2023多晶硅行业研究：产业链生产供给需求分析.docx

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1、2023多晶硅行业研究：产业链、生产、供给、需求分析1什么是多晶硅？当多晶硅的熔融单晶硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格的形式排列成许多晶核。如果这些晶核生长成不同晶面取向的晶粒，这些晶粒就会结合结晶成多晶硅。它是多晶硅生产单晶硅的直接原料，是人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等现代半导体器件的电子信息基础材料。当多晶硅的熔融单晶硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格的形式排列成许多晶核。如果这些晶核生长成不同晶面取向的晶粒，这些晶粒就会结合结晶成多晶硅。它是多晶硅生产单晶硅的直接原料，是人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等现代半导体器件的电子信息基础材料。具有多晶硅的灰色金属

2、光泽，密度为2.32-234g/Cm3。熔点是1410C。沸点是2355C。溶于氢氟酸和硝酸的混合酸，不溶于水、硝酸和盐酸。硬度介于错和应时之间，常温下易碎，切割时易断。当加热到800以上时具有延展性，在1300C时表现出明显的变形。多晶硅（也称为po1ySi或PO1y）薄膜广泛用作MoS晶体管栅极和MOS电路中的互连。它还用作电阻器，以及确保浅结的欧姆接触。当用作栅电极时，可以在其上沉积金属（例如鸨）或金属硅化物（例如留硅化物）以增强其导电性。众所周知，多晶硅与高温处理兼容，并且与热Si02的界面非常好。作为栅电极，它也被证明比AI更可靠。重掺杂多晶硅薄膜也可用于双极电路的发射极结构。轻掺杂

3、多晶硅薄膜也可用作电阻器。多晶硅通常通过硅烷在580-650C的温度下热分解或热解沉积，沉积速率随温度呈指数增长。沉积速率也受硅烷压力的影响，即硅烷浓度。多晶硅沉积中的其他重要变量是压力和掺杂剂浓度。多晶硅薄膜的电气特性取决于其掺杂。与单晶硅一样，较重的掺杂导致较低的电阻率。对于任何给定的掺杂水平，多晶硅都比单晶硅具有更高的电阻，这主要是因为多晶硅中的晶界阻碍了载流子迁移率。多晶硅的常见掺杂剂包括神、磷和硼。多晶硅通常不掺杂地沉积，掺杂剂在沉积后才引入。多晶硅掺杂的方法有扩散法、离子注入法和原位掺杂法三种。扩散掺杂包括在未掺杂的多晶硅上沉积非常重掺杂的硅玻璃。这种玻璃将用作多晶硅的掺杂剂来源。

4、掺杂扩散发生在高温下，即900-1000oCo离子注入在掺杂浓度控制方面更为精确，包括用高能离子直接轰击多晶硅层。原位掺杂包括在外延沉积过程中向CVD反应气体中添加掺杂剂气体。2 .多晶硅产业链：生产工艺复杂，下游聚焦光伏半导体多晶硅主要由工业硅、氯气和氢气制备而来，位于光伏及半导体产业链的上游。据CPIA数据，目前全球主流的多晶硅生产方法是改良西门子法，国内外95%以上的多晶硅是采用改良西门子法生产的。改良西门子法制备多晶硅过程中，首先将氯气与氢气结合生成氯化氢，然后与工业硅破碎研磨后的硅粉反应生成三氯氢硅，进一步通入氢气将其还原生成多晶硅。多晶硅可融化冷却后制成多晶硅锭，也可通过直拉法或区

5、熔法生成单晶硅。相比多晶硅，单晶硅由晶体取向相同的晶粒组成，因此具有更为优越的导电性与转换效率。多晶硅锭和单晶硅棒均可进一步切割加工为硅片、电池，进而成为光伏组件的关键部分，应用于光伏领域。除此之外，单晶硅片还可通过反复的打磨、抛光、外延、清洗等工艺形成硅晶圆片，作为半导体电子器件的衬底材料。多晶硅杂质含量要求严格，行业具有高资金投入以及高技术壁垒特征。由于多晶硅纯度会严重影响到单晶硅拉制环节，因此纯度要求极为严格，多晶硅纯度最低为99.9999%,最高则无限接近于100%。此外，国家标准对杂质含量提出明确要求，并以此将多晶硅分为I、II、HI级，其中硼、磷、氧、碳元素含量是重要参照指标。多晶

