多晶硅行业将进入洗牌阶段

  多晶硅是一种重要的硅材料，被大范围的使用在半导体制造、太阳能电池板等领域。硅具有储量大、能隙较大等优势，是当代人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等大范围的应用的半导体产品的基础材料。

  光伏是太阳能光伏发电系统的简称，是一种利用太阳能电池半导体材料的光伏效应将太阳光辐射能直接转换为电能的新型发电系统。近年来，光伏发电成本已低于风电、天然气发电，在部分国家和地区甚至低于火电成本，成为最具竞争力的电力产品。在“双碳”目标下，传统能源企业面临着环保和转型压力，要想实现低碳环保、绿色发展，必须逐渐加大在新能源领域的布局力度和投入。多晶硅作为光伏硅片生产的重要原料，对能源转换效率有着重要影响。本文从多晶硅产业切入，介绍多晶硅技术、市场和行业发展形态趋势，敬请关注。

  从产业链来看，多晶硅上游为工业硅，中游为多晶硅的生产制备，下游为硅片制造中的多晶铸锭与单晶拉棒。多晶硅产业紧密连接上下游，是光伏产业链最重要的环节之一，多晶硅也是半导体产业链重要的原材料。

  2022年以前，多晶硅市场供不应求，国内多晶硅新增产能加快建设，2022年末多晶硅供应出现过剩现象，价格“拐点”到来，2023~2024年，延续供应过剩局面。在供给压力逐步增加背景下，行业进入洗牌阶段。

  多晶硅生产制备的主要工艺办法能够划分为两大类：一是以化学提纯为基础的西门子法、流化床法；二是以冶金提纯为基础的物理法。化学法是生产多晶硅的主流工艺技术。在化学法生产中，主流的多晶硅生产技术主要有改良西门子法（Siemens）和硅烷流化床法（FBR）。

  西门子法由德国西门子公司在1955年率先使用，西门子公司以氢气（H2）还原高纯度三氯氢硅（SiHCl3，简称TCS），在1100摄氏度硅芯/硅棒表面沉积出多晶硅。西门子法的核心环节在于化学沉积工艺（CVD），在CVD炉中，首先将发热体（一般为硅芯）加热到一定温度，然后将预热后的高纯原料气体按一定配比注入CVD炉，之后产生的高纯硅会沉积在发热体上。

  在过去几十年，业界对西门子法一直在改进，技术工艺经历了三代演变，目前业界所使用的改良西门子法就是第三代西门子法。改良西门子法（Siemens）又称闭环西门子法，包括TCS合成（用氯气和氢气合成氯化氢，氯化氢与工业硅粉在一定温度下生成三氯氢硅）、TCS提纯（对三氯氢硅进行分离精馏提纯）、TCS氢还原（提纯后的三氯氢硅在还原炉内进行化学气相沉积反应生产高纯多晶硅，在1100摄氏度硅芯表面沉积生长成多晶硅棒）、四氯化硅（SiCl4，简称STC）的氢化分离和反应尾气的干法回收等步骤。

  流化床法的基础原理是，原料气体入口在底部，气体像气流一样从流化床反应器底部注入反应器后上升至中间加热区，在加热区气体原料分解为固体硅颗粒；从底部不断进入的气体流速会使硅籽晶处于悬浮状态，硅沉积在硅籽晶上不断生长成硅颗粒，悬浮的颗粒会不断外延生长，当达到足够重量时，颗粒硅会沉降到反应器底部排出；反应的副产物会从顶部管路排出；最终的多晶硅产物为颗粒硅。

  硅烷流化床法包括制成三氯氢硅（以四氯化硅、氢、冶金硅、氯化氢为原料在流化床高温度高压力下氢化生成三氯氢硅）、三氯氢硅制成硅烷（再加氢反应生成二氯氢硅，之后生成硅烷气）、形成颗粒硅[硅烷气通入流化床反应炉内进行热分解（500~700摄氏度）并沉积在硅籽晶（载体）表明产生颗粒硅]。

