“晶光闪耀”之多晶硅期货上市预热系列报告（三）：需求篇：硅片环节品性梳理与探究

期货研究 二〇 二2024年05月20日 四年度 需求篇：硅片环节品性梳理与探究 ——“晶光闪耀”之多晶硅期货上市预热系列报告（三） 国张航投资咨询从业资格号：Z0018008zhanghang022595@gtjas.com泰刘鸿儒（联系人）期货从业资格号：F03124172liuhongru028781@gtjas.com君 安报告导读： 期 货作为工业硅最主要的下游，多晶硅期货即将挂牌上市，本篇报告为多晶硅期货上市预热报告第三篇，主研要以多晶硅下游硅片为核心，围绕硅片定义、分类、发展历史、技术演变以及硅片生产工艺等角度进行展开，究帮助投资者们进一步了解多晶硅需求端的内容。 所 硅片是指用高纯度硅材料制成的薄片或片状基板，是多晶硅的直接下游。按照应用场景的不同，硅片 可分为光伏硅片与半导体硅片，且以光伏硅片为主。据硅业分会统计，在多晶硅的全球消费中，光伏硅片需求占比达98%，而半导体硅片则不到2%。 硅片格局演变之一：单晶硅片逐步取代多晶硅片，目前已成为最主流硅片类型。按照制作工艺的不同，硅片可分为单晶硅片与多晶硅片。多晶硅片中不同晶粒间存在晶界，对电子传输会产生一定阻碍，致使其光电转化效率相对较低。伴随着金刚线切割技术的不断渗透以及国内领跑者计划的落地实施，多晶硅片在2019年前后逐步被单晶硅片所取代。据统计至2023年我国单晶硅片市占率已达99.2%，单晶硅片已完成对多晶硅片的取代。 硅片格局演变之二：单晶硅片中N型硅片逐步替代P型硅片，并发展成为行业主流。在单晶硅片中，伴随光伏产业降本增效，N型电池取代P型电池已成为行业大趋势，并带动N型硅片渗透率提高。据资讯商PVInfolink统计，2023年以来N型硅片占比持续抬升，至2024年4月其单月产量占比达75%左右，已成为光伏硅片的主流产品类型。 硅片技术路线发展趋势：在降本增效大背景下，硅片变革以“大尺寸化”与“薄片化”为主。 尺寸端，硅片尺寸越大，单片功率就越高，可增加设备产能并提升电池片和组件的功率，从而摊薄单瓦非硅成本。在2019年以前，几乎所有硅片的尺寸都在166mm以下，但伴随大尺寸硅片的发展，其市占率被压缩至不到2%。2023年市场主流硅片尺寸为182方片、微矩形片以及210方片，占比分别为47.7%、20.3%以及20%。 厚度端，硅片厚度的减薄有利于降低硅耗和硅片成本，从而达到降本增效的目的。近些年在金刚线切割技术的广泛应用下，光伏硅片厚度逐年降低。据统计截至2023年，P型单晶硅片厚度从170微米减少至150微米，而N型单晶硅片（用于TOPCon电池）厚度从165微米减少至125微米，N型单晶硅片（用于HJT电池）厚度从150微米减少至120微米。 硅片生产工艺大致可分为六大步骤，分为1）多晶硅原料预处理、2）长晶、3）截断/开方、4）磨面/ 倒角、5）切片、6）后续处理等，其中最为重要的步骤为长晶与切片。长晶是将块状硅或颗粒硅原料转换为形状规则的单晶硅棒或多晶硅锭，其中单晶硅棒的生产主要分为直拉法与区熔法两种工艺，且以直拉法为主，而多晶硅锭的生产工艺则为铸锭法。切片则是将硅棒或硅锭切成厚度为微米级别的硅片，目前主要以金刚线切割工艺为主。 后续对于硅片行业、市场情况的介绍与梳理，我们将在上市预热系列报告（四）中进行阐述，敬请期待！ 目录 1.硅片的“前世今生”：为多晶硅直接下游，应用场景以光伏领域为主4 1.1硅片定义：硅片为多晶硅的直接下游，且以光伏硅片领域为主4 1.2光伏硅片发展历史：单晶硅片取代多晶硅片，N型单晶硅片正替代P型单晶硅片4 1.2.1发展趋势一：自2017年起，单晶硅片逐步取代多晶硅片，目前已成为最主流硅片类型错误!未定义书签。 1.2.2发展趋势二：自2023年起，单晶硅片中N型硅片逐步替代P型硅片，并成为主流产品类型错误!未定义书签。 