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顆粒硅最近被熱捧的氣氛，讓人感覺顆粒硅能讓光伏發(fā)電一夜之間跑步進入平價上網(wǎng)時代，擺出光伏降成本沒它不成的樣子。不過，我們還是需要冷靜一下，用數(shù)據(jù)說話，捋一捋顆粒硅發(fā)展的來龍去脈，挖掘顆粒硅到底有何玄機。

1.1 流化床顆粒硅技術并非顛覆性技術

多晶硅是用來制備單晶硅棒或者多晶硅錠的原材料，是當前以硅基太陽電池為主導的光伏產業(yè)鏈的基礎原料，屬于光伏產業(yè)鏈的上游（見圖1）。多晶硅原材料常見的類型有棒狀硅和顆粒硅（見圖2）。棒狀硅是采用目前主流的生產工藝改良西門子法生產的，而最近被熱炒的顆粒硅則是采用硅烷流化床工藝生產的。


棒狀硅和顆粒硅二者生產采用的原料相同均是工業(yè)硅，不同之處在于還原硅過程中采用的中間體。從本質上來講，不論是改良西門子法生產的棒狀硅還是硅烷流化床法生產的顆粒硅，都是將工業(yè)硅提純?yōu)楦呒冸娮蛹壒瑁?N）或者太陽能硅（6N）。
改良西門子法采用的中間體是三氯氫硅；同時，為了保證生產過程的高效和環(huán)保無污染，改良西門子法配備有一系列與三氯氫硅相關的原料和能量回收循環(huán)再利用系統(tǒng)。硅烷流化床法工藝采用的中間體是硅烷，與之配套的是制備硅烷的系統(tǒng)。理論上來講，過程中并不消耗氯和氫，這些元素僅在系統(tǒng)內發(fā)揮中間轉化和傳遞的作用。

1.2 硅烷流化床顆粒硅制備流程簡單，但控制流化床長周期穩(wěn)定運行難度高

流化床法制備顆粒硅的研發(fā)歷史比較悠久，早在上世紀五十年代就有學者提出了通過化學氣相沉積的原理來制備多晶硅。隨后在此基礎上不斷改進，形成了目前的工藝。關鍵設備流化床反應器的關鍵工藝流程如下：作為晶種的高純度硅籽晶從流化床反應器上部加入后，堆積形成晶種顆粒床層，將床層加熱到反應要求的溫度后，從反應器底部通入硅烷、氫氣的混合氣使晶種床層達到流化狀態(tài)，預熱的混合氣通過加熱床層時，硅烷分解形成單質硅沉積到硅籽晶表面（見圖3）。從反應溫度來講，硅烷在流化床內熱解的溫度僅為500-800℃，遠低于改良西門子法1100℃左右的反應溫度。流化床工藝的特點給生產多晶硅帶來多重優(yōu)勢，硅烷流化床內溫度分布比較均一，反應器內硅沉積的表面積大，沉積速率快，可以實現(xiàn)連續(xù)進料、出料。


改良西門子法的核心流程是三氯氫硅提純后與高純氫一起送入反應器（也稱為鐘罩反應器），在反應器內的硅芯表面（硅芯被加熱到1000—1150℃）發(fā)生化學氣相沉積反應，硅芯逐漸長成棒狀硅（見圖4）。相比較而言，由于三氯氫硅在還原爐內利用效率低，需要對未反應的二氯氫硅、三氯氫硅、四氯氫硅、氯化氫和氫氣等尾氣經回收工藝分離提出后再利用，導致改良西門子法工藝流程更復雜，見圖4。改良西門子法需要間歇的打開鐘罩反應器取出反應完全的棒狀硅，一方面導致操作流程不連續(xù)、效率較低，另一方面高溫的反應器經常打開會造成熱損失大。
氫和金屬雜質含量是影響顆粒硅品質的主要因素。工信部發(fā)布了《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件（2020年本）（征求意見稿）》，要求多晶硅滿足《太陽能級多晶硅》（GB/T 25074-2017）和《流化床法顆粒硅》（GB/T 35307）特級品的要求（見表1和表2）。其中，對顆粒硅明確提出了嚴格的氫含量的要求以及較太陽能級多晶硅標準中更嚴格的金屬雜質含量的要求。

