多晶硅的世纪之争

  随着光伏装机成本的持续下降，光伏装机量迎来迅速增加。由此带来多晶硅再度供不应求，年内涨幅超200%，多晶硅的供需失衡甚至已经影响到了下游的装机量。

  国内硅料企业纷纷开启新一轮的扩产大潮。对于多晶硅生产的两大技术路线，市场出现两级分化。改良西门子法还是流化床法，又一次成为争论的焦点。由于多晶硅的重要性，技术路线选择，这次路线之争无不牵动广大新能源投资者的神经。

  早在上世纪五六十年代，多晶硅生产的两大技术路线相继问世，其中西门子法通过多次技术迭代一直引领行业前行，变成全球的主流路线，而流化床法作为第二技术路线也在持续进步。

  在“双碳目标”的背景下，光伏成为可再次生产的能源的主力，这场跨越世纪之争的答案也越发清晰可见。

  能源革命的浪潮之下，光伏的重要性目前已再无分歧;从产业链的视角来看，多晶硅作为光伏产业的上游原材料，其在整个光伏产业中占有举足轻重的地位。同时多晶硅也是集成电路最为关键的基础原材料。

  回溯光伏过去十余年的发展，光伏成本从50元/W下降到了4元/W左右，多晶硅环节的持续降本为光伏平价上网做出了巨大的历史贡献。

  图2：产业链各环节价格(元/W、元/kg)，资料来源：中国有色金属工业协会硅业分会，国信证券

  与此同时，我国多晶硅料品质的提升，对于硅料进口依赖的下降功不可没，根据硅业分会的数据，硅料进口占比已经从2016年的42.1%下降至2020年的20.2%。2021年1月，通威股份已实现N型硅料的批量生产。

  时至今日，我国多晶硅产业已取得了长足进步，从产业化早期的几乎完全依靠进口到目前产量已占全球的三分之二，国内的产销规模已经位居全球首位。但在太阳能光伏平价上网的倒逼下，多晶硅降本增量之路还在继续。

  多晶硅也是一将功臣万骨枯的行业，打的头破血流，最终呈现强者恒强，两极分化的局面。头部企业凭借技术和成本优势维持较高水准的产能利用率。如通威股份，2017-2019年产能利用率分别为93.70%、96.38%、92.46%，2020年上半年达到了116%。而中小企业产能利用率较低，部分企业由于投产较早、设备陈旧、规模较小，已逐步停产。

  据《中国能源报》统计，国内在产高纯晶硅公司数由2018年初的24家，减少至2019年初的18家，再缩减至2019年底的12家。

  图4：2008-2019年中国多晶硅产量及占全球产量的比重，资料来源：中国光伏行业协会，新疆大全招股书

  跟锂电池行业的上游原材料不同，多晶硅料具有高载能、重资产、扩产周期长、技术壁垒高的多重特点。所以多晶硅看似工业标准品，实际上更多的属性是化工品。正因为此，多晶硅的技术能力是衡量多晶硅企业的硬核能力之一。按纯度要求及用途不同，可以将多晶硅分为太阳能级多晶硅和电子级多晶硅，太阳能级多晶硅大多数都用在太阳能电池的生产制造，而电子级多晶硅作为主要的半导体电子材料，大范围的应用于电子信息领域。

  太阳能级多晶硅对杂质有严格的要求，通常要求其中杂质总含量低于10-6，即多晶硅的纯度需达到99.9999%以上。而电子级多晶硅可以说是技术巅峰，其纯度要求高达99.999999999%(不用数了，小数点后面是9个9)，相当于1000吨的电子级多晶硅中总的杂质含量不到一粒花生米重量的1%。所以全球范围内能够生产电子级多晶硅产品的企业屈指可数，电子级多晶硅成为行业高地。

  总的来说，高纯多晶硅的生产不是煤炭那种简单粗暴只拼产能的行业，它是光伏产业链中技术上的含金量较高的环节，加上投资大，风险高。目前国内隆基、中环等垂直一体化的企业也没有直接下场，而是采取参股的方式参与到多晶硅生产。

  图5：下游企业通过参股方式绑定头部多晶硅企业(万吨)，资料来源：各公司公告，国金证券

  对于光伏业内人士而言，西门子法是再熟悉不过了，这是目前国内外最普遍也是最成熟的方法。根据中国光伏行业协会的数据，2019年全球多晶硅产量中采用改良西门子法生产的占比高达97.8%;我国也类似，2020年国内采用改良西门子法生产的多晶硅约占全国总产量的97.2%。今天成熟的改良西门子法最早由德国西门子公司在1955年发明，在过去60多年中，业内参与者不停的对西门子法进行技术优化和提升，已经改良到了第三代。其优点已经很突出。目前全球前十硅料生产企业的技术路线都以改良西门子法为主。

