硅片工藝

硅粉提純之后就是多晶硅料，也稱為多晶硅。

多晶硅（料）分為單晶（硅片）用料和多晶（硅片）用料，區(qū)別是原子排列不一樣。

當(dāng)熔融的單質(zhì)硅凝固時(shí),硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長(zhǎng)成晶面取向相同的晶粒，則形成單晶硅。如果這些晶核長(zhǎng)成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶硅。

（來源：公開資料）

多晶硅料經(jīng)過融化鑄錠或者拉晶切片后，可分別做成多晶硅片和單晶硅片，進(jìn)而用于制造晶硅電池。

由于2020 年單晶硅片市場(chǎng)占比達(dá)到了約 90.2%，是未來的大趨勢(shì)，這里不再對(duì)多晶硅做介紹。

硅片的生產(chǎn)是指將硅料加工為硅片的過程，主要分為鑄錠、開方、切片三大工序。

具體步驟包括坩堝準(zhǔn)備、裝料、裝爐、長(zhǎng)晶、拆錠、線開方、截?cái)?、磨面倒角、切片、清洗分選等；

（來源：天合光能招股說明書）

硅片工藝主要在長(zhǎng)晶和切片環(huán)節(jié)。

1、鑄錠

鑄錠就是將多晶硅（料）制成硅棒的過程。

多晶硅（料）制作單晶棒目前主要包括拉直法、基座法、區(qū)熔法、氣相生長(zhǎng)法、片狀生長(zhǎng)發(fā)等。CZ和FZ生長(zhǎng)單晶硅棒材，外延法生長(zhǎng)單晶硅薄膜。CZ法生長(zhǎng)的單晶硅主要用于半導(dǎo)體集成電路、二極管、外延片襯底、太陽能電池等；FZ法生長(zhǎng)的單晶硅主要用于高壓大功率可控整流器件領(lǐng)域，廣泛用于大功率輸變電、電力機(jī)車、整流、變頻、機(jī)電一體化等；外延片主要用于集成電路領(lǐng)域。

直拉法（Czochralski，CZ）投料多，生產(chǎn)的單晶直徑大，設(shè)備自動(dòng)化程度高，工藝比較簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高。

其他方法制備工藝復(fù)雜、產(chǎn)品性能不良、成本等因素未能被普遍推廣。

這里主要簡(jiǎn)單介紹下直拉法生產(chǎn)多晶硅棒的過程。

直拉單晶制造法是將原料放在鉑、銥或石英坩堝中，在單晶爐中加熱熔化，在適當(dāng)?shù)臏囟认拢瑢⒆丫Ы胍好?，讓熔體先在籽晶的末端生長(zhǎng)，然后邊旋轉(zhuǎn)邊慢慢向上提拉籽晶，晶體即從籽晶末端開始逐漸長(zhǎng)大。

直拉法生長(zhǎng)單晶示意圖如下。

（來源：公開資料）

最后生長(zhǎng)出來的單晶硅棒如下圖：

（來源：公開資料）

這個(gè)也解釋了為什么是“單晶硅棒”，而不是其他形狀。

硅棒示意圖如下：

（細(xì)頸10，肩部20，等徑部30，尾部40）

（來源：公開資料）

長(zhǎng)晶工藝

加料→熔化→引晶→縮頸生長(zhǎng)→放肩生長(zhǎng)→等徑生長(zhǎng)→尾部生長(zhǎng)→退火處理

（1）加料：將多晶硅原料及雜質(zhì)放入石英坩堝內(nèi)，雜質(zhì)的種類依電阻的N或P型而定。

（2）熔化：關(guān)閉長(zhǎng)晶爐并抽成真空，充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍內(nèi)，然后打開石墨加熱器電源，加熱至熔化溫度（1420℃)以上，將多晶硅原料熔化。

（3）引晶：當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)，可將籽晶與熔體接觸。此時(shí)要控制好溫度，當(dāng)籽晶與熔體液面接觸，浸潤(rùn)良好時(shí)，可開始緩慢提拉，隨著籽晶上升硅在籽晶頭部結(jié)晶，這一步驟叫“引晶”，又稱“下種”

（4）縮頸生長(zhǎng)：是指在引晶后略為降低溫度，提高拉速，拉一段直徑比籽晶細(xì)的部分。其目的是排除接觸不良引起的多晶和盡量消除籽晶內(nèi)原有位錯(cuò)的延伸。頸一般要長(zhǎng)于20 mm。如硅棒示意圖中“細(xì)頸10”部分。