  流化床法的主要的组成原材料是硅烷或氯硅烷，但相较其他氯硅烷，硅烷能在更低的温度下进行反应，同时硅烷的提纯也更容易，所以在长期的工业实践中，硅烷流化床法的技术已越来越成熟。据《当代多晶硅产业高质量发展概述》，硅烷流化床法的沉积温度在650~800摄氏度，转换效率能够达到95%以上。硅烷流化床法也存在一些缺点，例如生成的产品纯度不高、内壁容易沉积硅粉等。

  供应方面，我国占据主导地位。近年来，光伏产业加快速度进行发展，受终端光伏装机需求驱动，多晶硅市场供不应求加剧，国内多晶硅新增产能加快建设。2022年，我国多晶硅产能增长至103.8万吨/年；多晶硅产量约77.1万吨，占全球总产量的85%。由于我国多晶硅生产企业在原材料、电力及人力成本方面具备显著优势，技术进步推动成本进一步下降并在某些特定的程度上替代进口，同时下游硅片制造产业加快速度进行发展、支撑需求，我国在全球多晶硅产业的重心地位逐渐加强。

  分企业看，我国多晶硅产能集中度较高，行业中企业前五产能占比将近80%。分地区看，我国多晶硅生产主要集中于新疆、内蒙古、四川等电力资源丰富的地区。分技术路线和产品看，我国多晶硅生产技术以改良西门子法为主，主要生产棒状硅；协鑫科技通过收购美国SunEdison的FBR专利及技术团队，已成功实现颗粒硅商业化量产，填补我国颗粒硅市场空白。目前，协鑫颗粒硅产能达20万吨/年，引领我国颗粒硅市场方向。

  进出口方面，由于多晶硅主要下游光伏电池和组件生产集中在我国，多晶硅需求量大，我国多晶硅以进口为主。2022年，我国进口多晶硅8.8万吨，大多数来源于德国、马来西亚、日本和中国台湾，德国瓦克公司是世界多晶硅巨头，而马来西亚是韩国OCI公司的重要生产基地。随着我们国家多晶硅新产能投产和放量，多晶硅自给率逐步提升，挤出了一部分进口。

  需求方面，多晶硅的直接下游是太阳能及电子级硅片制造。随着光伏产业景气度逐步的提升，多晶硅消费量实现了迅速增加。2022年，我国多晶硅表观需求量约84.8万吨，主要集中于光伏市场。

  据中国光伏行业协会（CPIA）数据，2022年，全球光伏新增装机容量191.5吉瓦，其中增量大多数来源于亚洲地区，占新增装机总容量的58.5%。2022年，我国光伏新增装机容量87.4吉瓦，累计装机容量达392.6吉瓦，其中，集中式光伏新增装机容量36.3吉瓦，比上年增长41.8%；分布式光伏新增装机容量51.1吉瓦，比上年增长74.5%。2017~2022年光伏装机容量年均增速24.6%。预计“十四五”期间，国内光伏装机容量年均增长94吉瓦，2025年光伏累计装机容量将达720吉瓦；2025~2030年，年均光伏新增装机容量将在120吉瓦左右。

  除制作光伏电池外，多晶硅还可作为制造芯片的原材料，应用于半导体领域，具体可细分为汽车制造、工业电子、电子通信、家电等领域。2022年，全球半导体硅片出货量为147.1亿平方英寸，比上年增长3.9%。与国际主要半导体硅片供应商相比，我国半导体硅片生产企业技术较为薄弱，占市场占有率较小，技术工艺水平及良品率控制等与国际领先水平相比仍有显著差距。2022年，我国半导体硅片产量约6800万片，随着半导体领域新增产能投产爬坡，预计未来我国电子级硅料需求量持续增长。

  据CPIA数据，2022年我国晶硅电池片产量约318吉瓦，我国多晶硅实际需求量约82.7万吨，主要集中于光伏领域。在“双碳”战略及“新型电力系统”有关政策推动下，光伏行业将继续带动我国多晶硅需求量开始上涨。预计到2025年，我国多晶硅需求将以年均11.3%的增速增至114万吨。但是就现有公开项目计算，产能增速远远超出需求增速，预计2022年~2025年年均产能增速为58%，考虑到供应过剩局面，市场洗牌后，实际投放产能和达产产能年均增速或将在45%。