  具体而言，还原炉的材料从石英玻璃发展到金属再到不锈钢，其内部的棒数也逐渐从1对棒、3对棒逐渐提升到48对棒以上的大型还原炉，还原炉产量已从1975年的单炉40吨/年，提升至现在600吨/年的水平。

  根据工业发展规律，未来随着规模产量的继续扩大，改良西门子法的竞争能力将会促进强化，主流工艺地位进一步稳固。

  在我们长期关注的动力电池领域，也有类似的例子。今年年初，广汽就曾发布“石墨烯电池”表示具备6C快充能力，最快8分钟就能充电至80%，此举引来不少吃瓜群众围观。同样的例子还有特斯拉的4680圆柱电池，这还尚未量产，相关板块已经涨了一轮。

  回到流化床法上，最早是美国联碳公司在1952年开发出将硅烷分解沉积在固定床上硅颗粒表面的技术，这也是流化床技术最早的雏形，数年之后，杜邦公司在1961年申请了使用三氯氢硅为原料在流化床内生产颗粒硅的专利，标志着流化床法正式面世。同样师出名门，但流化床法的工业化之路异常艰辛，难有大为。西门子法经过多次技术迭代已然成为多晶硅企业的主菜，流化床法虽有进步，却难于大规模量产，长期作为配菜。

  那么问题来了，流化床法比西门子法晚了6年，但对于60余年的时间跨度，可以说两者是处在同一个起跑线。为什么流化床法此前一直备受冷落?

  图8：流化床法制备多晶硅技术的发展历史，资料来源：《当代多晶硅产业高质量发展概论》，国金证券

  流化床法的主要原理是将硅烷用氢气作为载体，像气流一样从流化床反应器底部注入，然后上升到中间加热区反应，因为有底部进料时候的气流源源不断的进入，可以让反应器内的籽晶沸腾起来，处于悬浮状态，注入的硅烷等原料和氢气在加热区发生反应，然后，随着反应的进行，硅逐渐沉积在悬浮状态的硅籽晶上，籽晶颗粒不断地生长，长大到足够重量的时候，硅颗粒沉降到反应器的底部，排出的就是颗粒硅。

  图9：改良西门子法与流化床法核心设备对比，资料来源：《当代多晶硅产业高质量发展概论》

  其一，由于底部进料的气流存在，硅籽晶处在悬浮状态，可提供更大的反应面积，从而获得较高的反应效率，硅颗粒生长速度更快;同时，流化床反应器内是体和固体接触好，热能传递效率高，电耗自然就降下来了。能耗相比来说较低。在于参加反应的颗粒硅晶种表面积大，沉积速度(生长速度)大幅度提高，故生产效率高，大幅度减少了能源消耗，降低了成本。

  其二，从上图中能够正常的看到，流化床反应器是上下加料，硅烷和氢气从底部注入，硅籽晶从顶部加料，生产的硅颗粒从底部排出，能做到连续生产，提高生产效率。其三，流化床法主要从硅烷作为原料，其反应的温度低，分解较为完全，使系统的尾气回收压力大为降低，约700摄氏度以下，而改良西门子法的反应温度高达1050摄氏度，单从这方面看，流化床法就比后者省电不少。

  其五，流化床法的产品就是颗粒硅，在下一加工环节就可以直接用，可满足连续投料拉晶工艺的发展。不需要再像改良西门子法那样破碎。

  讲了这么多，有人要坐不住了，你说流化床法这么多优点，处处盖过西门子法，为什么历史发展缓慢，且未来难有作为?我们的结论是，你的优势，也许就是你的劣势。

  不看好改良西门子法的投资者一般的观点就是，能耗大、副产物多，但是这些是能够最终靠技术改进，逐步改善的。

  在能耗方面，多晶硅企业曾被戴上“高能耗”的帽子。今天多晶硅生产全流程综合电耗已经从2009年的200kwh/kg-Si降低至2020年的60kwh/kg-Si，降幅达到70%，有些头部企业甚至已经降到50kwh/kg-Si以下的水平，同时水耗则基本维持在67kg/kg.Si左右。

  同时，有必要注意一下的是，除了老生常谈的电耗和水耗，能耗的考虑还需要加上蒸汽消耗。不同于改良西门子法的副产蒸汽用于发电，蒸汽单耗基本上已经下降到0，硅烷流化床法还会使用到蒸汽、天然气等，所以这部分有关蒸汽的25kg/kg.Si左右的能耗仅在生产颗粒硅的时候会产生，需要综合考虑进去，最后，综合能耗算下来，两种技术的能耗差距并不大。在副产物方面，国内的企业通过技术引进和自主创新，已能解决副产物处理问题，实现了物料的循环利用。有头部企业利用甲醇制氢改电制氢、硅粉降耗、余热回收制蒸汽、还原一键启动全过程控制等降耗减排措施，协同多晶硅还原智能控制平台，在高效生产的同时，实现节能降耗，并大幅度降低二氧化碳排放量。

