2022年光伏多晶硅料的生产工艺概况 多晶硅为光伏产业的基础材料

1. 多晶硅为光伏产业的基础材料

多晶硅——微电子大厦的基石。多晶硅为单质硅的一种形态，晶面上晶粒取向不 同，则结晶形成多晶硅。由干燥硅粉和干燥氯化氢气体，在一定条件下氯化，再 经冷凝、精馏、还原而得。多晶硅可作拉制单晶硅的原料，两者的差异主要体现 在物理性质方面，例如电学性质方面，多晶硅晶体的导电性远不如单晶硅显著。 多晶硅具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，微量的杂质即可大大影 响其导电性。多晶硅为半导体器件的电子信息基础材料，被称为“微电子大厦的 基石”。

多晶硅的下游需求增长动力主要来自于太阳能电池。按照纯度要求不同，分为金 属级、电子级和太阳能级。按照硅含量纯度可分为太阳能级硅（6N）和电子级 硅（11N）。随着光伏产业的快速发展，太阳能电池对于多晶硅的需求量增速显 著高于半导体领域的需求。

生产工艺方面，行业以改良西门子法为主。目前国际上多晶硅生产主要的传统工 艺有：改良西门子法、硅烷法和流化床法，另外还有冶金法、气液沉积法。改良 西门子法凭借工艺成熟、投资风险小、易扩建等诸多优势，在行业内实现了普及 推广，目前改良西门子法占据了全球光伏多晶硅料生产的 97%以上。

2. 改良西门子法为主流生产工艺

1955 年西门子公司成功开发了利用氢气还原三氯硅烷（SiHCl3）在硅芯发热体 上沉积硅的工艺技术，并于 1957 年开始了工业规模的生产，这就是西门子法工 艺。在此基础上，通过增加还原尾气干法回收系统、SiCl4氢气工艺，实现了闭 路循环，从而形成了改良西门子法。改良西门子法主要分为合成、提纯、还原、 尾气回收、冷氢化、后处理六大工序。

改良西门子法为传统西门子法的改进，实现生产过程的闭路循环，产品为棒状多 晶硅。改良西门子法工艺的特点为加强了尾气的干法回收，对尾气进行加压多级 冷凝分离处理。尾气分离出的三氯氢硅、氯化氢、氢气可返回系统利用，分离出 的四氯化硅加氢反应转化为三氯氢硅后返回还原炉，从而使得氯化氢、氢气得到 循环使用，只需要补充生产中的损耗量即可，从而大大降低了物料消耗，“三废” 量减少到了最低程度。

改良西门子法已成为行业主流工艺，占全球份额的 97%以上。西门子法经过改 良后，基本实现无排放，生产安全性得到大幅提升，并成为多晶硅生产中最为成 熟、投资风险最小、最容易扩建的工艺，此工艺下生产出的硅料产品具有质量好、 致密度高等特点。因此，改良西门子法得以实现推广，目前占据全球光伏多晶硅 料生产的 97%以上。

图：改良西门子法工艺多晶硅还原炉

高温加热及间断生产的特性，导致改良西门子法工艺依然存在高耗能的缺陷。改 良西门子法工艺最大的缺点为耗电量大。在生产过程中，还原炉及硅芯均需要加 热到 1000 度的高温，另外炉体需要冷却控温（避免硅沉积到钟罩上），这是需 要耗费大量电的主要原因。改良西门子法也是一个间断的批量生产过程，在硅棒 在炉内完成生长之后，需要断电断气降温出炉，导致炉内热量全部耗损。最后， 一次转换比例低和气体回收，也增加了耗电量。目前西门子法 1 吨多晶硅料的生 产大约需要耗费 5-6 万度电（每公斤需 50-60 度电），以高耗电的电解铝生产作 为对比，1 吨电解铝需要耗电量 1.25 万度。根据中国光伏行业协会数据，能源 消耗将会占到 TCS 改良西门子法生产成本的 31%-42%的比例。

