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新品种预热丨多晶硅系列一：
品种简介及产业链基础
多晶硅期货上市已经提上日程，后续将在广州期货交易所挂牌交易，有望成为工业硅、碳酸锂之后的第三个新能源期货品种。因此，本系列文章将带各位投资者朋友提前了解多晶硅产业，为后续投资交易打下基础。
多晶硅是单质硅的一种形态，银灰色、有金属色泽的晶体，以纯度约99%的工业硅为原料，经过一系列的物理或化学方法提纯后，纯度达到99.9999%以上的高纯硅。
多晶硅按照其纯度不同可分为冶金级、太阳能级和电子级。（1）冶金级多晶硅，一般是指用冶金法提纯后的多晶硅，产品纯度在5N-6N（注：硅含量为99.999%-99.9999%）之间，可用于太阳能电池生产；（2）太阳能级多晶硅，一般是指纯度在6N～9N的多晶硅，主要用于太阳能光伏电池的生产；（3）电子级多晶硅是指纯度在9N以上的多晶硅产品，是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅制品的主要原料，应用于电力电子上的硅材料纯度要求更高，需要达到11N以上。
图表 1：多晶硅外观
数据来源：公开资料整理 广州期货研究中心
（二）产业链介绍
多晶硅产业链是指以工业硅为基础原材料，进一步提纯加工成为多晶硅，最终应用到下游光伏产业与半导体产业的过程。因此，多晶硅产业链可细分出两个分支，分别为光伏产业链、半导体产业链。
（1）光伏产业链，包括硅料（工业硅-多晶硅）、铸锭/拉棒、切片、电池片、组件、应用系统等6个环节。上游为硅料、硅片环节；中游为电池片、电池组件环节；下游为应用系统环节。在整个产业链中，多晶硅是太阳能光伏材料的主要原料，以多晶硅和单晶硅片制造的太阳能电池占整个光伏市场的绝大部分；
（2）半导体产业链，由上游的硅料（多晶硅、单晶硅）、中游硅片（抛光片、外延片）环节支撑产业、下游的集成电路、分立器件等制造产业以及终端应用的手机、电脑、工业控制等应用产业构成。
图表2：多晶硅产业链示意图
数据来源：公开资料整理 广州期货研究中心
（三）生产工艺介绍
自20世纪40-50年代起，晶体管、集成电路被陆续发明后，电子工业对高纯半导体材料的需求也逐渐增大，近年光伏领域需求的“大爆发”，使得提纯技术成为相关生产企业、研究机构长期关注的焦点。由此，市场陆续开发出多种提纯制备工艺技术，大致可分为两大类，即以化学提纯为基础的西门子法、流化床法，以及以冶金提纯为基础的物理法。
（1）西门子法
由德国西门子公司于1955年发明创立，并于1957年应用于工业化生产。经过将近70年的应用和发展，西门子法不断改良优化，先后发展出了第一代、第二代、以及第三代生产工艺。
目前，第三代生产工艺即改良西门子法，它在第二代的基础上增加了还原尾气干法回收系统、SiCl4回收氢化工艺，实现了完全闭环生产，是西门子法生产高纯多晶硅技术的最新技术。
图表3：西门子法工艺示意图
数据来源：公开资料整理 广州期货研究中心
（2）流化床法
最早起源于1952年，由美国联碳公司发明创立。20世纪70年代，德州仪器等多家公司对该工艺做进一步研究升级，1984年美国Sunedison公司建厂生产电子级颗粒硅。目前，协鑫集团通过多年自主研发，已突破无法长周期稳定运行的瓶颈，并且通过吸收SunEdison先进技术，实现了技术、品质的双优化。
该工艺的主要原理是将硅烷或三氯氢硅在氢气载体的环境下与硅籽晶发生反应。在生产流程中，先将三氯氢硅经歧化反应生成硅烷气，再以氢气作为载体，将硅烷或三氯氢硅从流化床炉的底部注入反应器后上升到加热区（约500-700度），而硅籽晶从反应器顶部注入或预先放置在反应器中，从底部注入的气体流速足以将籽晶沸腾起来，处于悬浮的籽晶颗粒不断地外延生长，长大到足够重量的硅颗粒沉降到反应器的底部，而反应的副产物则从反应器的底部管路排出。该反应器的特点是可以持续地上下加料，反应气体从底部注入，籽晶从顶部加料，生产的硅颗粒从底部排出，可以连续生产，反应可以持续运行几千个小时。
