硅片分类、生产工艺及发展趋势有哪些？

硅片是多晶硅的直接下游，是多晶硅锭或单晶硅硅棒切片制成的薄片状基板。

硅片分为 光伏硅片和半导体硅片，两者应用场景不同，光伏硅片主要用于制作光伏太阳能电池。对半 导体硅片进行光刻、离子注入等手段，可以制成集成电路和各种半导体器件。根据有色金属 工业协会硅业分会的统计，在全球多晶硅的消费中，光伏硅片消费占比达到 98%，半导体硅 片占比不到 2%。与多晶硅类似，硅片也可分为 N 型和 P 型，N 型硅片是通过在硅原料中添 加五价杂质元素（如磷或砷）来形成，这些杂质提供了额外的自由电子；P 型硅片是通过在 硅原料中添加三价杂质元素（如硼或镓）来形成，这些杂质控制电子空穴的扩散。杂质浓度： N 型硅片中，五价杂质的浓度比纯硅中的自由电子浓度高；P 型硅片中，三价杂质的浓度比 纯硅中的电子空穴浓度高。在 N 型硅片中，自由电子是主要的电荷载体，可提供电流；在 P 型硅片中，正孔（电子空穴）是主要的电荷载体，也可提供电流。

根据生产工艺的不同，光伏硅片又可分为单晶硅片和多晶硅硅片。多晶硅片制造主要有 两大环节：铸锭和切片。单晶硅片的制造分为两个主要环节：拉晶和切片。在力学性质、电 学性质等方面，多晶硅片均不如单晶硅片，多晶硅片中不同晶粒之间的晶界会对电子传输造 成阻碍，因而多晶硅光电转换效率低于单晶硅。2019 年以后，国内金刚线切割技术不断改进， 单晶硅片逐渐取代多晶硅片。 拉晶工艺根据单晶硅的长晶方式不同，分为悬浮区熔法（Fz-floatzone）和直拉法（Czczochralski）。区熔可以生产出高质量的高纯度单晶，但其对原料、设备和技术的要求较为苛 刻，且对于多晶硅原料的尺寸要求较高，生产的晶体尺寸也较小，导致其生产成本较高。目 前 Fz 法多应用于对硅片要求较高的半导体领域，而光伏领域主要使用 Cz 法。在晶体生长过 程中，若掺入微量Ⅲ族元素（如硼、镓等）可制得空穴导电的 P（positive）型硅单晶；若掺 入微量Ⅴ族元素（如磷、砷等）可制得电子导电的 N（negative）型硅单晶。

硅片行业发展趋势：（一）生产制造环节非硅成本降低。从硅片成本结构看，当多晶硅价格在 20 万元/吨时，硅料（多晶硅）成本占比达到 86%， 其余成本主要由电耗和金刚线成本构成；当多晶硅价格 4 万元/吨时，硅料成本占比仅 40% 左右。硅片生产过程电耗主要包括拉棒电耗和切片电耗。单晶拉棒电耗是指直拉法生产单位 合格单晶硅棒所消耗的电量，可以通过改善热场、保温性能、提升设备自动化、智能化程度、 提高连续拉棒技术等方法，降低拉棒生产电耗。根据光伏行业协会统计，截至 2023 年，拉 棒平均电耗水平从 2022 年 24.4KWh/kg-Si 下降至 23.4kWh/kg-Si（方棒），预计 2030 年将下 降至 23.4KWh/kg-Si（方棒）以下。切片电耗是指通过切片工序，从方棒/方块到成品硅片所 消耗的电量。2023 年，切片电耗约为 8 万 KWh/百万片，较 2022 年小幅下降，主要原因是 N 型硅片市场占比有所增加，切片装备技术提升，硅片减薄速度增加。未来，硅棒棒长增长、 产线切速提升、细线化和薄片化带来的单次出片量增加等都将促进切片电耗继续下降，预计 到 2030 年切片电耗将下降至 7 万 KWh/百万片。此外，随着智能化生产设备的发展，硅片 人均产出逐年增加，硅片制造环节人工成本呈现下降趋势。截至 2023 年，硅片产线晶体环 节拉棒（方棒）人均产出率为 27.5t/(人·年)，切片人均产出率为 2.3 百万片/(人·年)。随 着未来大尺寸产能的持续释放以及自动化水平的提升，预计晶体拉棒（方棒）人均产出和切 片人均产出均会有所增加。但考虑到企业为社会提供就业机会等因素，此指标的增速或将放 缓。