由于最初多晶硅的下游客戶主要是半導體廠商，改良西門子法穩(wěn)定可靠的制備高純的棒狀硅符合半導體器件行業(yè)的要求，而流化床法顆粒硅則主要應用在太陽能領域。目前，國內顆粒硅的應用較少，國家出臺了顆粒硅的標準專用于規(guī)范生產企業(yè)控制顆粒硅的品質的行為，其應用效果如何有待市場的進一步驗證。

從尺寸上來說二者差異顯著，棒狀硅，個頭更大，尺寸范圍更廣，標準規(guī)格為3mm-200mm；而顆粒硅尺寸小的多，標準規(guī)定的尺寸為1mm-3mm。


1.4 顆粒硅的發(fā)展歷程

在2010年之前，中國多晶硅產業(yè)整體的技術水平比發(fā)達國家顯著落后。之后，我國成功引進具有成熟應用經驗的改良西門子法技術并經過十多年的快速發(fā)展，光伏產業(yè)具備了先進的多晶硅本地化生產能力，也大幅降低了對進口多晶硅的依賴（見圖5）。同時，該技術的持續(xù)優(yōu)化也促進了國內多晶硅價格大幅下降并將價格維持在一個相對較低的水平。本土企業(yè)生產多晶硅的成本優(yōu)勢讓國外曾經的多晶硅巨頭也面臨經營窘境。最近的消息顯示，德國行業(yè)巨頭瓦克公司的多晶硅成本難以與我國企業(yè)競爭，有可能要退出太陽能級多晶硅市場。改良西門子法在國內和國外均是主流的多晶硅制備工藝，并且已經成熟應用了幾十年，企業(yè)廣泛參與，積累的經驗也很豐富。


國內外的顆粒硅技術商業(yè)化運營歷史不長，顆粒硅技術路線商業(yè)化前景有待觀察。由于多晶硅發(fā)展初期需求主要來自于半導體，要求的純度很高，流化床法顆粒硅不能滿足要求。國際上實現(xiàn)流化床顆粒硅商業(yè)化的企業(yè)較少，最初僅有REC公司和MEMC公司。REC從2006年開始建設流化床顆粒硅生產線，到2015年提出關閉美國的多晶硅工廠，再到2019年正式關閉該廠也就10多年的歷史。需要注意的一點是，這兩家公司除了顆粒硅之外，他們也擁有改良西門子法生產線，而且多晶硅主要來自于改良西門子法生產線。受2011-2012年國際光伏貿易摩擦及補貼政策大幅降低的影響，國際光伏市場需求增速大幅下滑（見圖6），國內外光伏企業(yè)均受到較大影響。MEMC和REC公司同樣也都遭受重創(chuàng)，經營狀況不佳，其所擁有的顆粒硅技術分別被協(xié)鑫和陜西有色天宏硅業(yè)通過收購和合作的方式拿到?？梢哉f，美國的光伏貿易保護主義政策加速了兩家企業(yè)技術最終流向國內的進程。
受中美貿易摩擦的影響，REC開始了在中國建設流化床法顆粒硅生產線的想法。早在2014年就與陜西有色天宏新能源有限責任公司合資成立了天宏瑞科，天宏瑞科在陜西榆林建立了一個年產500噸電子級高純硅烷氣、1000噸電子級多晶硅、18000噸粒狀多晶硅的硅材料生產線。天宏瑞科顆粒硅生產線2017年11月投入試生產。該生產線雖然號稱采用了REC的全套技術，但是到目前為止仍未大規(guī)模投產。

保利協(xié)鑫對顆粒硅的前景比較樂觀。今年3月發(fā)布公告，稱公司硅烷流化床法顆粒硅萬噸投產后，已經在生產運營及下游客戶使用中得到實證。


硅烷流化床法工藝與改良西門子法相比，最大的特點就是反應過程中籽晶與硅烷氣接觸面積大，轉換效率高，硅烷的分解溫度低，硅烷流化床法流程短，沒有改良西門子法復雜的回收系統(tǒng)，綜合能耗優(yōu)勢明顯（見表3）。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)，2020年改良西門子法的綜合能耗為66.5kWh/kg-Si，其中還原電耗平均值為49 kWh/kg-Si，電耗包括硅芯預熱、沉積、保溫、結束換氣等工藝過程中的電力消耗；而硅烷法流化床法顆粒硅工藝綜合能耗較改良西門子法棒狀硅能耗低約40-50%，二者的能耗差別最大的是還原電耗。

