作為光伏產(chǎn)業(yè)鏈條上最上游的原材料環(huán)節(jié),多晶硅在中國的發(fā)展經(jīng)歷了從依靠進(jìn)口到領(lǐng)先世界的自主發(fā)展之路。
我國硅材料的發(fā)展起步較早,在光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展起來之前一直進(jìn)展緩慢。1959年,我國成功拉制出硅單晶。中國硅材料產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程,到2005年全國多晶硅產(chǎn)量僅有60噸。
當(dāng)時(shí),隨著國際光伏市場(chǎng)的爆發(fā),光伏產(chǎn)業(yè)鏈電池與組件生產(chǎn)投資進(jìn)入了一個(gè)新的增長期,作為產(chǎn)業(yè)鏈上游最核心的多晶硅產(chǎn)品,由于當(dāng)時(shí)國內(nèi)不能滿足市場(chǎng)需求,我國硅料加工企業(yè)不得不從海外大量進(jìn)口。
全球多晶硅產(chǎn)能主要集中于海外,以德國Waker、美國Hemlock和韓國OCI為主要的多晶硅廠商,其年產(chǎn)量均在1萬噸以上。多晶硅產(chǎn)品作為光伏產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)技術(shù)和資金壁壘最高的環(huán)節(jié)之一,主要生產(chǎn)工藝技術(shù)在行業(yè)發(fā)軔早期被海外產(chǎn)業(yè)巨頭封鎖。
2005年,國際市場(chǎng)的多晶硅為每公斤40美元,從2006年開始,世界范圍內(nèi)太陽能級(jí)和半導(dǎo)體級(jí)的多晶硅料供需均出現(xiàn)缺口,其中以太陽能級(jí)產(chǎn)品的缺口最大,到2008年多晶硅價(jià)格上漲至每公斤500美元,三年時(shí)間內(nèi)翻了12倍。
為了扭轉(zhuǎn)受制于人的局面,國內(nèi)一些企業(yè)開始著手多晶硅核心工藝開發(fā)。
華陸工程科技有限公司,其前身是成立于1965年的化學(xué)工業(yè)部第六設(shè)計(jì)院,憑借自身在有機(jī)硅、三氯氫硅合成方面積累的豐富經(jīng)驗(yàn),充分發(fā)揮企業(yè)自主研發(fā)技術(shù)工程化優(yōu)勢(shì),由技術(shù)專家陳維平牽頭組建多晶硅技術(shù)開發(fā)和工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì),不到1年時(shí)間,成功掌握冷氫化核心技術(shù)(冷氫化工藝反應(yīng)溫度在500°C左右,較熱氫化的1250°C有大幅的下降,同時(shí)在轉(zhuǎn)換率上也比后者有顯著的提升,達(dá)到20%左右),建立了更為節(jié)能完整的多晶硅生產(chǎn)工藝,填補(bǔ)了我國在多晶硅生產(chǎn)領(lǐng)域的多項(xiàng)技術(shù)空白,產(chǎn)品完全達(dá)到了太陽能級(jí)和高純度電子級(jí)的國際水平。
隨著國內(nèi)企業(yè)突破多晶硅技術(shù)瓶頸,從2006年開始,國內(nèi)光伏制造企業(yè)正式進(jìn)入原料多晶硅規(guī)?;a(chǎn)領(lǐng)域,價(jià)格的飆升更是吸引了企業(yè)進(jìn)軍多晶硅產(chǎn)業(yè)。
2006年,亞洲硅業(yè)和青海新能源集團(tuán)共同出資,在西寧東川工業(yè)園開工建設(shè)年產(chǎn)能1000噸多晶硅產(chǎn)線,隨后,國家電投集團(tuán)1250噸多晶硅項(xiàng)目、南玻集團(tuán)5000噸多晶硅項(xiàng)目、江蘇大全6000噸項(xiàng)目、通威集團(tuán)1萬噸項(xiàng)目、愛信硅科技1萬噸項(xiàng)目、亞洲硅業(yè)6000噸項(xiàng)目、大陸產(chǎn)業(yè)投資集團(tuán)1萬8000噸項(xiàng)目等紛紛上馬。中國光伏多晶硅產(chǎn)業(yè)開始進(jìn)入快車道。
2006年9月12日,江蘇中能多晶硅項(xiàng)目開工動(dòng)土打樁;同年12月30日精餾塔封頂;2007年6月22日,氯氫化車間開始打樁;9月19日,一年時(shí)間,第一爐12對(duì)棒多晶硅產(chǎn)品成功出爐,而同時(shí)期國際上建設(shè)這樣規(guī)模的多晶硅廠通常需要20至24個(gè)月,協(xié)鑫開局即領(lǐng)先世界水平。