（二）硅片薄片化推动耗硅量降低。硅片薄片化是光伏产业的趋势之一，但在近两年硅片向大尺寸演进的情况下，进程有所 放缓。硅片成本最大占比是单晶硅成本，硅片薄片化有利于增加单位硅棒产出硅片数量，但 过薄的硅片会降低电池片的良率和光电转化效率。根据光伏行业协会数据，截至 2023 年， 多晶硅片平均厚度为 170μm，由于市场终端需求量较小，无继续减薄的动力，因此预测 2024 年之后厚度维持 170μm 不变，但不排除后期仍有变薄的可能。P 型单晶硅片平均厚度 150μm 左右，较 2022 年下降 5μm。为保持 N 型产品竞争力，用于 TOPcon 电池片和异质结电池片 的 N 型硅片产品片厚减薄动力较强，用于 TOPCon 电池的 N 型硅片平均厚度为 125μm，用 于异质结电池的硅片厚度约 120μm，分别较 2022 年下降 15μm 和 5μm。预计到 2030 年，N 型 TOPcon 电池的硅片厚度有望降低至 100μm。

（三）硅片呈现大尺寸化、标准化趋势。早年间，市场硅片主要以方形为主，较为单一。随着降本增效需求的逐渐增强，2022 年 头部企业推出可以更加充分利用硅料的矩形硅片，硅片市场开始尺寸标准混乱、规范不一。 硅片尺寸由企业自身工艺和下游组件需求共同影响。拉晶环节后切片的切割设备大小，以及 对于成本控制的考虑，都会影响硅片的尺寸。一体化企业的硅片会根据下游组件需求调整尺 寸。比如，根据发电效率倒推组件尺寸，再由组件来决定需要什么尺寸的硅片。硅片尺寸不 统一让设计院、配套设备企业需要根据每家不同的硅片尺寸再配套相应的生产设备，不利于 提高生产效率，增加了产业链成本。 2023 年 7 月 7 日，隆基、天合光能等 9 家组件企业同时宣布，经过充分深入沟通，对 新一代矩形硅片中版型组件标准化尺寸达成共识。9 家企业还倡议 182 系列组件与 210 系列 组件尺寸设计应遵循中国光伏行业协会标准《T/CPIA 0003-2022 地面用晶体硅光伏组件外形 尺寸及安装孔技术要求》中的规定。下游组件尺寸统一为硅片标准化提供了基础条件，2023 年 8 月 18 日上午隆基绿能官方微信号发布消息称，阿特斯、东方日升、隆基绿能、通威股 份、一道新能、正泰新能等 6 家企业再次联合就 72 版型矩形硅片尺寸的标准化发出倡议。

在过去几十年中，受技术和成本等各种因素的推动，硅片尺寸从最初的 125 mm 进化到 158.75mm 后，维持了很多年；之后又进化到 166 mm(M6)、182 mm(M10)和 210 mm(G12) 等。 目前，125 mm 硅片早已不再生产，158.75 mm 硅片也近乎淘汰。硅片尺寸的增大导致太阳电 池面积的增加，从而会对光伏组件的电性能参数产生一定影响。由于太阳电池的输出电流与 其面积有关，面积越大，其输出电流越大。大尺寸硅片在提高效率的同时，也有助于减少主 材消耗并有利于降低 BOS 成本（BOS 成本包括逆变器、支架系统、电线电缆、土地成本、 安装成本等）。根据光伏行业协会数据，截至 2023 年，166mm 及以下、182mm 方片以及微 矩形硅片占比分别为 2.0%、47.7%、20.3%，但接下来几年占比都将逐步减少，预计 166mm 及以下尺寸硅片 2026 年左右将退出市场，而 182mm 方片和微矩形片 2028 年或将淡出市场； 2023 年，210mm 方片及矩形尺寸硅片市场占比分别为 20%、10%，以目前来看，两者可能成 为未来的市场主流尺寸，市场占比或将迅速增长，但仍需要市场的不断验证。