàn) 行業(yè) 領(lǐng)先利潤率，在規(guī)模生產(chǎn)的基礎(chǔ)上則最有可能成長為 行業(yè) 龍頭。

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