國內(nèi)硅料企業(yè)紛紛開啟新一輪的擴產(chǎn)大潮。對于多晶硅生產(chǎn)的兩大技術(shù)路線，市場出現(xiàn)兩級分化。改良西門子法還是流化床法，又一次成為爭論的焦點。由于多晶硅的重要性，技術(shù)路線選擇，這次路線之爭無不牽動廣大新能源投資者的神經(jīng)。
早在上世紀(jì)五六十年代，多晶硅生產(chǎn)的兩大技術(shù)路線相繼問世，其中西門子法通過多次技術(shù)迭代一直引領(lǐng)行業(yè)前行，成為世界的主流路線，而流化床法作為第二技術(shù)路線也在持續(xù)進步。
在“雙碳目標(biāo)”的背景下，光伏成為可再生能源的主力，這場跨越世紀(jì)之爭的答案也越發(fā)清晰可見。
01為什么多晶硅的技術(shù)路線如此重要?
【1】多晶硅的行業(yè)地位
能源革命的浪潮之下，光伏的重要性目前已再無分歧;從產(chǎn)業(yè)鏈的視角來看，多晶硅作為光伏產(chǎn)業(yè)的上游原材料，其在整個光伏產(chǎn)業(yè)中占有舉足輕重的地位。同時多晶硅也是集成電路最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)原材料。
圖1：光伏產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D，資料來源：新疆大全招股說明書
首先，多晶硅的成本與光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本直接掛鉤。早在2014年，國家發(fā)改委能源研究所等研究機構(gòu)發(fā)布的《中國可再生能源發(fā)展路線圖2050》就提出，2025年光伏要能實現(xiàn)全面平價上網(wǎng)，那成本下降就成了光伏產(chǎn)業(yè)進步的不竭動力，而其中的大頭就是硅料。發(fā)展初期，多晶硅的成本曾一度占太陽電池的近50%。
回溯光伏過去十余年的發(fā)展，光伏成本從50元/W下降到了4元/W左右，多晶硅環(huán)節(jié)的持續(xù)降本為光伏平價上網(wǎng)做出了巨大的歷史貢獻。
圖2：產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)價格(元/W、元/kg)，資料來源：中國有色金屬工業(yè)協(xié)會硅業(yè)分會，國信證券
根據(jù)BP發(fā)布的2020年能源展望數(shù)據(jù)，到2050年，光伏發(fā)電的成本較2018年還能下降70%。這必然要求光伏產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)共同努力，多晶硅最為材料源頭，將長期擔(dān)當(dāng)降本增效的重任。
圖3：未來30年光伏成本下降曲線，資料來源：BP Energy
其次，多晶硅的質(zhì)量的提升促進光伏的技術(shù)進步和國產(chǎn)替代。自2018年初開始，單晶硅片產(chǎn)能規(guī)?？焖贁U張，成為行業(yè)主流，為滿足下游需求，國內(nèi)多晶硅企業(yè)在積極擴張的同時，也加速了光伏級硅料品質(zhì)的提升。目前通威股份、新疆大全的特級料占比均超過90%。
與此同時，我國多晶硅料品質(zhì)的提升，對于硅料進口依賴的下降功不可沒，根據(jù)硅業(yè)分會的數(shù)據(jù)，硅料進口占比已經(jīng)從2016年的42.1%下降至2020年的20.2%。2021年1月，通威股份已實現(xiàn)N型硅料的批量生產(chǎn)。
時至今日，我國多晶硅產(chǎn)業(yè)已取得了長足進步，從產(chǎn)業(yè)化早期的幾乎完全依靠進口到目前產(chǎn)量已占全球的三分之二，國內(nèi)的產(chǎn)銷規(guī)模已經(jīng)位居全球首位。但在太陽能光伏平價上網(wǎng)的倒逼下，多晶硅降本增量之路還在繼續(xù)。
第三，終端光伏裝機需求帶來多晶硅的增長
多晶硅也是一將功臣萬骨枯的行業(yè)，打的頭破血流，最終呈現(xiàn)強者恒強，兩極分化的局面。頭部企業(yè)憑借技術(shù)和成本優(yōu)勢維持較高水平的產(chǎn)能利用率。如通威股份，2017-2019 年產(chǎn)能利用率分別為93.70%、96.38%、92.46%，2020年上半年達到了116%。而中小企業(yè)產(chǎn)能利用率較低，部分企業(yè)由于投產(chǎn)較早、設(shè)備陳舊、規(guī)模較小，已逐步停產(chǎn)。