1.3硅片技术演变趋势：以“降本增效”为锚，硅片呈“大尺寸化”与“薄片化”态势5 1.3.1硅片“大尺寸化”：当前以182方片、微矩形片与210方片为主，后续210方片与矩形将占主导错误!未定义书签。 1.3.2硅片“薄片化”：硅片厚度减薄有利于“降本增效”，预计N型硅片厚度仍将进一步降低错误!未定义书签。 2.硅片生产工艺：硅片生产流程中，长晶和切片为最主要步骤7 2.1长晶工艺：单晶硅棒为直拉法与区域熔融法，多晶硅锭主要为定向凝固法7 2.2切片工艺：包括砂浆切割与金刚线切割，且以金刚线切割为市场主流10 3.总结：硅片为多晶硅直接下游，于光伏产业链中起到“承上启下”作用12 （正文） 1.硅片的“前世今生”：为多晶硅直接下游，应用场景以光伏领域为主 1.1硅片定义：硅片为多晶硅的直接下游，且结构上以光伏硅片为主 硅片是指用高纯度硅材料制成的薄片或片状基板，是多晶硅的直接下游。按照应用场景的不同，硅片可分为光伏硅片与半导体硅片。在光伏领域，硅片以太阳能级多晶硅（6N-9N，N代表百分数中有几个“9”）为原料，主要用于下游光伏电池片的制造，目前光伏硅片以单晶形式为主。在半导体领域，半导体硅片通常以电子级多晶硅（9-11N）为原料，经过拉晶切片等工序后成为单晶硅片，后续进一步加工为晶圆，是集成电路、晶体管和其他半导体器件的基础材料。从多晶硅需求结构来看，伴随光伏行业的高速发展，至2023年全球光伏硅片需求占比达98%，而半导体硅片则不到2%，因此本报告后续内容以光伏硅片为主。 1.2光伏硅片发展历史：单晶硅片取代多晶硅片，N型单晶硅片正替代P型单晶硅片 1.2.1发展趋势一：自2017年起，单晶硅片逐步取代多晶硅片，目前已成为最主流硅片类型 按照制作工艺的不同，硅片可分为单晶硅片与多晶硅片。单晶硅片通常以多晶硅致密料为原料制作，由完整的单晶硅晶体组成，具有高度有序的晶格结构，该结构使得单晶硅片具有优异的电学性能与机械性能；多晶硅片多以菜花料、珊瑚料为主要原料制作，由多个晶面取向不同的晶粒组成，表面呈现出不同的纹理和颜色。 据中国光伏行业协会（以下简称“CPIA”）统计，2016年我国光伏硅片以多晶硅片为主，占比达到80%，单晶硅片占比则不到20%。不过，从硅片生产工艺来看，虽然多晶硅片由于工艺流程简单而有一定的成本优势，但多晶硅片中不同晶粒间存在晶界，对电子传输会产生一定阻碍，致使其电学性能相对较差，即光电转化效率相对较低。近些年来，伴随着金刚线切割技术的不断渗透以及国内领跑者计划的落地实施，多晶硅片在2019年前后逐步被单晶硅片所取代。据CPIA统计，截至2023年底我国单晶硅片市占率已达99.2%，多晶硅片市占率已被压缩至0.8%，单晶硅片基本已完成对多晶硅片的取代。 图1：光伏硅片——单晶硅片外观形态图2：光伏硅片——多晶硅片外观形态 资料来源：公开资料整理资料来源：公开资料整理 1.2.2发展趋势二：自2023年起，单晶硅片中N型硅片逐步替代P型硅片，并成为主流产品类型 伴随光伏产业降本增效的持续推进，N型电池取代P型电池已成为行业大趋势，随之而来的便是N型硅片渗透率的逐步提高。根据CPIA统计，2023年N型单晶硅片占比增加至24.7%，而P型单晶硅片占比被压缩至74.5%。据资讯商PVInfolink统计，2023年以来N型硅片占比持续抬升，至2024年4月其单月产量占比达75%左右，已成为光伏硅片的主流产品类型。 从硅片本身情况来看，P型硅片与N型硅片的主要差异在于掺杂元素的不同。P型硅片通常掺杂硼(B)、铝(Al)等三价元素作为受主杂质，形成空穴导电，而N型硅片通常掺杂磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等五价元素作为施主杂质，形成电子导电。 由于各自掺杂元素的不同，使得N型硅片的光电转换效率相较P型硅片更高。就光伏发电而言，其产生的电流来源于少数载流子（简称“少子”）复合过程中生成的电压，当少子复合速度越慢，少子寿命越长，对应的电池转换效率越高。