6、硅行业准入条件规定企业必须有健全的质量检验管理制度，产品标准严格符合国家标准；此外，准入条件还对多晶硅生产企业的规模及能耗提出要求，比如太阳能级、电子级多晶硅项目规模分别大于3000吨/年、IOOo吨/年，新建和改扩建项目投资中最低资本金比例不得低于30%,因此多晶硅属于资金密集型产业。据CPIA统计，2023年投产的万吨级多晶硅生产线设备投资成本小幅上升为1.03亿元/千吨，原因是大宗金属材料价格的上涨，预计未来投资成本将随着生产装备技术的进步以及单体规模的提高而下降。根据规定，太阳能级、电子级直拉用多晶硅还原电耗应当分别小于60千瓦时/千克、IOO千瓦时/千克，对能耗指标要求较为严格。多晶

7、硅生产倾向属于化工行业，生产过程较为复杂，技术路线、设备选型、调试运行等环节门槛高，生产过程中多次涉及复杂的化学反应，控制节点数量达千级以上，新进入者很难快速掌握成熟工艺。因此多晶硅生产行业存在较高的资金及技术壁垒，也推进着多晶硅厂商对工艺流程、包装及运输过程进行严格的技术优化。图表4：太阳能级多晶硅技术指标项目技术指标特级品1级品2级品3级品施主杂质浓度/10(PPba)0.68：1.402.616.16受主杂质浓度/10(PPba)0,260.5440.882.66氧浓度/(aroms/Cm)0.2IOn0.51Op1.010,7C1.010,7碳液度/(atoms/Cm)C2.0IO16

8、300200150基体金属杂质含量/(ngg)Fc、CrNNi、Cu、Zn1550V1OO100表面金属杂质含量/(ngg)Cr.Ni.CuxZn、Na30V1oOV1oo1003 .多晶硅分类：纯度决定用途，太阳能级占据主流多晶硅，属于单质硅的一种形态，由晶面取向不同的晶粒组成，主要通过工业硅加工提纯而来。多晶硅外观呈灰色金属光泽，熔点约为1410C,常温下不活泼，熔融状态下较为活泼。多晶硅具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，但微量的杂质即可大大影响其导电性。多晶硅的分类方式较多，除了上文提到的按照国家标准划分等级，这里介绍较为重要的三种分类方式。按纯度要求及用途不同，可以将多晶硅分

9、为太阳能级多晶硅和电子级多晶硅。太阳能级多晶硅主要用于光伏电池的生产制造，而电子级多晶硅作为芯片等生产的原材料，广泛应用于集成电路产业。太阳能级多晶硅的纯度为68N,即要求杂质总含量低于10-6,多晶硅的纯度需达到99.9999%以o而电子级多晶硅纯度要求更为严格，最低为9N,目前最高可达12N。电子级多晶硅生产难度较大，国内掌握电子级多晶硅生产技术的企业较少，仍较为依赖进口。目前太阳能级多晶硅产量远大于电子级多晶硅，前者大约为后者的13.8倍，预计随着光伏装机量的迅猛提升，太阳能级多晶硅的需求增速将高于电子级多晶硅。根据硅料掺入杂质及导电类型的不同，可分为P型、N型。当硅中掺杂以受主杂质元素

10、，如硼、铝、钱等为主时，以空穴导电为主，为P型。当硅中掺杂以施主杂质元素，如磷、碑、锦等为主时，以电子导电为主，为N型。P型电池主要有BSF电池和PERC电池两种，2023年PERC电池在全球市场中的占比已经超过91%,BSF电池被淘汰出局。在PERC替代BSF的期间，P型电池转换效率从不足20%提升到超过23%,即将逼近24.5%的理论上限，而N型电池的理论上限为28.7%,且N型电池具有转换效率高、双面率高、温度系数低等优点，因此企业纷纷开始布局N型电池的量产线。据CP1A预测，2023年N型电池占比将从3%大幅提升至13.4%。预计未来五年内，将迎来N型电池对P型电池的迭代。根据表面质量

11、的不同，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，价格最高；菜花料表面颗粒凹陷程度适中，为5-2Omm,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。近期致密料与菜花料的价差基本稳定在3元/千克，若价差进一步拉大，则企业在单晶硅拉制中有可能考虑掺杂更多的菜花料。图表6:

12、多晶硅致密料45 .工艺：西门子法占据主流，电耗成为技术变革关键多晶硅的生产流程大体分为两步，第一步先将工业硅粉与无水氯化氢反应得到三氯氢硅和氢气，经反复蒸播提纯后分别得到气态三氯氢硅、二氯二氢硅以及硅烷；第二步是将上述高纯气体还原成晶体硅，而还原步骤在改良西门子法和硅烷流化床法中有所不同。改良西门子法生产技术成熟，产品质量高，是目前应用最为广泛的生产技术。传统的西门子生产法是用氯气和氢气合成无水氯化氢，氯化氢和粉状工业硅在一定的温度下合成三氯氢硅，然后对三氯氢硅进行分离精储提纯，提纯后的三氯氢硅在氢还原炉内进行热还原反应，从而得到沉积在硅芯上的单质硅。改良西门子工艺则在此基础上，同时配备了回

13、收利用生产过程中伴随产生的大量氢气、氯化氢、四氯化硅等副产物的配套工艺，主要包括还原尾气回收与四氯化硅再利用技术。尾气中的氢气、氯化氢、三氯氢硅、四氯化硅通过干法回收得以分离出来，氢气和氯化氢可再用于与三氯氢硅的合成与提纯，三氯氢硅直接回收进入热还原炉内进行提纯，四氯化硅经氢化后生成三氯氢硅可用于提纯，这一步骤也被称为冷氢化处理。企业通过实现闭路生产，显著降低原材料及电力的消耗量，从而有效节约生产成本。图表10:改史西门子法生产多晶硅流程我国采用改良西门子法生产多晶硅的成本包括原材料、能耗、折旧、处理费用等，行业技术进步显著带动成本下移。其中原材料主要是指工业硅和三氯氢硅，能耗包含电力及蒸汽，

14、处理费用则是指生产设备的检查、修理费用。根据百川盈孚对2023年6月上旬多晶硅生产成本的统计，原材料是占比最高的成本项，在全部成本中占到41%,其中硅元素的来源以工业硅为主。行业中常用硅单耗代表单位高纯硅产品所耗费的硅量，计算方式是将外购工业硅粉、三氯氢硅等含硅物料全部折成纯硅计算，再扣除外售氯硅烷按含硅比折成的纯硅数量。据CP1A数据，2023年硅耗水平下降0.01kgkg-Si,达到1.09kgkgSi,预计随着冷氢化处理及副产物回收利用水平的提高，预计到2030年将降低到1.07kgkgSi据不完全统计，多晶硅行业前五名企业（通威集团、大全新能源、保利协鑫、新特能源、东方希望）硅耗水平均

15、低于行业平均水平，已知其中大全新能源、保利协鑫2023年硅耗分别为1.08kg/kg-Si、1.05kgkg-Si0占比第二高的是能源消耗，合计占比32%,其中电力占总成本的比例为30%,表明用电价格及效率仍是多晶硅生产的重要影响因素。衡量用电效率的两大指标分别是综合电耗及还原电耗，还原电耗是指三氯氢硅和氢气发生还原反应生成高纯硅料的过程，其电耗包括硅芯预热、沉积、保温、结束换气等工艺过程中的电力消耗。2023年，随着技术进步和能源的综合利用，多晶硅生产的平均综合电耗同比下降5.3%至63kWhkg-Si,平均还原电耗同比下降6.1%至46kWhkgSi,未来有望进一步下降。此外，折旧也是构成成本的重要项，其占比达17%。值得注意的是，根据百川盈孚数据，2023年6月上旬多晶硅生产总成本约为55816元/吨，市场中多晶硅均价约为260000元/吨，毛利率高达70%以上，因此吸引着大量企业投资建设多晶硅产能。图表11:我国改良西门子法生产多晶硅的成本构成多晶硅生产厂商降低成本的途径有两个，一是缩减原材料成本，二是降低电力消耗。原材料方面，厂商可以通过与工业硅厂商签订长期合作协议，或者建设上下游一体化产能来降低原材料成本，比如合盛硅业的多晶硅生产工厂基本依靠自身工业硅供应。电力消耗方面，厂商可以借助低电价与综合能耗改善来降低电力成本，其中综合电耗中