據(jù)《中國能源報》統(tǒng)計，國內(nèi)在產(chǎn)高純晶硅企業(yè)數(shù)量由2018年初的24家，減少至2019年初的18家，再縮減至2019年底的12家。
圖4：2008-2019年中國多晶硅產(chǎn)量及占全球產(chǎn)量的比重，資料來源：中國光伏行業(yè)協(xié)會，新疆大全招股書
【2】多晶硅的生產(chǎn)是門技術(shù)活
跟鋰電池行業(yè)的上游原材料不同，多晶硅料具有高載能、重資產(chǎn)、擴產(chǎn)周期長、技術(shù)壁壘高的多重特點。所以多晶硅看似工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)品，實際上更多的屬性是化工品。正因為此，多晶硅的技術(shù)能力是衡量多晶硅企業(yè)的硬核能力之一。
按純度要求及用途不同，可以將多晶硅分為太陽能級多晶硅和電子級多晶硅，太陽能級多晶硅主要用于太陽能電池的生產(chǎn)制造，而電子級多晶硅作為主要的半導(dǎo)體電子材料，廣泛應(yīng)用于電子信息領(lǐng)域。
太陽能級多晶硅對雜質(zhì)有嚴(yán)格的要求，通常要求其中雜質(zhì)總含量低于10-6，即多晶硅的純度需達到99.9999%以上。而電子級多晶硅可以說是技術(shù)巔峰，其純度要求高達99.999999999%(不用數(shù)了，小數(shù)點后面是9個9)，相當(dāng)于1000噸的電子級多晶硅中總的雜質(zhì)含量不到一?；ㄉ字亓康?%。所以世界范圍內(nèi)能夠生產(chǎn)電子級多晶硅產(chǎn)品的企業(yè)屈指可數(shù)，電子級多晶硅成為行業(yè)高地。
總的來說，高純多晶硅的生產(chǎn)不是煤炭那種簡單粗暴只拼產(chǎn)能的行業(yè)，它是光伏產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)含量較高的環(huán)節(jié)，加上投資大，風(fēng)險高。目前國內(nèi)隆基、中環(huán)等垂直一體化的企業(yè)也沒有直接下場，而是采取參股的方式參與到多晶硅生產(chǎn)。
圖5：下游企業(yè)通過參股方式綁定頭部多晶硅企業(yè)(萬噸)，資料來源：各公司公告，國金證券
02“一大一小”技術(shù)路線
【1】改良西門子法
對于光伏業(yè)內(nèi)人士而言，西門子法是再熟悉不過了，這是目前國內(nèi)外最普遍也是最成熟的方法。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)，2019年全球多晶硅產(chǎn)量中采用改良西門子法生產(chǎn)的占比高達97.8%;我國也類似，2020年國內(nèi)采用改良西門子法生產(chǎn)的多晶硅約占全國總產(chǎn)量的97.2%。
今天成熟的改良西門子法最早由德國西門子公司在1955年發(fā)明，在過去60多年中，業(yè)內(nèi)參與者不停的對西門子法進行技術(shù)優(yōu)化和提升，已經(jīng)改良到了第三代。其優(yōu)點已經(jīng)非常突出。目前全球前十硅料生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)路線都以改良西門子法為主。
圖6：全球前十硅料生產(chǎn)企業(yè)，資料來源：國信證券
縱觀全球多晶硅的發(fā)展歷史，基本上是和西門子法技術(shù)路線的技術(shù)進步同步的。
具體而言，還原爐的材料從石英玻璃發(fā)展到金屬再到不銹鋼，其內(nèi)部的棒數(shù)也逐漸從1對棒、3對棒逐漸提升到48對棒以上的大型還原爐，還原爐產(chǎn)量已從1975年的單爐40噸/年，提升至現(xiàn)在600噸/年的水平。
多晶硅技術(shù)的進步已經(jīng)和規(guī)模的擴大形成正向循環(huán)，收益規(guī)模大型化、技術(shù)優(yōu)化，改良西門子法多晶硅單位產(chǎn)能投資成本大幅下降，多晶硅生產(chǎn)線投資成本從2008年千噸投資成本約為7億元～10億元降到現(xiàn)在的1億元/千噸以下。