從第二期項(xiàng)目建設(shè)開始(2007年8月11日項(xiàng)目打樁,2008年5月26日二期年產(chǎn)1500噸電子級(jí)多晶硅項(xiàng)目投產(chǎn),歷時(shí)10個(gè)月左右),江蘇中能的部分設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,以尾氣分離裝置為例,除了壓縮機(jī)仍然需要進(jìn)口之外,其他部件全部由國內(nèi)廠家生產(chǎn);第三期項(xiàng)目設(shè)備國產(chǎn)化率已經(jīng)達(dá)到80%。
第三期工程的產(chǎn)能是第一期的10倍,但其總投資卻不到第一期工程的7倍,通過設(shè)備國產(chǎn)化,江蘇中能的建設(shè)費(fèi)用節(jié)省了30%,建設(shè)成本在國內(nèi)多晶硅企業(yè)中處于較低的水平。由華陸公司負(fù)責(zé)技術(shù)開發(fā)和工程設(shè)計(jì)的江蘇中能15000噸/年多晶硅項(xiàng)目成功投產(chǎn),正式結(jié)束了國內(nèi)多晶硅單體千噸級(jí)以上無法量產(chǎn)的歷史。
在電子級(jí)多晶硅制造領(lǐng)域,國家電投集團(tuán)經(jīng)過技術(shù)引進(jìn)、消化吸收,創(chuàng)新突破,目前已形成3300噸/年電子級(jí)多晶硅產(chǎn)能,掌握了高純多晶硅生產(chǎn)關(guān)鍵核心技術(shù),擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),主要指標(biāo)已超過國標(biāo)(GB/T12963-2014)電子1級(jí)品要求,與三菱、REC、OCI等進(jìn)口產(chǎn)品相當(dāng),可完全替代進(jìn)口產(chǎn)品,占國內(nèi)集成電路市場(chǎng)份額約20%左右。
產(chǎn)能逐漸釋放令供需趨于平衡,2008年金融危機(jī)之后,光伏市場(chǎng)需求疲軟,2009年多晶硅價(jià)格出現(xiàn)大幅跳水,價(jià)格下降至50美元/公斤左右。到了2011年,光伏市場(chǎng)需求超預(yù)期而硅料產(chǎn)能不足,導(dǎo)致多晶硅出現(xiàn)短暫供不應(yīng)求,其價(jià)格在2011年中回升至75美元/公斤左右。
到2012年,全球多晶硅產(chǎn)能達(dá)到40萬噸,產(chǎn)量達(dá)到23.4萬噸,其中我國以7.1萬噸的產(chǎn)量位居全球首位,美國以5.9萬噸位居第二,韓國、德國和日本產(chǎn)量分別為4.1、4和3.1萬噸。其中,德國Wacker公司以3.8萬噸的產(chǎn)量位居全球首位,我國江蘇中能公司以3.7萬噸的產(chǎn)量位居次席,韓國OCI、美國Hemlock和美國REC公司分別以3.3萬噸、3.1萬噸和2.1萬噸位居三到五位。
此時(shí),多晶硅環(huán)節(jié)“兩頭在外”的格局已被打破,長期被海外巨頭作技術(shù)封鎖的上游原材料環(huán)節(jié)已不再是中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。國內(nèi)多晶硅產(chǎn)業(yè)的規(guī)模優(yōu)勢(shì)開始顯現(xiàn),江蘇中能、賽維LDK、洛陽中硅、重慶大全產(chǎn)能已達(dá)到萬噸級(jí),總產(chǎn)能達(dá)到10萬噸。
受供需關(guān)系所影響,多晶硅價(jià)格持續(xù)下滑,全球多晶硅價(jià)格在一年內(nèi)降幅達(dá)到30%以上,至2012年底,多晶硅現(xiàn)貨價(jià)格僅約為16美元每千克,低于行業(yè)多晶硅企業(yè)的平均生產(chǎn)成本。在隨后的大約5年時(shí)間里,國產(chǎn)多晶硅產(chǎn)能進(jìn)一步釋放,國內(nèi)光伏市場(chǎng)需求快速增長,多晶硅供需在整體上維持基本的平衡,價(jià)格圍繞25美元/公斤上下波動(dòng)。
也就是在此間,改良西門子法已經(jīng)成為我國多晶硅產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)。1955年,西門子公司成功開發(fā)了利用氫氣還原三氯硅烷在硅芯發(fā)熱體上沉積硅的工藝技術(shù),于1957年開始了工業(yè)生產(chǎn)。西門子工藝的改進(jìn)主要集中在減少單位多晶硅產(chǎn)品的原料、輔料、電能消耗以及降低成本等方面。改良西門子法在西門子法工藝基礎(chǔ)上,增加了還原尾氣干法回收系統(tǒng)、四氯化硅氫化工藝,實(shí)現(xiàn)了全工藝流程閉路循環(huán)。