图表4：流化床法工艺示意图
数据来源：公开资料整理 广州期货研究中心
（3）物理冶金法
指以工业硅为原料，直接经过冶金提纯得到纯度在99.999%（5N）以上的多晶硅。该方法中硅元素没有参与化学反应，主要是利用材料的物理特性去除工业硅中的杂质。由此方法制得的多晶硅也被称为冶金级多晶硅，主要用于航天航空、尖端技术、军事技术的特种材料以及建筑、纺织、汽车、机械等领域，少量用于光伏领域。与化学提纯方法对比，冶金法的特点是在提纯过程中硅不参与任何化学反应，而是依靠硅与杂质物理性质的差异，通过冶金熔炼的方法将杂质去除，以获得满足纯度的多晶硅。
（四）生产工艺对比
目前多晶硅生产工艺以西门子法为主，流化床法占比有所提高，而物理冶金法已基本被市场淘汰。其中，西门子法经过多年的发展与改进，该生产工艺已经非常成熟、稳定、安全，以及能够实现大规模生产，使其成为众多生产企业主流的选择。
与西门子法相比，流化床法在“降本增效”上具有较大的发展优势。首先，生产过程中的综合能耗相对较低，有助于降低生产成本；其次，生产连续性较高，一般可连续生产6-18个月，极大提高生产效率；此外，单位资本开支以及人工成本均比西门子法更低。但由于该工艺还处于发展之中，也存在一些缺点。例如，多晶硅产品纯度还有一定差距，以及硅烷易燃、易爆等特点使得对安全性要求更高，较大程度上限制了该工艺的推广使用。
与化学提纯法相比，物理冶金提纯法具有设备简单、能耗低、投资小等特点。由于物理法通过分凝、蒸发、真空氧化等方法提纯，杂质去除不彻底，杂质纯度上限在6N左右，以及不同批次产品的杂质均匀性不佳，因此多与改良西门子法生产的多晶硅混合使用。目前，多晶硅市场价格出现明显下降，同时光伏电池效率不断提高也对多晶硅品质提出更高要求，物理冶金法市场竞争力不断下降，已基本被市场淘汰。
综合来看，短期之内流化床法较难颠覆改良西门子法在多晶硅生产中的主流地位，但已成为国内多晶硅行业寻求技术突破的重点方向。随着国内对于流化床法技术的研究不断突破，以及新建产能逐步落地，未来流化床法市场份额将逐步提升，行业有望迎来两种工艺路线并驾齐驱的格局。
图表 5：改良西门子法与流化床法对比分析
数据来源：中国有色金属工业协会硅业分会 广州期货研究中心
（五）生产成本分析
以国内改良西门子法为例，其生产成本包括原料成本、电力成本、蒸汽成本、折旧成本、人工费用、以及管理费用等。其中，原料、电力以及折旧成本为主要成本支出项目，三者合计占比达到70%。
具体而言，（1）原料成本，主要消耗工业硅粉、氯化氢、氢气等。其中，工业硅粉为最主要成本开支，单耗系数约为1.08，由于工业硅粉价格波动变化较大，该部分成本相对较不稳定，整体占比总成本约30%-35%；（2）电费成本，主产区主流的电价在0.25-0.3元/度，整体相对稳定，综合电单耗约6万度/吨，生产多晶硅的电费成本在15000-18000元/吨，占比总成本约25%-30%；（3）折旧成本，目前单吨投资额已降至10亿元/万吨之内，一般折旧期在10-15年之间，占比总成本约10%。
图表 6：国内多晶硅企业生产成本参考模型（2023年2月）
数据来源：中国有色金属工业协会硅业分会 广州期货研究中心
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分析师：许克元
F3022666
Z0013612
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