根據(jù)工業(yè)發(fā)展規(guī)律，未來隨著規(guī)模產(chǎn)量的繼續(xù)擴大，改良西門子法的競爭能力將會進一步強化，主流工藝地位進一步穩(wěn)固。
圖7：西門子法生產(chǎn)工藝，資料來源：《當(dāng)代多晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展概論》
【2】流化床法——現(xiàn)實與理想的差距
下面敲重點，講講最近備受關(guān)注的流化床法，其實長期關(guān)注光伏行業(yè)的人知道，西門子法的應(yīng)于一直遠大于流化床法。但并不新鮮的流化床法之所以又引起大家的注意源于協(xié)鑫，疊加光伏這個黃金賽道，其核心要義就是降低成本，所以每個更降本扯上關(guān)系的新技術(shù)勢必都讓市場很亢奮。
在我們長期關(guān)注的動力電池領(lǐng)域，也有類似的例子。今年年初，廣汽就曾發(fā)布“石墨烯電池”表示具備6C快充能力，最快8分鐘就能充電至80%，此舉引來不少吃瓜群眾圍觀。同樣的例子還有特斯拉的4680圓柱電池，這還尚未量產(chǎn)，相關(guān)板塊已經(jīng)漲了一輪。
回到流化床法上，最早是美國聯(lián)碳公司在1952年開發(fā)出將硅烷分解沉積在固定床上硅顆粒表面的技術(shù)，這也是流化床技術(shù)最早的雛形，數(shù)年之后，杜邦公司在1961年申請了使用三氯氫硅為原料在流化床內(nèi)生產(chǎn)顆粒硅的專利，標(biāo)志著流化床法正式面世。
同樣師出名門，但流化床法的工業(yè)化之路異常艱辛，難有大為。西門子法經(jīng)過多次技術(shù)迭代已然成為多晶硅企業(yè)的主菜，流化床法雖有進步，卻難于大規(guī)模量產(chǎn)，長期作為配菜。
那么問題來了，流化床法比西門子法晚了6年，但對于60余年的時間跨度，可以說兩者是處在同一起跑線。為什么流化床法此前一直備受冷落?
圖8：流化床法制備多晶硅技術(shù)的發(fā)展歷程，資料來源：《當(dāng)代多晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展概論》，國金證券
1) 基本原理
流化床法的主要原理是將硅烷用氫氣作為載體，像氣流一樣從流化床反應(yīng)器底部注入，然后上升到中間加熱區(qū)反應(yīng)，因為有底部進料時候的氣流源源不斷的進入，可以讓反應(yīng)器內(nèi)的籽晶沸騰起來，處于懸浮狀態(tài)，注入的硅烷等原料和氫氣在加熱區(qū)發(fā)生反應(yīng)，然后，隨著反應(yīng)的進行，硅逐漸沉積在懸浮狀態(tài)的硅籽晶上，籽晶顆粒不斷地生長，長大到足夠重量的時候，硅顆粒沉降到反應(yīng)器的底部，排出的就是顆粒硅。
圖9：改良西門子法與流化床法核心設(shè)備對比，資料來源：《當(dāng)代多晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展概論》
2) 令人著迷的優(yōu)勢
相對改良西門子法，流化床法的最大優(yōu)勢主要體現(xiàn)在流化床反應(yīng)器上。
其一，由于底部進料的氣流存在，硅籽晶處在懸浮狀態(tài)，可提供更大的反應(yīng)面積，從而獲得較高的反應(yīng)效率，硅顆粒生長速度更快;同時，流化床反應(yīng)器內(nèi)是體和固體接觸好，熱能傳遞效率高，電耗自然就降下來了。能耗相對較低。在于參加反應(yīng)的顆粒硅晶種表面積大，沉積速度(生長速度)大幅提高，故生產(chǎn)效率高，大大減少了能源消耗，降低了成本。
其二，從上圖中可以看到，流化床反應(yīng)器是上下加料，硅烷和氫氣從底部注入，硅籽晶從頂部加料，生產(chǎn)的硅顆粒從底部排出，可以做到連續(xù)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。
其三，流化床法主要從硅烷作為原料，其反應(yīng)的溫度低，分解較為完全，使系統(tǒng)的尾氣回收壓力大為降低，約700攝氏度以下，而改良西門子法的反應(yīng)溫度高達1050攝氏度，單從這方面看，流化床法就比后者省電不少。