（5）放肩生長(zhǎng)：長(zhǎng)完細(xì)頸之后，須降低溫度與拉速，使得晶體的直徑漸漸增大到所需的大小。如硅棒示意圖中“肩部20”部分。

（6）等徑生長(zhǎng)：當(dāng)晶體直徑到達(dá)所需尺寸后，提高拉速，使晶體直徑不再增大，稱為收肩。收肩后保持晶體直徑不變，就是等徑生長(zhǎng)。此時(shí)要嚴(yán)格控制溫度和拉速不變。如硅棒示意圖中“等徑部30”部分。硅片主要取自這部分

（7）尾部生長(zhǎng)：隨著晶體生長(zhǎng)結(jié)束，采用稍升溫，降拉速，使晶體直徑逐漸變小，此過程稱為收尾。

（8）退火處理：消除晶體內(nèi)部的熱應(yīng)力。

2、開方

開方主要是將硅棒切割成小方棒。

單晶硅棒經(jīng)過切頭、去尾，留下“等徑部”，再經(jīng)過截?cái)嗲谐纱笮∵m中的圓柱形硅棒。

（來源：公開資料）

然后切割成方棒。

（來源：公開資料）

最后對(duì)截?cái)嗪蟮姆桨糇瞿ッ婧偷菇翘幚?，為切片做?zhǔn)備。

這里說下開方，一個(gè)圓柱形硅棒切割成方棒，切割示意圖如下。

（來源：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，太陽能電池用硅單晶 GB/T 25076-201）

單晶硅棒的尺寸和開方方法，決定了硅片的尺寸，其斷面尺寸如下表：

（來源：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，太陽能電池用硅單晶 GB/T 25076-201）

3、切片

在硅片切割技術(shù)方面，金剛石線切割已經(jīng)成為主流。

在 2014 年之前市面上通常采用砂漿切割的方式，其切割方式是游離式的切割模式，靠懸浮液的懸浮碳化硅，通過線網(wǎng)的帶動(dòng)以進(jìn)行磨削切割。

金剛石線起源于日本， 由于日本廠商的金剛石線產(chǎn)品價(jià)格較高，且產(chǎn)能相對(duì)有限，金剛石線早期主要用于切割藍(lán)寶石等硬脆材料，在國(guó)內(nèi)光伏行業(yè)未取得大規(guī)模應(yīng)用。

2014-2015 年國(guó)內(nèi)廠商相繼實(shí)現(xiàn) 80μm 以下用于精密切割的電鍍金剛石線領(lǐng)域的技術(shù)突破，打破了日本廠商的技術(shù)壟斷。

2015 年，金剛石線實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化并規(guī)模生產(chǎn)后，產(chǎn)品價(jià)格迅速降低， 由 2012 年 1 元/米一路下降至 2019 年 12 月的 0.06 元/米， 以隆基股份為代表的單晶企業(yè) 2015 年開始大規(guī)模使用金剛石線工藝，在單晶硅片領(lǐng)域，金剛線切割技術(shù)已在 2017 年全面取代砂漿切割技術(shù)。

隨著金剛線切割技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，單多晶硅片的成本差距逐漸縮小。金剛石線在光伏晶硅切割中的滲透率快速提升，市場(chǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大

砂漿切割和金剛線切割原理示意圖如下：

（來源：公開資料）

砂漿切割原理簡(jiǎn)介：碳化硅顆粒在硅棒和鋼線之間進(jìn)行“滾動(dòng)-壓痕”作用下，實(shí)現(xiàn)硅料的祛除。

金剛線切割原理：以金剛線上固定金剛石，進(jìn)行高速切割加工，來實(shí)現(xiàn)硅料的祛除。

具體介紹如下。

砂漿切割原理：

鋼線本身是沒有切割能力的，它的作用只是一個(gè)載體，因此鋼線又稱為"載線器"，它的作用在于帶動(dòng)有切割能力的漿料，使其對(duì)單晶硅棒進(jìn)行切割，高速的鋼線帶動(dòng)砂漿到切割區(qū)，在鋼線和單晶表面充滿了sic(碳化硅）顆粒和砂漿懸浮液的混合物，砂漿中研磨顆粒有非常銳利的棱角，sic硬度遠(yuǎn)大于硅片厚度，所以硅棒與鋼線接觸的區(qū)域逐漸被砂漿研磨掉。

由于sic和硅片切割有大量摩擦，存在大量熱量和細(xì)碎的sic顆粒，熱量可能導(dǎo)致硅片變形導(dǎo)致ttv(總厚度偏差）加大，后者會(huì)導(dǎo)致硅片表面粗糙度增大產(chǎn)生線痕片。因此必須保證切割液的流動(dòng)性及時(shí)帶走熱量和細(xì)碎的sic顆粒。

