約85%,這是目前主流多晶硅制備技術(shù)路線——采用GCL西門子法(改良西門子法)制備棒狀硅的市場占有率。
但在去年,多晶硅的另一條制備技術(shù)路線——采用硅烷流化床法生產(chǎn)FBR顆粒硅,呈現(xiàn)出強勁增長勢頭。
其中,位于江蘇徐州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的協(xié)鑫科技控股有限公司(以下簡稱協(xié)鑫科技)表現(xiàn)十分搶眼。2022年,該公司生產(chǎn)的顆粒硅較2021年同期增長537.3%,目前在硅料市場中的占比從個位數(shù)迅速飆升到15%左右。
對于顆粒硅的優(yōu)勢,協(xié)鑫科技助理副總裁宋昊認(rèn)為,顆粒硅成本低是最表象最基礎(chǔ)的競爭優(yōu)勢,顆粒硅從碳足跡上帶來的貢獻(xiàn)和影響其實更大。用經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行衡量,如果使用去年顆粒硅的生產(chǎn)量進(jìn)行計算,自愿減排協(xié)議的交易價格進(jìn)行測算,顆粒硅所帶來的經(jīng)濟(jì)收益實際上大于減少的行業(yè)成本。
放眼未來,協(xié)鑫科技也為光伏行業(yè)發(fā)展做了很多準(zhǔn)備。宋昊介紹:“協(xié)鑫科技正在做兩件事,其一是CCZ(連續(xù)提拉法)應(yīng)用,因為顆粒硅的形態(tài)變化提供了更多的技術(shù)可能性,所以協(xié)鑫科技在拉晶環(huán)節(jié)上做了更多的研發(fā);其二是鈣鈦礦的研發(fā),相對于晶硅,鈣鈦礦可以節(jié)約很大一部分材料成本,并且在效率與便攜性能上有較大的優(yōu)勢,所以無論是學(xué)術(shù)界還是從產(chǎn)業(yè)界,都認(rèn)為鈣鈦礦是一個明確的發(fā)展方向。協(xié)鑫科技現(xiàn)已經(jīng)將鈣鈦礦16%以上的量產(chǎn)效率,今年在100MW的中試線上大概率可以看到18%以上轉(zhuǎn)換效率的1米×2米甚至更大尺寸的鈣鈦礦的組件。”
一、多晶硅的生產(chǎn)技術(shù):改良西門子法與硅烷流化床法的工藝比較
目前多晶硅的生產(chǎn)技術(shù)主要有兩種,即改良西門子法對應(yīng)的棒狀硅,硅烷流化床法對應(yīng)的顆粒硅。
1、改良西門子法工藝
改良西門子法工藝采用三氯氫硅作原料氣,用鐘罩式還原爐(化學(xué)氣相沉積法(CVD)還原爐),爐里倒插上一根根硅芯,再蓋上大鐘罩。三氯氫硅通過管道導(dǎo)入還原爐,在高溫高壓的爐內(nèi)(二十幾個大氣壓),硅芯高溫后導(dǎo)電加上催化劑催化,三氯氫硅熱分解產(chǎn)生硅單質(zhì),沉積在吸附力很強的硅芯上,慢慢長成硅棒。
爐內(nèi)還有幾種平行化學(xué)反應(yīng),生成二氯二氫硅、氯化氫、氫氣等。還原罐里各種氣體被抽出分離,分別送回化工過程或還原爐循環(huán)(改良西門子冷氫化法閉環(huán)生產(chǎn)基本無排放,節(jié)能降耗環(huán)保)。還原爐里硅棒都長成了。斷電、斷氣,降溫冷卻8小時,橫梁吊起冷卻后的鐘罩,露出柱樣的硅棒。
保利協(xié)鑫的全資子公司中能硅業(yè),最早在國內(nèi)探索西門子法生產(chǎn)多晶硅。曾經(jīng)是西門子法的領(lǐng)先者。
技術(shù)頻繁迭代的重資產(chǎn)行業(yè)存在這樣的問題,后來者沒有歷史包袱,可以輕裝上陣,導(dǎo)致后來者居上。
2、西門子法優(yōu)劣勢
西門子法工藝成熟穩(wěn)定,過程可控,設(shè)備標(biāo)化,容易復(fù)制和擴(kuò)大。生產(chǎn)的硅料質(zhì)量好致密度高,一直是全球多晶硅料生產(chǎn)的主要方法,市場占比極高。