其四，流化床法的的副反應(yīng)較少，可縮短尾氣回收流程，減少投資成本。
其五，流化床法的產(chǎn)品就是顆粒硅，在下一加工環(huán)節(jié)就可以直接使用，可滿足連續(xù)投料拉晶工藝的發(fā)展。不需要再像改良西門子法那樣破碎。
講了這么多，有人要坐不住了，你說流化床法這么多優(yōu)點，處處蓋過西門子法，為什么歷史發(fā)展緩慢，且未來難有作為?我們的結(jié)論是，你的優(yōu)勢，也許就是你的劣勢。
3) “致命”的劣勢
不看好改良西門子法的投資者一般的觀點就是，能耗大、副產(chǎn)物多，但是這些是可以通過技術(shù)改進，逐步改善的。
在能耗方面，多晶硅企業(yè)曾被戴上“高能耗”的帽子。今天多晶硅生產(chǎn)全流程綜合電耗已經(jīng)從2009年的200kwh/kg-Si降低至2020年的60kwh/kg-Si，降幅達到70%，有些頭部企業(yè)甚至已經(jīng)降到50kwh/kg-Si以下的水平，同時水耗則基本維持在67 kg/kg.Si左右。
同時，值得注意的是，除了老生常談的電耗和水耗，能耗的綜合考慮還需要加上蒸汽消耗。不同于改良西門子法的副產(chǎn)蒸汽用于發(fā)電，蒸汽單耗基本上已經(jīng)下降到0，硅烷流化床法還會使用到蒸汽、天然氣等，所以這部分有關(guān)蒸汽的25kg/kg.Si左右的能耗僅在生產(chǎn)顆粒硅的時候會產(chǎn)生，需要綜合考慮進去，最后，綜合能耗算下來，兩種技術(shù)的能耗差距并不大。
在副產(chǎn)物方面，國內(nèi)的企業(yè)通過技術(shù)引進和自主創(chuàng)新，已經(jīng)可以解決副產(chǎn)物處理問題，實現(xiàn)了物料的循環(huán)利用。有頭部企業(yè)利用甲醇制氫改電制氫、硅粉降耗、余熱回收制蒸汽、還原一鍵啟動全過程控制等降耗減排措施，協(xié)同多晶硅還原智能控制平臺，在高效生產(chǎn)的同時，實現(xiàn)節(jié)能降耗，并大幅降低二氧化碳排放量。
但是流化床法的短板還真不是三兩下可以徹底解決的，畢竟流化床法也已經(jīng)誕生了60年。
第一，成品純度不高。前文講到，流化床反應(yīng)器內(nèi)的硅顆粒是處在懸浮狀態(tài)，底部不斷有氣流進入，“沸騰”的硅顆粒會不斷沖擊反應(yīng)器內(nèi)壁，長時間運作下，容易使反應(yīng)器內(nèi)部受到腐蝕，常用的金屬材料會給反應(yīng)體系帶入大量的金屬污染，降低產(chǎn)品純度。
光是這一點，就讓流化床法的企業(yè)夠忙活一陣了。
一些企業(yè)也在研究使用石墨、碳化硅等材質(zhì)作為反應(yīng)器內(nèi)襯或涂覆在金屬壁面上，利用其高硬度、不會帶入金屬雜質(zhì)等優(yōu)勢，杜絕此環(huán)節(jié)的金屬污染，但這會帶來增加投資成本。實際上，在西門子法和流化床法面世后的初期，當(dāng)時多晶硅市場需求主要為半導(dǎo)體行業(yè)用電子級多晶硅，流化床法因為純度達不到甚至一點機會都沒有。
第二，是第一點的延伸，反應(yīng)器內(nèi)壁不斷受到?jīng)_擊，容易帶來內(nèi)壁沉積硅粉，造成沾污，甚至造成噴嘴等關(guān)鍵部位堵塞，進而使進氣不均勻，不利于反應(yīng)。在內(nèi)壁沉積嚴(yán)重的情況下，仍然需要被迫停車進行清理，甚至誘發(fā)反應(yīng)器內(nèi)壁的破裂。
結(jié)果就是目前流化床內(nèi)件的壽命只有半年到一年，跟還原爐超過20年的壽命比起來簡直是快消品。舉個不是特別恰當(dāng)?shù)睦?，這就像你去買車，你是選動力一般，但不容易壞的，還是選推背感十足，卻動不動要換零件的車。
第三，流化床對安全性的要求很高。硅烷易燃、易爆的突出特點和安全隱患，限制了硅烷流化床法的推廣使用。
從發(fā)展歷程上來看，上世紀(jì)70年代，美國聯(lián)合碳化合物公司，德州儀器公司等又開始對流化床生產(chǎn)工藝進行研究，尤其是美國Ethyl公司(現(xiàn)為Sunedison)于1984年建廠生產(chǎn)電子級顆粒硅，但由于純度、成本等問題，產(chǎn)能也未能進一步放大。直到21世紀(jì)初，隨著光伏多晶硅需求的迅速增大，流化床法開始興起，但是至今未成規(guī)模。
流化床法見證了半導(dǎo)體和光伏的光輝歲月，卻毫無參與感可言。