金剛線切割原理：

金剛石切割線是通過一定的方法，將金剛石鍍覆在鋼線上制成，通過金剛石切割機(jī)，金剛石切割線可以與物件間形成相對(duì)的磨削運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)切割的目的。

（來源：公開資料）

金剛線的種類區(qū)分：

（來源：公開資料）

國(guó)內(nèi)較為常用的金剛線種類為前兩種。后兩種處于研發(fā)階段。

不同的切割模式的比較：

（來源：公開資料）

金剛線切割的優(yōu)勢(shì)：

傳統(tǒng)砂漿的利用鋼絲的快速運(yùn)動(dòng)將含磨料的液體帶入到工件切縫中，產(chǎn)生切削作用。在切割過程中，碳化硅被沖刷下來，唯有持續(xù)進(jìn)行滾動(dòng)磨削，而減少切割效率。碳化硅的硬度 9.5（莫氏），而金剛石硬度在 10（莫氏）。

金鋼線切割線速度基本在 15m/s，正常切割的砂漿線速度基本在 9-11.5m/s。而若金鋼線再做突破的話，就應(yīng)該是要更硬，同時(shí)兼有更好的自銳性（多晶金剛石），更穩(wěn)定的固結(jié)方式，更快的線速度。

金剛石切割線相比傳統(tǒng)工藝有三大優(yōu)勢(shì)：

1）金剛石線切割漏損少，壽命長(zhǎng)，切割速度快，切割效率高，提升產(chǎn)能；

2）品質(zhì)受控，單片成本低，金剛石線切割造成的損傷層小于砂漿線切割，有利于切割更薄的硅片；

3）環(huán)保，金剛石線使用水基磨削液（主要是水），有利于改善作業(yè)環(huán)境，同時(shí)簡(jiǎn)化洗凈等后道加工程序。

金剛線切割線母線直徑及研磨介質(zhì)粒度同硅片切割質(zhì)量及切削損耗量相關(guān)，較小的線徑和介質(zhì)粒度有利于降低切削損耗和生產(chǎn)成本。

根據(jù)中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖（2020年版），金剛線母線直徑呈下降趨勢(shì)。

2020 年，金剛線母線直徑為 48-57μm，用于單晶硅片的金剛線母線直徑降幅較大，且呈不斷下降趨勢(shì)。由于多晶硅片中缺陷及雜質(zhì)較多，細(xì)線容易發(fā)生斷線，因此用于多晶硅片的金剛線母線直徑大于單晶硅片，且隨著多晶硅片需求減緩，用于多晶硅片的金剛線母線直徑降幅趨緩。

（資料來源：CPIA）

4、成本產(chǎn)生原因

多晶硅加工成單晶硅棒過程中：

如產(chǎn)生損耗是重?fù)綀宓琢?、頭尾料則無法再利用，只能當(dāng)成冶金行業(yè)如煉鐵、煉鋁等用作添加劑；

如產(chǎn)生損耗是非重?fù)綀宓琢稀㈩^尾料可利用制成低檔次的硅產(chǎn)品，此部分應(yīng)按邊角料征稅。

重?fù)搅鲜侵笇⒍嗑Ч柙霞敖咏柡土康碾s質(zhì)（種類有硼，磷，銻，砷。雜質(zhì)的種類依電阻的N或P型）放入石英坩堝內(nèi)溶化而成的料。

重?fù)搅现饕糜谏a(chǎn)低電阻率的硅片。

損耗：?jiǎn)尉Ю仆戤吅蟮膱宓琢霞s15%。

單晶硅棒整形過程中的頭尾料約20%。

單晶整形過程中（外徑磨削工序）由于單晶硅棒的外徑表面并不平整且直徑也比最終拋光晶片所規(guī)定的直徑規(guī)格大，通過外徑磨削可以獲得較為精確的直徑。損耗約10%-13%。

在切片環(huán)節(jié)，硅料的耗損達(dá)到了40%左右。

（以上耗損百分比不能簡(jiǎn)單的相加，維度不一樣。）

在降本環(huán)節(jié)中，硅片成本分為硅料成本和非硅成本，非硅成本指的是硅片生產(chǎn)中所消耗的能源、人力、輔料等與硅料無關(guān)的成本。

因?yàn)楣枇铣杀净静皇芄杵髽I(yè)自身的控制，而取決于市場(chǎng)供需情況，非硅成本才是硅片企業(yè)最能控制的成本。因此，對(duì)降本有促進(jìn)作用的大尺寸和薄片化是未來硅片的發(fā)展趨勢(shì)。

