作者：知勇

随着光伏裝機成本的持續下降，光伏裝機量迎來快速增長。由此帶來多晶矽再度供不應求，年内漲幅超200%，多晶矽的供需失衡甚至已經影響到了下遊的裝機量。

國内矽料企業紛紛開啟新一輪的擴産大潮。對于多晶矽生産的兩大技術路線，市場出現兩級分化。改良西門子法還是流化床法，又一次成為争論的焦點。由于多晶矽的重要性，技術路線選擇，這次路線之争無不牽動廣大新能源投資者的神經。

早在上世紀五六十年代，多晶矽生産的兩大技術路線相繼問世，其中西門子法通過多次技術叠代一直引領行業前行，成為世界的主流路線，而流化床法作為第二技術路線也在持續進步。

在“雙碳目标”的背景下，光伏成為可再生能源的主力，這場跨越世紀之争的答案也越發清晰可見。

【1】多晶矽的行業地位

能源革命的浪潮之下，光伏的重要性目前已再無分歧；從産業鍊的視角來看，多晶矽作為光伏産業的上遊原材料，其在整個光伏産業中占有舉足輕重的地位。同時多晶矽也是集成電路最為關鍵的基礎原材料。

圖1：光伏産業鍊示意圖，資料來源：新疆大全招股說明書

首先，多晶矽的成本與光伏發電系統的成本直接挂鈎。早在2014年，國家發改委能源研究所等研究機構發布的《中國可再生能源發展路線圖2050》就提出，2025年光伏要能實現全面平價上網，那成本下降就成了光伏産業進步的不竭動力，而其中的大頭就是矽料。發展初期，多晶矽的成本曾一度占太陽電池的近50%。

回溯光伏過去十餘年的發展，光伏成本從50元/W下降到了4元/W左右，多晶矽環節的持續降本為光伏平價上網做出了巨大的曆史貢獻。

圖2：産業鍊各環節價格（元/W、元/kg），資料來源：中國有色金屬工業協會矽業分會，國信證券

根據BP發布的2020年能源展望數據，到2050年，光伏發電的成本較2018年還能下降70%。這必然要求光伏産業鍊各個環節共同努力，多晶矽最為材料源頭，将長期擔當降本增效的重任。

圖3：未來30年光伏成本下降曲線，資料來源：BP Energy

其次，多晶矽的質量的提升促進光伏的技術進步和國産替代。自2018年初開始，單晶矽片産能規模快速擴張，成為行業主流，為滿足下遊需求，國内多晶矽企業在積極擴張的同時，也加速了光伏級矽料品質的提升。目前通威股份、新疆大全的特級料占比均超過90%。

與此同時，我國多晶矽料品質的提升，對于矽料進口依賴的下降功不可沒，根據矽業分會的數據，矽料進口占比已經從2016年的42.1%下降至2020年的20.2%。2021年1月，通威股份已實現N型矽料的批量生産。

時至今日，我國多晶矽産業已取得了長足進步，從産業化早期的幾乎完全依靠進口到目前産量已占全球的三分之二，國内的産銷規模已經位居全球首位。但在太陽能光伏平價上網的倒逼下，多晶矽降本增量之路還在繼續。

第三，終端光伏裝機需求帶來多晶矽的增長

多晶矽也是一将功臣萬骨枯的行業，打的頭破血流，最終呈現強者恒強，兩極分化的局面。頭部企業憑借技術和成本優勢維持較高水平的産能利用率。如通威股份，2017-2019 年産能利用率分别為93.70%、96.38%、92.46%，2020年上半年達到了116%。而中小企業産能利用率較低，部分企業由于投産較早、設備陳舊、規模較小，已逐步停産。

據《中國能源報》統計，國内在産高純晶矽企業數量由2018年初的24家，減少至2019年初的18家，再縮減至2019年底的12家。

圖4：2008-2019年中國多晶矽産量及占全球産量的比重，資料來源：中國光伏行業協會，新疆大全招股書

【2】多晶矽的生産是門技術活

跟锂電池行業的上遊原材料不同，多晶矽料具有高載能、重資産、擴産周期長、技術壁壘高的多重特點。所以多晶矽看似工業标準品，實際上更多的屬性是化工品。正因為此，多晶矽的技術能力是衡量多晶矽企業的硬核能力之一。

按純度要求及用途不同，可以将多晶矽分為太陽能級多晶矽和電子級多晶矽，太陽能級多晶矽主要用于太陽能電池的生産制造，而電子級多晶矽作為主要的半導體電子材料，廣泛應用于電子信息領域。

太陽能級多晶矽對雜質有嚴格的要求，通常要求其中雜質總含量低于10-6，即多晶矽的純度需達到99.9999%以上。而電子級多晶矽可以說是技術巅峰，其純度要求高達99.999999999%（不用數了，小數點後面是9個9），相當于1000噸的電子級多晶矽中總的雜質含量不到一粒花生米重量的1%。所以世界範圍内能夠生産電子級多晶矽産品的企業屈指可數，電子級多晶矽成為行業高地。

總的來說，高純多晶矽的生産不是煤炭那種簡單粗暴隻拼産能的行業，它是光伏産業鍊中技術含量較高的環節，加上投資大，風險高。目前國内隆基、中環等垂直一體化的企業也沒有直接下場，而是采取參股的方式參與到多晶矽生産。