改良西门子法还存在着工艺繁杂的缺点，炉内生产完成之后，需要进行破碎，才 能够进行后续的单晶拉制或多晶铸造晶体。破碎过程较为复杂，容易混入非金属、 灰尘纤维等杂质，从而影响晶体质量。根据中国粉体网数据，破碎成本为 1-3 元 人民币/公斤。

3. FBR 颗粒硅为更加理想的工艺

颗粒状多晶硅为工业研发追求的重要发展方向。改良西门子法工艺生产出的棒状 多晶硅，并不是最终产品，需要破碎成块供下游单晶硅生产商使用。并且，在拉 直大直径单晶硅时连续加料、或连续铸锭时，都需要使用颗粒状的多晶硅。发明 西门子法的西门子公司，曾经将自己工艺生产的棒状硅熔化成滴从而形成颗粒 硅，可见人们很早就意识到颗粒硅的重要性。

FBR 硅烷流化床法（颗粒硅技术）与西门子法，同时诞生于上世纪 60 年代。流 化床是指将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有流体的某些表 观特征。流化床法运用在光伏硅料生产中，是将细小的硅颗粒种子铺在有气孔的 床层上，然后从下面通入三氯化硅气体和其它反应气体，这时硅颗粒种子呈现出 流体特征。在加热等反应条件下，硅单质沉积在硅颗粒种子上，生成体积较大的 硅粒，通过出料管送出流化床反应器。

氢化与还原为流化床法中的两个核心步骤。目前流化床法，有基于硅烷和三氯氢 硅的两种工艺。在这两种技术工艺中，氢化与还原都是工艺的核心步骤。氢化技 术分为两类，即热氢化与冷氢化，冷氢化属于高压中温操作，对于设备材料和加 工要求特别高。在硅烷技术工艺中，得到三氯氢硅后再次进行氢化，到正硅烷 （silane），最后利用流化床颗粒硅工艺还原得到颗粒硅。

FBR 颗粒硅技术相较棒状硅的生产工序，大大缩减。与棒状硅的生产工序相比， 颗粒硅工艺仅需氢化、FBR 流化床还原两个核心工序，省去了原料精馏、尾气 回收、清洗烘干等步骤，工序大为简化。

FBR 颗粒硅技术对比西门子法，还具备低耗能、连续生产、无需破碎三大优势。 虽然也需要高温加热，但是 FBR 法因其流程较短、无间断生产，导致能耗、物 耗较改良西门子法低，综合电耗仅为西门子法的三分之一，无副产物、系统损耗 及排放量更少。FBR 颗粒硅技术不需要后处理破碎工序，即可直接使用，并能 填补硅块间的空隙提高坩埚装填量，提高拉晶产出。除上述三个显著优势外，流 化床工艺还具备了投资金额小、建设期短、占地面积小、生产效率高等优点。

图：颗粒硅与棒状硅的消耗成本对比

FBR 颗粒硅技术及装备存在极高的壁垒。颗粒硅工艺主要装置为流化床。大型 流化床硅料生产工艺在研发中，面临原理、工艺、材料、装置和运行参数等一系 列的高难度挑战，例如装置运行的气动原理、化学反应过程控制、颗粒硅在流化 床内的生长态控制等等。另外，还存在流化床原料气硅烷、氢气的安全生产、储 存和运输等困难。因此，流化床生产工艺被视为理论上优势显著、但又难以企及 的行业技术高峰。

源起美国 MEMC 公司，MEMC 为全球唯一一家实现量产电子级颗粒硅的厂商。 自上世纪六七十年代起，西方各国都参与了研发颗粒硅的竞争。美国公司 MEMC 经过 10 余年的研发，于 1987 年正式建成了 1250t/a 的粒状多晶硅生产线，采 用在流化床上分解硅烷得到颗粒硅，产品达到电子级颗粒硅的品质规格。MEMC 为全球著名的半导体材料公司，拥有这条颗粒硅生产线，这也使得 MEMC 公司 成为全球唯一能够稳定量产电子级颗粒硅的厂家。除 MEMC 公司外，美国 REC （Asimi）、德国瓦克等公司也有储备有流化床技术，并积极推动规模化生产。