P型硅片的少子寿命相对较短，主要系：1.P型硅片掺入硼等受主杂质，使得P型硅片作为基区存在较多空穴，在后续制作成电池后，发电时电子通过导线运动至P型硅片时极易与空穴复合，使其少子寿命降低；2.P型硅片掺入硼元素，容易产生硼-氧复合对，并捕获载流子形成光致衰减现象，降低少子寿命。与之相比，N型硅片的少子寿命相对较长，主要系：1.N型硅片掺入磷等施主杂质，作为基区存在相对较多的自由电子与少量空穴，这使得后续发电时电子通过导线运动至N型硅片“搜寻”空穴并复合的速率大大降低，使得电子处于激发态，延长少子寿命；2.N型硅片由于基区中少子为空穴，而多数杂质金属原子对空穴的俘获截面要低于电子，此也能使得少子寿命增加。因此整体来看，N型硅片少子寿命相对较长，对应的光电转换效率更高。 值得注意的是，由于N型硅片掺磷元素，考虑到磷与硅相溶性差，拉棒时磷容易分布不均，而P型硅片由于掺硼元素，硼与硅分凝系数相当，拉棒时分散均匀度容易控制，因此P型硅片生产成本相对较低，在工艺把控方面相对容易。 图3：N型硅片少子寿命高于P型硅片图4：N型硅片已成为硅片市场主流 资料来源：IntechOpen，国泰君安期货研究资料来源：CPIA，国泰君安期货研究 1.3硅片技术演变趋势：以“降本增效”为锚，硅片呈“大尺寸化”与“薄片化”态势 1.3.1硅片“大尺寸化”：当前以182方片、微矩形片与210方片为主，后续210方片与矩形将占主导 硅片尺寸端，由于各家硅片厂商基于自身情况在降本增效、产品差异化上进行了不同探索，因此国内硅片尺寸种类较多。一般而言，硅片尺寸越大，单片功率就越高，可增加设备产能并提升电池片和组件的功率，从而摊薄单瓦非硅成本，是光伏行业中主要的发展方向。按照当前的尺寸进行区分，硅片可分为166mm （这里的mm指硅片边距长度单位，后续省略）及以下硅片、182方片、微矩形片、矩形片以及210方片等。按照边距从短到长共分为八种型号，分别为M0（156mm）、M1（156.75mm）、M2（156.75mm）、M4（161.7mm）、G1（158.75mm）、M6（166mm）、M10（182mm）和G12（210mm）等。据CPIA统计，在2019年以前，几乎所有硅片的尺寸都在166mm以下，但伴随大尺寸化的发展，其市占率到2023年仅不到2%，且预计将于2026年退出市场。截至2023年，市场上主流的硅片尺寸为182方片、微矩形片以及210方片，占比分别为47.7%、20.3%以及20%。 短期而言，182与210大尺寸硅片路线之争仍将延续，不过矩形尺寸硅片亦开始占据一定份额，主要系相较于从182硅片切换成210硅片所需要的产线技改成本，通过增加硅片单个边距的长度来扩大尺寸的方式相对具备成本优势，且下游亦具备接受度。因此，据CPIA统计，至2030年210方片以及矩形尺寸将“二分市场”，而182方片以及微矩形片将逐步被淘汰。 图5：硅片尺寸分类（CPIA统计口径）图6：未来硅片以“大尺寸化”趋势为主 尺寸 形状 规格 166mm及以下 方形 M2单晶硅片、标准多晶硅片、157mm多晶硅片161.7mm全方片、161.7mm类方 片、163mm类方片、166mm类方片硅片等 182mm 方形 182mm方片 矩形 矩形182mm*188mm、182mm*191.6mm、182mm*199mm、182mm*210mm等 微矩形 182mm*183.75mm、182mm*185.3mm等 210mm 方形 210mm方片 资料来源：CPIA，国泰君安期货研究资料来源：CPIA 1.3.2硅片“薄片化”：硅片厚度减薄有利于“降本增效”，预计N型硅片厚度仍将进一步降低 硅片厚度角度，硅片厚度的减薄有利于降低硅耗和硅片成本，从而达到降本增效的目的。近些年来，在金刚线切割技术的发展趋势下，光伏硅片厚度逐年降低。分类别来看，N型硅片由于整体参数性质较P型硅片更好，因此N型硅片相对而言更容易减薄。在N型硅片中，针对HJT技术路线的减薄幅度更大，主要系用于HJT电