技術(shù)再創(chuàng)新
2018-2019年,隨著531光伏新政的出臺(tái),國內(nèi)光伏市場(chǎng)增量需求下滑,多晶硅需求量受到一定的沖擊,其價(jià)格在2019年末降到10美元/公斤之下。2020年以來,在“雙碳”戰(zhàn)略大背景下,全球光伏市場(chǎng)需求出現(xiàn)大幅增長,而上游硅料企業(yè)新增產(chǎn)能釋放有限,多晶硅出現(xiàn)供需偏緊,導(dǎo)致其價(jià)格持續(xù)上漲。
改良西門子法實(shí)現(xiàn)無排放,生產(chǎn)安全性得到了大幅提升,稱為多晶硅生產(chǎn)中最為成熟、投資風(fēng)險(xiǎn)最小、最容易擴(kuò)建的工藝,此工藝下生產(chǎn)的硅料產(chǎn)品具有質(zhì)量好、致密度高等特點(diǎn)。
目前,改良西門子法生產(chǎn)線占全球光伏多晶硅生產(chǎn)的97%以上。國內(nèi)改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝的主要成本由金屬硅、電力以及三氯氫硅三部分組成,其中能源電力成本占比較高。在實(shí)現(xiàn)原材料多晶硅生產(chǎn)工藝的綠色可持續(xù)方向上,降低電力能源的消耗是晶硅工藝技術(shù)創(chuàng)新的主方向。行業(yè)圍繞多晶硅生產(chǎn)技術(shù)的高產(chǎn)品質(zhì)量和低生產(chǎn)成本的創(chuàng)新研發(fā)一直在進(jìn)行。
在晶硅行業(yè),關(guān)于技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)從未停歇過。雖然改良西門子法一直占據(jù)行業(yè)主流市場(chǎng),從去年以來,硅料供應(yīng)市場(chǎng)的持續(xù)緊張,讓顆粒硅企業(yè)找到了好時(shí)機(jī)。棒狀硅和顆粒硅多晶硅原材料里常見的類型。棒狀硅是采用目前主流的生產(chǎn)工藝改良西門子法生產(chǎn),顆粒硅則是采用硅烷流化床工藝生產(chǎn)。
事實(shí)上,流化床法制備顆粒硅已經(jīng)擁有比較悠久的研發(fā)歷史,早在上世紀(jì)五十年代就有學(xué)者提出了通過化學(xué)氣相沉積的原理來制備多晶硅。隨后在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn),形成了目前的工藝。
國內(nèi)開展流化床工藝的廠商有協(xié)鑫、陜西天宏和亞洲硅業(yè)。協(xié)鑫科技自2010年開始布局硅烷流化床工藝,2012年成功產(chǎn)出合格的高純硅烷氣,其于2016年收購SunEdison有關(guān)硅烷流化床、CCZ連續(xù)直拉單晶的技術(shù)與資產(chǎn),經(jīng)過近十年的研發(fā)之路,最終實(shí)現(xiàn)了顆粒硅的穩(wěn)定量產(chǎn)。2021年2月3日,協(xié)鑫科技的顆粒硅年有效產(chǎn)能由此前的6000噸提升至10000噸,正式邁入萬噸級(jí)產(chǎn)能規(guī)模。
相較于傳統(tǒng)西門子法,F(xiàn)BR顆粒硅生產(chǎn)工藝具有流程短、綜合能耗低、反應(yīng)單次轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢(shì)。然而,目前通威、協(xié)鑫、新特、大全、東方希望五家企業(yè)占據(jù)了國內(nèi)硅料產(chǎn)業(yè)85%的產(chǎn)能,除了協(xié)鑫外,其余四家均采用改良西門子工藝。據(jù)統(tǒng)計(jì),顆粒硅2021年出貨大致在1.5萬噸,占全部總需求(55萬噸)不到3%。
顆粒硅產(chǎn)品在質(zhì)量上不斷進(jìn)步,雜質(zhì)不斷減少,其與傳統(tǒng)硅產(chǎn)品的差距正在縮小。從P型電池向N型電池過渡的情形下,已然對(duì)上游多晶硅提出了更高的要求,而這些要求主要集中體現(xiàn)在硅的純度上,顆粒硅尚能否顛覆多晶硅行業(yè)格局還需時(shí)間考驗(yàn)。
原標(biāo)題:多晶硅:從進(jìn)口到自主