  多晶硅的价格与成本、供需基本面紧密关联。多晶硅主要成本来自上游工业硅，由于工业硅生产的主要省份是新疆、云南及四川，其中云南及四川地区是以水电为主的发电结构，其电力供应有着非常明显的季节特征，因此工业硅价格在年内存在一定周期性。从基本面来看，多晶硅产能建设周期及爬坡周期较长，产能放量至达产需要时间。

  2022年，光伏行业加快速度进行发展，多晶硅整体处于供不应求的状态，叠加下半年硅料企业失火、部分地区限电、新疆疫情等因素，市场情绪紧张，基本面支持价格走高。

  2022年虽然有大量多晶硅新增产能，但产能爬坡过程拖累整体产能利用率的提升。2022年底，随着新增产能逐渐爬坡达产，多晶硅供应明显地增加，而下游完成备货后采购情绪不高，叠加供应链下游硅片、电池片等环节累库，传导至上游多晶硅报价滑坡，价格会出现“拐点”。2023年2月中旬以前，企业捂价出售，导致多晶硅价格、库存呈现双双上升的趋势，此后硅料库存在承受近一个月的压力后，硅料企业竞相出货，带动多晶硅价格一路下跌，预计2024年硅料价格再度反弹的可能性不大。供给侧压力逐步增加的背景下，行业将进入洗牌阶段。

  多晶硅向上承接工业硅，同时位于整条光伏及半导体产业链的上游，地位十分重要。近年来，全球多晶硅产量逐年增加，且逐渐向我国聚集。我国多晶硅需求大多分布在在光伏领域，而我国又是全球最主要的组件出口国，未来随着全球光伏装机容量扩张，我国多晶硅需求持续向好。但是多晶硅属于高资金、高技术壁垒的行业，项目建设、投产周期通常在两年及以上，产能对市场的影响往往滞后于投产计划，从而易产生对市场的认知偏差，造成密集达产、价格下滑、利润走低。目前，我国多晶硅市场已处于相对平衡状态，对比目前对光伏新增装机容量的预测和硅料、硅片投产计划，未来硅料可能走向过剩。同时，我国半导体级多晶硅技术亟待突破，企业应加大研发力度、合理地布局产能，避免行业“内卷”，推动行业向高技术、高价值、高端应用发展。（作者：中国石化经济技术研究院市场所 杨惠馨 李超 吕晓东）

  硅元素有晶态和非晶态两种同素异形体，其中晶态硅又可分为多晶硅和单晶硅。多晶硅是银灰色、有金属色泽的晶体，是以工业硅为原料，经一系列的物理化学反应提纯后达到一定纯度的非金属材料。多晶硅是单质硅的一种形态，熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以晶格形态排列成晶核，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。多晶硅料是生产多晶硅片和单晶硅片的直接材料。

  硅的主要评判指标是纯度。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，多晶硅通常可大致分为工业/金属硅、冶金级（MG-Si）、太阳能级（SoG-si）、电子级（SEG-si）。

  太阳能级多晶硅（SGS，Solar Grade Silicon），是指纯度在6N-9N（99.9999%~99.9999999%）的多晶硅，大多数都用在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。

  依据硅料的结构、表面致密程度和表面上的质量可将太阳能级多晶硅料分为致密料、菜花料、珊瑚料和颗粒料等。致密料是指表面颗粒凹陷深度小于5毫米，断面结构致密，外观无异常颜色，无氧化夹层；菜花料指表面颗粒凹陷深度5毫米~20毫米，外观无异常颜色，无氧化夹层；珊瑚料指断面结构疏松，凹陷深度≥20毫米，外观无异常颜色，无氧化夹层。

  电子级多晶硅（EGS，Electronic Grade Silicon）一般是指纯度在9N以上的多晶硅产品，主要使用在于半导体硅片的生产，应用于电子电力上的硅材料对纯度要求更高，要达到11N以上。