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(jìn)入平價(jià)上網(wǎng)時(shí)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(jī)。

多晶硅是用來制備單晶硅棒或者多晶硅錠的原材料，是當(dāng)前以硅基太陽電池為主導(dǎo)的光伏產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)原料，屬于光伏產(chǎn)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(chǎn)工藝改良西門子法生產(chǎn)的，而最近被熱炒的顆粒硅則是采用硅烷流化床工藝生產(chǎn)的。

圖1 光伏產(chǎn)業(yè)鏈的上中下游

棒狀硅和顆粒硅二者生產(chǎn)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(zhì)上來講，不論是改良西門子法生產(chǎn)的棒狀硅還是硅烷流化床法生產(chǎn)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）。

圖2 改良西門子法制備的棒狀硅塊料（左）

硅烷流化床法制備的顆粒硅（右）

改良西門子法采用的中間體是三氯氫硅；同時(shí)，為了保證生產(chǎn)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(guān)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(nèi)發(fā)揮中間轉(zhuǎn)化和傳遞的作用。

但控制流化床長周期穩(wěn)定運(yùn)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(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。關(guān)鍵設(shè)備流化床反應(yīng)器的關(guān)鍵工藝流程如下：作為晶種的高純度硅籽晶從流化床反應(yīng)器上部加入后，堆積形成晶種顆粒床層，將床層加熱到反應(yīng)要求的溫度后，從反應(yīng)器底部通入硅烷、氫氣的混合氣使晶種床層達(dá)到流化狀態(tài)，預(yù)熱的混合氣通過加熱床層時(shí)，硅烷分解形成單質(zhì)硅沉積到硅籽晶表面（見圖3）。從反應(yīng)溫度來講，硅烷在流化床內(nèi)熱解的溫度僅為500-800℃，遠(yuǎn)低于改良西門子法1100℃左右的反應(yīng)溫度。流化床工藝的特點(diǎn)給生產(chǎn)多晶硅帶來多重優(yōu)勢，硅烷流化床內(nèi)溫度分布比較均一，反應(yīng)器內(nèi)硅沉積的表面積大，沉積速率快，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料、出料。

圖3 流化床顆粒硅反應(yīng)器示意圖

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(yīng)器（也稱為鐘罩反應(yīng)器），在反應(yīng)器內(nèi)的硅芯表面（硅芯被加熱到1000—1150℃）發(fā)生化學(xué)氣相沉積反應(yīng)，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(nèi)利用效率低，需要對未反應(yīng)的二氯氫硅、三氯氫硅、四氯氫硅、氯化氫和氫氣等尾氣經(jīng)回收工藝分離提出后再利用，導(dǎo)致改良西門子法工藝流程更復(fù)雜，見圖4。改良西門子法需要間歇的打開鐘罩反應(yīng)器取出反應(yīng)完全的棒狀硅，一方面導(dǎo)致操作流程不連續(xù)、效率較低，另一方面高溫的反應(yīng)器經(jīng)常打開會(huì)造成熱損失大。

圖4 改良西門子法制棒狀多晶硅工藝流程

氫和金屬雜質(zhì)含量是影響顆粒硅品質(zhì)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(yán)格的氫含量的要求以及較太陽能級多晶硅標(biāo)準(zhǔn)中更嚴(yán)格的金屬雜質(zhì)含量的要求。

由于最初多晶硅的下游客戶主要是半導(dǎo)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(dǎo)體器件行業(yè)的要求，而流化床法顆粒硅則主要應(yīng)用在太陽能領(lǐng)域。目前，國內(nèi)顆粒硅的應(yīng)用較少，國家出臺了顆粒硅的標(biāo)準(zhǔn)專用于規(guī)范生產(chǎn)企業(yè)控制顆粒硅的品質(zhì)的行為，其應(yīng)用效果如何有待市場的進(jìn)一步驗(yàn)證。

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

表1 《流化床法顆粒硅》（GB/T 35307）技術(shù)指標(biāo)

表2 太陽能級多晶硅(GB/T 25074-2017)技術(shù)指標(biāo)

在2010年之前，中國多晶硅產(chǎn)業(yè)整體的技術(shù)水平比發(fā)達(dá)國家顯著落后。之后，我國成功引進(jìn)具有成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的改良西門子法技術(shù)并經(jīng)過十多年的快速發(fā)展，光伏產(chǎn)業(yè)具備了先進(jìn)的多晶硅本地化生產(chǎn)能力，也大幅降低了對進(jìn)口多晶硅的依賴（見圖5）。同時(shí)，該技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化也促進(jìn)了國內(nèi)多晶硅價(jià)格大幅下降并將價(jià)格維持在一個(gè)相對較低的水平。本土企業(yè)生產(chǎn)多晶硅的成本優(yōu)勢讓國外曾經(jīng)的多晶硅巨頭也面臨經(jīng)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(nèi)和國外均是主流的多晶硅制備工藝，并且已經(jīng)成熟應(yīng)用了幾十年，企業(yè)廣泛參與，積累的經(jīng)驗(yàn)也很豐富。

圖5 2016-2020年多晶硅進(jìn)口情況（萬噸）

（資料來源：中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)）

國內(nèi)外的顆粒硅技術(shù)商業(yè)化運(yùn)營歷史不長，顆粒硅技術(shù)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(dǎo)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(shí)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(shè)流化床顆粒硅生產(chǎn)線，到2015年提出關(guān)閉美國的多晶硅工廠，再到2019年正式關(guān)閉該廠也就10多年的歷史。需要注意的一點(diǎn)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(chǎn)線，而且多晶硅主要來自于改良西門子法生產(chǎn)線。受2011-2012年國際光伏貿(mào)易摩擦及補(bǔ)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(nèi)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(jīng)營狀況不佳，其所擁有的顆粒硅技術(shù)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(mào)易保護(hù)主義政策加速了兩家企業(yè)技術(shù)最終流向國內(nèi)的進(jìn)程。

圖6 歷年全球光伏新增裝機(jī)容量及增長率

（資料來源：中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)）

受中美貿(mào)易摩擦的影響，REC開始了在中國建設(shè)流化床法顆粒硅生產(chǎn)線的想法。早在2014年就與陜西有色天宏新能源有限責(zé)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(gè)年產(chǎn)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(chǎn)線。天宏瑞科顆粒硅生產(chǎn)線2017年11月投入試生產(chǎn)。該生產(chǎn)線雖然號稱采用了REC的全套技術(shù)，但是到目前為止仍未大規(guī)模投產(chǎn)。

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(chǎn)后，已經(jīng)在生產(chǎn)運(yùn)營及下游客戶使用中得到實(shí)證。

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