但是,作為成熟工藝,西門子法在現(xiàn)有改良的基礎(chǔ)上繼續(xù)提升的空間不大,其主要有兩方面的問題:
(1)高能耗,西門子法多晶硅每公斤耗電大約60度,先進(jìn)水平也能低到45度,這樣每噸西門子多晶硅耗電5、6萬度。
(2)需要破碎后,才能在后續(xù)單晶拉制或多晶鑄造晶體的過程中使用。破碎方式人工原始,帶入雜質(zhì)的可能性更大。
3、硅烷流化床法的工藝
流化床把細(xì)小的硅顆粒種子鋪在有氣孔的床層上,從下面通入氣態(tài)硅化合物(硅烷或三氯氫硅)和其它反應(yīng)氣,氣流把硅種吹到飄浮半漂浮的流化狀態(tài),加熱和受到催化的硅化合物氣體分解或與其它氣體反應(yīng),生成的硅單質(zhì)沉積在浮動的硅種上,慢慢長成較大的硅粒,幾毫米到厘米級別都有,大點的顆粒掉入搜集斗,再由出料管送出流化床反應(yīng)器。
流化床法幾乎與西門子法同時誕生在上世紀(jì)60年代,主要是針對西門子法生產(chǎn)間斷、能耗高、硅料需多次破碎、塊狀料不方便自動裝填等問題,提供的另一個解決方向。
流化床法工藝簡單,連續(xù)生產(chǎn)低能耗,技術(shù)和裝置壁壘高,尤其是光伏硅料需要的大型生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)。
協(xié)鑫科技在2017年完成對美國SunEdison的收購,從SunEdison手里收購MEMC硅烷流化床技術(shù)、CCZ連續(xù)直拉單晶技術(shù)和資產(chǎn)。
借助SunEdison的研發(fā)和技術(shù),又經(jīng)過了四五年的研發(fā)迭代,才形成目前的規(guī)?;a(chǎn)。
目前,流化床法規(guī)?;虡I(yè)運行,僅見于MEMC Solar,REC Silicon公司的美國工廠、REC Silicon與陜西天宏的合資企業(yè)天宏瑞科硅材料在陜西榆林的工廠,顆粒硅產(chǎn)能為1.8萬噸。目前新增在建產(chǎn)能8萬噸,總計9.8萬噸。
4、兩種工藝各環(huán)節(jié)對比
改良西門子法工藝成熟,棒狀硅品質(zhì)較高,但是成本下降空間有限。顆粒硅,工藝簡潔,技術(shù)在不斷迭代,調(diào)氫等問題通過工藝解決。目前的顆粒硅基本可以用于生產(chǎn)N型硅片。
二、協(xié)鑫科技:持續(xù)投入見成效
江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司是協(xié)鑫科技光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)源地。廠區(qū)內(nèi),閃耀著金屬光澤的硅烷反應(yīng)塔高聳林立,身披藍(lán)色外衣的流化床裝置發(fā)出陣陣低鳴聲。
流化床是孕育顆粒硅的溫床。在這里,硅烷氣、氫氣以及硅籽晶在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成綠豆大小的顆粒硅。
出于保密需要,協(xié)鑫科技組建了完全獨立于改良西門子法之外的“秘密工廠”。協(xié)鑫科技助理副總裁宋昊回憶,公司百來人組成扁平化的科研團(tuán)隊,在這個“科研特區(qū)”,從人事、供應(yīng)鏈、設(shè)計,到設(shè)備運營、安裝以及專家、工程師待遇,均“與眾不同”。
2011年,第一代流化床第一次開車,顆粒硅分廠上下滿懷期望,目標(biāo)連續(xù)開車180天。
半個月后,意外出現(xiàn)了:生成的顆粒硅大若西瓜,將進(jìn)料口徹底堵死了。“跌跌撞撞”堅持了一年多后,團(tuán)隊決定放棄此前的技術(shù)工藝。
調(diào)整工藝后,開車時間延長到了68天。但新的問題又來了——熱量傳不進(jìn)去,產(chǎn)量不到目標(biāo)產(chǎn)能的1/10,且成本非常高。