一言以蔽之，理論的成本低和工業(yè)生產(chǎn)完全是兩碼事。比如電池最好的一定是氫燃料電池，但工業(yè)生產(chǎn)不具備經(jīng)濟性，流化床法的經(jīng)歷過往倒有點類似氫燃料電池，但是至今沒有成為主流，氫燃料電池作為鋰電池的補充，而氫能作為“終極能源”也是默默的當(dāng)光伏、風(fēng)電的備用能源。
雖然流化床法無法成為主流，但是顆粒硅憑借粒徑優(yōu)勢，不需要破碎可直接使用，能填補硅塊間的空隙提高坩堝裝填量，提高拉晶產(chǎn)出，可以作為改良西門子法的補充。
圖10：西門子法和流化床法的優(yōu)劣勢比較，資料來源：亞洲硅業(yè)科創(chuàng)板上市申請文件的審核問詢函回復(fù)，廣發(fā)證券
03
多晶硅企業(yè)用腳投票
對于技術(shù)路線的選擇，全球頭部企業(yè)的擴產(chǎn)情況已經(jīng)給了大眾一份答案，本文做下總結(jié)。
【1】穩(wěn)定供貨的能力
多晶硅的穩(wěn)定供應(yīng)是光伏發(fā)展的重中之重。
一方面是產(chǎn)品的穩(wěn)定供貨，在供應(yīng)緊張的情況下，擴產(chǎn)是主旋律。根據(jù)國金證券的統(tǒng)計，2022年國內(nèi)主流硅料企業(yè)的90%以上產(chǎn)能均已被下游長單鎖定，且最新的硅料長單已經(jīng)簽至2026年，未來幾年高比例長單將成為硅料行業(yè)的常態(tài)。
另一方面，指的是產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，多晶硅更多的是化工品屬性，因此產(chǎn)品的穩(wěn)定性是最重要的考量，沒有之一。這自然涉及到生產(chǎn)的工藝的穩(wěn)定性、設(shè)備的穩(wěn)定性。改良西門子法工藝成熟穩(wěn)定，設(shè)備也非常成熟，全國投入使用的還原爐達到近千臺，遠超流化床(全國流化床總數(shù)不超過20臺)。
【2】長周期視角下，西門子法仍具明顯的降成本空間
西門子法未來仍具有明顯的降成本空間，我們從幾個方向做初步討論：
1)加大還原爐尺寸
說白了就是進一步提升規(guī)模效應(yīng)。西門子法中，還原爐產(chǎn)量已從1975年的單爐40噸/年，提升至2015年的500噸/年。隨著還原爐單爐產(chǎn)能的繼續(xù)提高和電耗的繼續(xù)降低，推動改良西門子法繼續(xù)成為多晶硅行業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)技術(shù)。
圖11：不同年代的主流還原爐年產(chǎn)量情況，資料來源：公司公告
2)還原爐新型材料的應(yīng)用
還原爐材料從石英玻璃發(fā)展到不銹鋼，未來通過使用不銹鋼以外的新型材料，或者給內(nèi)壁鍍上反射膜等方式，提高熱輻射能的反射率，以提高余熱利用率，此方式可實現(xiàn)10%～20%的節(jié)電效果，但相應(yīng)對內(nèi)壁的材質(zhì)也提出較高要求，須考慮材質(zhì)的耐用性及成本問題。
3)閉環(huán)生產(chǎn)
由于改良西門子法生成的副產(chǎn)物和尾氣較多，影響到生產(chǎn)成本。如何有效循環(huán)和處理產(chǎn)物關(guān)系到未來的降本方向。比如西門子法生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物SiCl4，將SiCl4轉(zhuǎn)化成作為多晶硅生產(chǎn)原料的SiHCl3，從而實現(xiàn)閉環(huán)生產(chǎn)，以提高硅粉利用率，降低生產(chǎn)成本。
總之，改良西門子法由于規(guī)?；?、技術(shù)成熟，未來有進一步的下降空間。絕大部分企業(yè)仍選擇采用改良西門子法進行擴產(chǎn)。正是基于以上認(rèn)知，CPIA(中國光伏)估算，到2030年，用改良西門子法生產(chǎn)的多晶硅，仍是絕對的主流。本文開篇提出的問題，對應(yīng)的答案也就躍然紙上了。
圖12：國內(nèi)西門子法(深藍)和顆粒硅(淺藍)占比，資料來源：CPIA，華安證券
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