4. FBR 颗粒硅助力光伏产业碳减排

气候问题日益严峻，减排行动刻不容缓。世界气象组织公布，2016-2020 年全球 平均气温是有记录以来最暖的，比 1850-1900 年高出约 1.1℃。全球平均海平面 加速上升，极端天气事件发生频率增加等问题已经引起世界各国的重视。为了全 面应对全球气候变暖问题，联合国多次召开气候变化大会。自 2015 年《巴黎协 定》签署以来，各国相继提出国家自主贡献承诺，但减排之路依然任重道远。

碳减排承诺目标持续提高，国家碳减排路线图逐步明确。中国应对气候变化国际 承诺目标持续提高，在提前完成了哥本哈根协议中 2020 年的减排承诺基础上， 习近平主席于 2020 年联合国大会和气候雄心大会上做出了较巴黎协定更进一步 的减排承诺，并首次提出了 2060 年前后实现碳中和的目标。中央和国家各部委 加速推进碳减排相关规划、政策法规和制度体系建设。十九届五中全会、中央经 济工作会议、中央全面深化改革委员会会议等党中央重要会议多次强调抓紧制定 2030 年前碳排放达峰行动方案。

颗粒硅是“碳达峰、碳中和”要求下的光伏材料新工艺。光伏产业链中，硅料及 硅片制造环节耗能较高，不仅制约光伏发电的成本降低，也影响我国“碳达峰、 碳中和”目标的实现。目前光伏产业链中能耗最高的是硅料制造环节，能耗占比 达 45%。2021 年是“十四五”规划的开局之年，国家发改委修订《2030 年碳 达峰，2060 年碳中和》的宏大战略，对于光伏发电等可再生能源发展目标、逻 辑、路径和方式带来重大影响。国家发改委明确提出以风光为主的可再生能源电 力电量在“十三五”的规模上大幅提升。根据中国光伏协会（CPIA）研究报告， 目前光伏度电碳排放量仅有 33-50g，相较于煤炭发电量减少约 420g。国家发改 委预计在“十四五”和“十五五”期间，风光新增总装机量在 1200-1300GW 左 右。

光伏电力作为低碳能源的重要来源，颗粒硅成为最符合低碳目标的新一代轨迹原 材料。光伏行业上游是典型的高能耗生产行业，供给端深度脱碳已经成为光伏行 业在碳中和大背景下的重要技术革新点。而颗粒硅具有低成本、低能耗、低排放 的特点，不仅仅在平价上网时代具有性价比优势，而且相较于棒状硅更加符合低 碳减排政策的优点。公司 2021 年上半年年报数据显示，每生产一万吨颗粒硅将 会减少碳排放 44.8 万吨，较改良西门子法降低 74%，可节省燃煤 16.64 万吨， 相当于每年多种 218.6 万棵树。根据瞭望智库数据，仅硅料环节生产 1GW 颗粒 硅可减排 13 万吨二氧化碳，从整个产业链来看，生产 1GW 组件至少可降低二 氧化碳排放量 47.7%。未来，FBR 颗粒硅将对我国光伏产业链碳减排起到至关 重要的作用。根据 2020 年 5 月工信部发布的《光伏制造行业规范条件（2020 年本》（征求意见稿）规定，新/扩建多晶硅综合电耗不大于 70 千瓦时/千克。 而根据全国能源信息平台数据，FBR 颗粒硅综合电耗仅为 18 千瓦时/千克，远 低于行业规范。

颗粒硅碳足迹优势明显，碳足迹认证进程加速。2021 年 5 月 29 日，中国质量 认证中心完成了对于颗粒硅的首张碳足迹认证，该证书为 GCL 硅烷硫化床法颗 粒硅在碳排放大数据方面的优势做了重要背书。2021 年 10 月 27 日，法国能源 署对保利协鑫颗粒硅颁布了碳足迹认证证书，每生产 1 千克颗粒硅的碳足迹数值 为 37 千克二氧化碳当量。硅烷流化床法颗粒硅作为光伏材料行业绿色发展的先 进生产力和发展方向，在下游应用端受到客户的广泛认可，产能长单覆盖率高。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）