改進(jìn)加熱方式后,采用第三代技術(shù)工藝的流化床一次最長開車時間延長到了89天。
雖然離目標(biāo)還有不小的差距,但正如蘭天石評價的:“就像竹筍在土下長了3年,在沒有出頭的時候,其實根已經(jīng)非常深了。”
轉(zhuǎn)眼到了2016年,顆粒硅依然箭在弦上,公司內(nèi)部有了雜音。朱共山不為所動,篤定繼續(xù)加大投入。同時,他動員所有高管勒緊腰帶過日子——工資砍半,獎金停發(fā)。但研發(fā)費用一分不少,研發(fā)人員工資和獎金一分不欠。
又過了3年,協(xié)鑫科技顆粒硅產(chǎn)線實現(xiàn)超過180天長周期穩(wěn)定運行。
雖然開車時長、產(chǎn)量達(dá)標(biāo)了,但顆粒硅品質(zhì)還很不穩(wěn)定,總金屬雜質(zhì)含量曾一度高達(dá)上百ppbw(十億分之一,為以質(zhì)量計數(shù)的濃度),且伴有“掛灰”“氫跳”等多個行業(yè)難題。
2019年,蘭天石接棒,將顆粒硅從科研并入生產(chǎn)進(jìn)行常態(tài)化管理。
終于在2020年,協(xié)鑫科技生產(chǎn)的顆粒硅被一步推向客戶并獲得實證,截至目前,總金屬含量低于1ppbw的產(chǎn)品比例已超過85%。
十年磨一劍。2011年至今,協(xié)鑫科技在顆粒硅研發(fā)及中試裝置上已累計投入100多億元。下一步他們要面對的,是即將到來的N型太陽能電池技術(shù)更迭浪潮。
三、協(xié)鑫科技具備的綜合競爭優(yōu)勢
1、成本上顆粒硅投資額、綜合電耗、人工成本更低。
根據(jù)2022年年報數(shù)據(jù),2022 年多晶硅行業(yè)平均綜合電耗為 60 kWh/kg-Si,蒸汽耗量均值為 15.0 kg/kg-Si,人均產(chǎn)出量為 58 噸/(人 · 年)。
顆粒硅的 FBR 生產(chǎn)工藝由于流程更短、后處理工序更少、占地空間更小,其投資額約為 7.2億元/萬噸,綜合電耗可優(yōu)化至 13.8 kWh/kg-Si,蒸汽耗量 15.3kg/kg-Si,人均產(chǎn)出量為 133 噸/(人 · 年)。
按此計算,F(xiàn)BR 顆粒硅的生產(chǎn)工藝較改良西門子法棒狀硅其投資額下降約 28%、綜合電耗降低約 77%、人均產(chǎn)出量提升約 29%。
徐州的顆粒硅產(chǎn)線,模塊投入較早。根據(jù)2022年年報公布,徐州基地顆粒硅生產(chǎn)綜合電價為0.65元/kwH。
2023年2月,公司徐州基地顆粒硅生產(chǎn)現(xiàn)金成本37.2913元╱kg,製造成本43.73元╱kg,低于同行業(yè)競企的成本。
樂山和包頭的產(chǎn)線進(jìn)入滿產(chǎn)不久,產(chǎn)線還在爬坡和調(diào)試。一季度協(xié)鑫未公布樂山和包頭的成本數(shù)據(jù)。
樂山和包頭的電價遠(yuǎn)低于徐州的電價,等產(chǎn)線穩(wěn)定后,顆粒硅的生產(chǎn)成本有望繼續(xù)下降。根據(jù)機構(gòu)統(tǒng)計目前協(xié)鑫的顆粒硅成本處于最低的位置,后續(xù)有望繼續(xù)下降。
2、品質(zhì)超預(yù)期提升,徐州、樂山和包頭三基地聯(lián)動,賽馬式競爭,產(chǎn)品提升迅速提升??蓾M足N型硅片的使用。
根據(jù)公司今年一季度公布的品質(zhì)提升曲線數(shù)據(jù),產(chǎn)品飛速迭代。
隨著顆粒硅有效產(chǎn)出的增加,品質(zhì)迅速提升:顆粒硅總金屬含量<3ppbw,產(chǎn)品比例由22年一季度的18.3%,提升至22年四季度的80.3%,一季度已提升至96%。總金屬含量≦1ppbw,產(chǎn)品比例已超過75%,完全滿足n型時代需求。