5、大尺寸

光伏硅片大尺寸有助于提升硅片產(chǎn)能、降低單位投資和拉晶能耗，從而降低電池的非硅成本：太陽能級(jí)硅片從1981年的100㎜增大到2019年的210㎜。

大尺寸硅片的轉(zhuǎn)換效率更高，同時(shí)可有效降低成本和提高光伏發(fā)電效率。

2020 年市場(chǎng)上硅片尺寸種類多樣，包括 156.75mm、157mm、158.75mm、166mm、182mm、 210mm 等，且各占有一定的市場(chǎng)份額。

其中，158.75mm 和 166mm 尺寸占比合計(jì)達(dá)到 77.8%， 158.75mm 是現(xiàn)有電池生產(chǎn)線最易升級(jí)的方案，166mm 是現(xiàn)有電池產(chǎn)線可升級(jí)的最大尺寸方案，因此將是近 2-3 年的過渡尺寸；

156.75mm 尺寸（包括 157mm）由 2019 年的主流尺寸下降為17.7%，預(yù)計(jì)在 2022 年左右被淘汰；

2020 年 182mm 和 210mm 尺寸合計(jì)占比約 4.5%，但在2021 年其占比將快速擴(kuò)大，或?qū)⒄紦?jù)半壁江山，且呈持續(xù)擴(kuò)大趨勢(shì)

（資料來源：CPIA）

6、薄片化

薄片化有利于降低硅耗和硅片成本，硅片厚度對(duì)電池片的自動(dòng)化率、轉(zhuǎn)換效率等均有影響。

2020年多晶硅片平均厚度為180μm， P型單晶硅片平均厚度在175 μm左右， N型硅片平均厚度為168μm。

目前，用于 TOPCon 電池的 N 型硅片平均厚度為 175μm，用于異質(zhì)結(jié)電池的硅片厚度約 150μm，用于 IBC 電池的硅片厚度約 130μ m。隨著硅片尺寸的增大，硅片厚度下降速度將減緩。

（資料來源：CPIA）

7、非硅降本

非硅方面的降低成本除了硅片的大尺寸化和薄片化之外，在其他方面還能夠進(jìn)行改進(jìn)。

1）工藝：比如拉棒鑄錠環(huán)節(jié)的電耗，硅的用料量、金剛線母線的直徑等。

2）提升工廠自動(dòng)化，打造智慧工廠，提高人均出片量。

8、不同類型硅片市場(chǎng)占比

2020 年，單晶硅片（P 型+N 型）市場(chǎng)占比約 90.2%，其中 P 型單晶硅片市場(chǎng)占比由 2019年的 60%增長(zhǎng)到 86.9%，N 型單晶硅片約 3.3%。

隨著下游對(duì)單晶產(chǎn)品的需求增大，單晶硅片市場(chǎng)占比也將進(jìn)一步增大，且 N 型單晶硅片占比將持續(xù)提升。

多晶硅片的市場(chǎng)份額由 2019 年的32.5%下降至 2020 年的 9.3%，未來呈逐步下降趨勢(shì)，但仍會(huì)在細(xì)分市場(chǎng)保持一定需求量。

鑄錠單晶市場(chǎng)占比達(dá)到 0.5%，未來市場(chǎng)份額保持平穩(wěn)。

（資料來源：CPIA）

總結(jié)：

未來硅片的趨勢(shì)是向大尺寸、薄片化發(fā)展。多晶硅片向單晶硅片轉(zhuǎn)移。P型向N型轉(zhuǎn)移。

硅片制造相關(guān)企業(yè)：

隆基股份、保利協(xié)鑫、中環(huán)股份、晶科能源、晶澳科技、德榮新能源、阿斯特、環(huán)太集團(tuán)、京運(yùn)通、無錫榮能、天合光能、上機(jī)數(shù)控

設(shè)備相關(guān)企業(yè)：

單晶爐：晶盛機(jī)電、連城數(shù)控、北方華創(chuàng)

截?cái)鄼C(jī)&切片機(jī)：小松NTC、梅耶博格、晶盛機(jī)電、大連數(shù)控、上機(jī)數(shù)控、高測(cè)股份

分選機(jī)：梅耶博格、應(yīng)用材料、奧特維、天準(zhǔn)科技

金剛石線：美暢股份（綁定隆基）、三超新材、岱勒新材

參考資料

1 公開資料

2 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

3 天合光能招股說明書、和相關(guān)公司年報(bào)

4 新材料行研筆記

5 中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖（2020年版）

6 《深度分析光伏電池片金屬化及銀漿技術(shù)》

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文末畫重點(diǎn)。

鄭重說明：公司分析和估值分析是我個(gè)人觀點(diǎn)，不作為投資依據(jù)。各位需要自行斟酌！！

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