  但是流化床法的短板还真不是三两下可以完全解决的，毕竟流化床法也已经诞生了60年。

  第一，成品纯度不高。前文讲到，流化床反应器内的硅颗粒是处在悬浮状态，底部不断有气流进入，“沸腾”的硅颗粒会不断冲击反应器内壁，长时间运作下，容易使反应器内部受到腐蚀，常用的金属材料会给反应体系带入大量的金属污染，降低产品纯度。

  一些企业也在研究使用石墨、碳化硅等材质作为反应器内衬或涂覆在金属壁面上，利用其高硬度、不会带入金属杂质等优势，杜绝此环节的金属污染，但这会带来增加投资所需成本。实际上，在西门子法和流化床法面世后的初期，当时多晶硅市场需求主要为半导体行业用电子级多晶硅，流化床法因为纯度达不到甚至一点机会都没有。

  第二，是第一点的延伸，反应器内壁不断受到冲击，容易带来内壁沉积硅粉，造成沾污，甚至造成喷嘴等关键部位堵塞，进而使进气不均匀，不利于反应。在内壁沉积严重的情况下，仍然需要被迫停车进行清理，甚至诱发反应器内壁的破裂。

  结果就是目前流化床内件的寿命只有半年到一年，跟还原炉超过20年的寿命比起来简直是快消品。举个不是特别恰当的例子，这就像你去买车，你是选动力一般，但不容易坏的，还是选推背感十足，却动不动要换零件的车。

  第三，流化床对安全性的要求很高。硅烷易燃、易爆的突出特点和安全风险隐患，限制了硅烷流化床法的推广使用。

  从发展历程上来看，上世纪70年代，美国联合碳化合物公司，德州仪器公司等又开始对流化床生产的基本工艺进行研究，尤其是美国Ethyl公司(现为Sunedison)于1984年建厂生产电子级颗粒硅，但由于纯度、成本等问题，产能也未能进一步放大。直到21世纪初，随着光伏多晶硅需求的迅速增大，流化床法开始兴起，但是至今未成规模。

  一言以蔽之，理论的成本低和工业生产完全是两码事。比如电池最好的一定是氢燃料电池，但工业生产不具备经济性，流化床法的经历过往倒有点类似氢燃料电池，但是到今天都没有成为主流，氢燃料电池作为锂电池的补充，而氢能作为“终极能源”也是默默的当光伏、风电的备用能源。

  虽然流化床法无法成为主流，但是颗粒硅凭借粒径优势，不需要破碎可直接用，能填补硅块间的空隙提高坩埚装填量，提高拉晶产出，可当作改良西门子法的补充。

  图10：西门子法和流化床法的优劣势比较，资料来源：亚洲硅业科创板上市申请文件的审核问询函回复，广发证券

  一方面是产品的稳定供货，在供应紧张的情况下，扩产是主旋律。根据国金证券的统计，2022年国内主流硅料企业的90%以上产能均已被下游长单锁定，且最新的硅料长单已经签至2026年，未来几年高比例长单将成为硅料行业的常态。

  另一方面，指的是产品质量的稳定性，多晶硅更多的是化工品属性，因此产品的稳定性是最重要的考量，没有之一。这自然涉及到生产的工艺的稳定性、设备的稳定性。改良西门子法工艺成熟稳定，设备也非常成熟，全国投入到正常的使用中的还原炉达到近千台，远超流化床(全国流化床总数不超过20台)。

  说白了就是逐步提升规模效应。西门子法中，还原炉产量已从1975年的单炉40吨/年，提升至2015年的500吨/年。随着还原炉单炉产能的继续提高和电耗的继续降低，推动改良西门子法继续成为多晶硅行业发展的主导技术。

  由于改良西门子法生成的副产物和尾气较多，影响到生产所带来的成本。如何有效循环和处理产物关系到未来的降本方向。比如西门子法生产的全部过程中会产生大量的副产物SiCl4，将SiCl4转化成作为多晶硅生产原料的SiHCl3，以此来实现闭环生产，以提高硅粉利用率，降低生产成本。

  总之，改良西门子法由于规模化、技术成熟，未来有进一步的下降空间。绝大部分企业仍选择采用改良西门子法进行扩产。正是基于以上认知，CPIA(中国光伏)估算，到2030年，用改良西门子法生产的多晶硅，仍是绝对的主流。本文开篇提出的问题，对应的答案也就跃然纸上了。

  图12：国内西门子法(深蓝)和颗粒硅(浅蓝)占比，资料来源：CPIA，华安证券