根據(jù)最新的紀(jì)要,到今年五月份,總金屬含量≦1ppbw,產(chǎn)品比例已達(dá)到99%。在總金屬含量0.5ppbw以下,仍有50%的顆粒硅達(dá)到要求。為N型時代的到來,做好了準(zhǔn)備。
3、采用特殊的營銷策略,助力顆粒硅迅速搶占市場,滿產(chǎn)滿銷。
協(xié)鑫在今年上半年單月產(chǎn)能達(dá)到2萬端,還有逐月還有增量。
采用適當(dāng)?shù)蛢r策略,在硅料價格處于高位及下降過程中,始終保持比棒狀硅的致密料低10元/公斤,迅速搶占市場份額,保持滿產(chǎn)滿銷。
硅料作為工業(yè)大宗商品,顆粒硅作為新一代產(chǎn)品,最初在產(chǎn)線大規(guī)模應(yīng)用,有一定的難度。
協(xié)鑫建設(shè)兩個全顆粒產(chǎn)線的示范項目:徐州光伏5GW顆粒硅單晶示范應(yīng)用項目和寧夏協(xié)鑫光伏5GW顆粒硅N型單晶示范項目。
一方面,通過示范項目不斷迭代,提升顆粒硅品質(zhì)。另外一方面,加大下游客戶的接受度。CCZ與顆粒硅適配應(yīng)用,未來示范項目的成功經(jīng)驗將完全開放給市場。
2022年以隆基、中環(huán)、上機、晶澳等頭部硅片廠商,不斷加大對顆粒硅的采購比例。
截止至一季度,由于顆粒硅的產(chǎn)能有限,顆粒硅基本用于摻雜使用,摻雜比例在15%~20%。
部分客戶的采購比例達(dá)到了每月硅料采購量的50%以上,這個對于上游供應(yīng)商而言,比例已經(jīng)非常高了。截止至目前,顆粒硅市場占有率為15%。
4、能源消耗低,創(chuàng)國內(nèi)外最低硅料碳足跡,提升組件未來競爭力。
顆粒硅于 2021 年獲得法國國家能源署頒發(fā)的碳足跡認(rèn)證證書。每千克顆粒硅碳排放量在 37 千克 CO2,打破了瓦克此前創(chuàng)下的每功能單位 57.559 千克 CO2 當(dāng)量的全球記錄,創(chuàng)下國內(nèi)外最低硅料碳足跡紀(jì)錄。
基于顆粒硅較為明顯的低碳屬性,使用顆粒狀生產(chǎn)的大尺寸 PERC 組件已獲法國碳足跡認(rèn)證,碳足跡平均值為 400—450 千克 CO2/千瓦,較未使用顆粒硅的同型號組件產(chǎn)品碳排放平均值降低 28%,具有較為明顯的低碳屬性。
未來碳交易趨于成熟后,顆粒硅生產(chǎn)的組件更具備競爭優(yōu)勢。
5、顆粒硅+CCZ工藝或?qū)⒂行嵘Мa(chǎn)能與效率
顆粒硅形似球狀,2mm 左右粒徑,具有良好的流動性、填充性,可以直接拉晶使用,能填補硅塊空隙,提高坩堝裝填量,從而提高拉晶產(chǎn)出。
同時,顆粒硅大小形狀比較均勻,熔化時對拉晶爐熱場擾動小,具有單次投料量多,熔化效率高,免破碎等多重優(yōu)勢,是未來大規(guī)模應(yīng)用CCZ技術(shù)(即連續(xù)直拉單晶硅技術(shù))的必要條件。
也就是為未來連續(xù)自動化生產(chǎn),大幅提高下游的生產(chǎn)效率,而降低成本。2022 年年報的數(shù)據(jù),公司 CCZ 單臺拉晶爐單產(chǎn)可達(dá)到 185 千克/天,已實現(xiàn) 200 兆瓦的中試產(chǎn)能。
6、儲備研發(fā)新一代光伏技術(shù)鈣鈦礦電池。
協(xié)鑫科技子公司昆山協(xié)鑫光電材料有限公司(協(xié)鑫)1mx2m的全球最大尺寸鈣鈦礦組件已經(jīng)下線,公司已具有大面積組件綜合研發(fā)生產(chǎn)能力。
當(dāng)前公司大面積鈣鈦礦組件光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)16%,2023年底有望突破18%。
原標(biāo)題:顆粒硅產(chǎn)業(yè),協(xié)鑫科技如何“擁科技為王”?