由于顆粒硅應用案例較少，硅粉對顆粒硅造成的污染是否會對拉硅棒或者鑄錠工藝產生影響，仍需要相關硅片企業(yè)的驗證。

對比來看，改良西門子法工藝成熟穩(wěn)定，過程簡單可控，設備標準化，容易復制和擴大。生產的硅料質量好致密度高，一直是全球多晶硅料生產的主要方法，市場占比超過90%。顆粒硅能否達到棒狀硅相同的品質水平我們拭目以待。

3.1 多晶硅原材料已經不是降低

光伏組件成本最關鍵的環(huán)節(jié)

市場對光伏發(fā)電持續(xù)降低成本的需求始終沒有停止，通過降低多晶硅的成本是重要的途徑之一。近幾年，隨著世界各國能源轉型加速，光伏發(fā)電將扮演能源變革的重要角色，平價上網(wǎng)的訴求更加迫切，對光伏發(fā)電降低成本提出了更高的要求。

從組件的成本結構圖可以看出，多晶硅料目前已經不是降低光伏組件成本最為重要的環(huán)節(jié)，硅料成本僅占組件成本的10%左右（見圖7）。按照成本構成多少來看，依次需要降低成本的分別是組件、電池和硅片環(huán)節(jié)。因此從多晶硅原料端來促進電價的降低效果不那么顯著，而且需要考慮對硅片的質量和光伏電池效率的影響。 隨著近十來年光伏制造業(yè)的技術進步，光伏組件在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的成本占比大幅下降，從接近80%降低到了約為37%。硅材料在光伏發(fā)電系統(tǒng)投資中的占比在10個百分點以內（見圖8）。因此，降低硅材料的成本對降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體投資影響比較有限，對光伏發(fā)電度電成本的影響更是微乎其微。
3.2 顆粒硅安全生產要求高

硅烷有非常寬的自發(fā)著火范圍和極強的燃燒能量，決定了它是一種高危險性的氣體。硅烷流化床顆粒硅工藝以硅烷為主要的反應氣體，該類裝置對安全運行的管理水平要求很高。

具有多年顆粒硅生產經驗的REC公司明確將安全列為公司的文化，非常重視安全運行在公司的重要性。而當前我國在多晶硅安全生產管理方面的制度體系尚不完善，涉及管理多晶硅企業(yè)安全生產的安全運行制度尚在制定中。

采用改良西門子法的多晶硅企業(yè)安全事件引發(fā)業(yè)界關注，顆粒硅企業(yè)應引以為鑒。2020年7月，占50%多晶硅產能的新疆便發(fā)生了兩次爆炸事故，引起了短期內的多晶硅供應量不足，造成多晶硅價格上漲。7月2日，某多晶硅工廠的反應器在氮氣置換過程中，因管線震動造成排污閥焊口斷裂，導致物料泄漏燃爆。7月19日，另外一家多晶硅廠精餾裝置發(fā)生閃爆。據(jù)稱，該廠共發(fā)生了5次閃爆，精餾界區(qū)管廊全部炸斷，大量氯硅烷外泄，未有說明傷亡情況，但事故造成工廠停產。

3.3 封閉的技術創(chuàng)新環(huán)境限制了

顆粒硅技術升級的速度

與改良西門子法參與企業(yè)較多、技術交流相對比較開放不同，流化床法顆粒硅技術參與的企業(yè)比較少，而且各自為戰(zhàn)開展研發(fā)和商業(yè)化推廣。研發(fā)環(huán)境相對比較封閉。這種研發(fā)環(huán)境不利于技術的快速迭代升級。

總結

流化床法顆粒硅技術從工藝原理上比改良西門子法具有能源效率高、流程簡單等優(yōu)勢。但是，流化床生產過程的控制難度大，能否長周期穩(wěn)定可靠的運行，并產出符合用戶要求的多晶硅尚待驗證，相關的安全問題也是運行中的難點。即便顆粒硅可以滿足客戶要求，多晶硅在度電成本構成中的占比很低，在當前的光成本結構條件下降低多晶硅的成本對于降低光伏度電成本貢獻有限。多晶硅行業(yè)主要采用廉價的煤電來提高自身的經濟性，短期內尚無較低的電源可替代，若企業(yè)受到碳減排的約束，流化床法工藝的確可以實現(xiàn)顯著降低多晶硅碳足跡的作用。 

原標題：顆粒硅對光伏行業(yè)是否會有顛覆性的影響？