圖5：下遊企業通過參股方式綁定頭部多晶矽企業（萬噸），資料來源：各公司公告，國金證券

【1】改良西門子法

對于光伏業内人士而言，西門子法是再熟悉不過了，這是目前國内外最普遍也是最成熟的方法。根據中國光伏行業協會的數據，2019年全球多晶矽産量中采用改良西門子法生産的占比高達97.8%；我國也類似，2020年國内采用改良西門子法生産的多晶矽約占全國總産量的97.2%。

今天成熟的改良西門子法最早由德國西門子公司在1955年發明，在過去60多年中，業内參與者不停的對西門子法進行技術優化和提升，已經改良到了第三代。其優點已經非常突出。目前全球前十矽料生産企業的技術路線都以改良西門子法為主。

圖6：全球前十矽料生産企業，資料來源：國信證券

縱觀全球多晶矽的發展曆史，基本上是和西門子法技術路線的技術進步同步的。

具體而言，還原爐的材料從石英玻璃發展到金屬再到不鏽鋼，其内部的棒數也逐漸從1對棒、3對棒逐漸提升到48對棒以上的大型還原爐，還原爐産量已從1975年的單爐40噸/年，提升至現在600噸/年的水平。

多晶矽技術的進步已經和規模的擴大形成正向循環，收益規模大型化、技術優化，改良西門子法多晶矽單位産能投資成本大幅下降，多晶矽生産線投資成本從2008年千噸投資成本約為7億元～10億元降到現在的1億元/千噸以下。

根據工業發展規律，未來随着規模産量的繼續擴大，改良西門子法的競争能力将會進一步強化，主流工藝地位進一步穩固。

圖7：西門子法生産工藝，資料來源：《當代多晶矽産業發展概論》

【2】流化床法——現實與理想的差距

下面敲重點，講講最近備受關注的流化床法，其實長期關注光伏行業的人知道，西門子法的應于一直遠大于流化床法。但并不新鮮的流化床法之所以又引起大家的注意源于協鑫，疊加光伏這個黃金賽道，其核心要義就是降低成本，所以每個更降本扯上關系的新技術勢必都讓市場很亢奮。

在我們長期關注的動力電池領域，也有類似的例子。今年年初，廣汽就曾發布“石墨烯電池”表示具備6C快充能力，最快8分鐘就能充電至80%，此舉引來不少吃瓜群衆圍觀。同樣的例子還有特斯拉的4680圓柱電池，這還尚未量産，相關闆塊已經漲了一輪。

回到流化床法上，最早是美國聯碳公司在1952年開發出将矽烷分解沉積在固定床上矽顆粒表面的技術，這也是流化床技術最早的雛形，數年之後，杜邦公司在1961年申請了使用三氯氫矽為原料在流化床内生産顆粒矽的專利，标志着流化床法正式面世。

同樣師出名門，但流化床法的工業化之路異常艱辛，難有大為。西門子法經過多次技術叠代已然成為多晶矽企業的主菜，流化床法雖有進步，卻難于大規模量産，長期作為配菜。

那麼問題來了，流化床法比西門子法晚了6年，但對于60餘年的時間跨度，可以說兩者是處在同一起跑線。為什麼流化床法此前一直備受冷落？

圖8：流化床法制備多晶矽技術的發展曆程，資料來源：《當代多晶矽産業發展概論》，國金證券

1) 基本原理

流化床法的主要原理是将矽烷用氫氣作為載體，像氣流一樣從流化床反應器底部注入，然後上升到中間加熱區反應，因為有底部進料時候的氣流源源不斷的進入，可以讓反應器内的籽晶沸騰起來，處于懸浮狀态，注入的矽烷等原料和氫氣在加熱區發生反應，然後，随着反應的進行，矽逐漸沉積在懸浮狀态的矽籽晶上，籽晶顆粒不斷地生長，長大到足夠重量的時候，矽顆粒沉降到反應器的底部，排出的就是顆粒矽。

圖9：改良西門子法與流化床法核心設備對比，資料來源：《當代多晶矽産業發展概論》

2) 令人着迷的優勢

相對改良西門子法，流化床法的最大優勢主要體現在流化床反應器上。

其一，由于底部進料的氣流存在，矽籽晶處在懸浮狀态，可提供更大的反應面積，從而獲得較高的反應效率，矽顆粒生長速度更快；同時，流化床反應器内是體和固體接觸好，熱能傳遞效率高，電耗自然就降下來了。能耗相對較低。在于參加反應的顆粒矽晶種表面積大，沉積速度（生長速度）大幅提高，故生産效率高，大大減少了能源消耗，降低了成本。

其二，從上圖中可以看到，流化床反應器是上下加料，矽烷和氫氣從底部注入，矽籽晶從頂部加料，生産的矽顆粒從底部排出，可以做到連續生産，提高生産效率。

其三，流化床法主要從矽烷作為原料，其反應的溫度低，分解較為完全，使系統的尾氣回收壓力大為降低，約700攝氏度以下，而改良西門子法的反應溫度高達1050攝氏度，單從這方面看，流化床法就比後者省電不少。

其四，流化床法的的副反應較少，可縮短尾氣回收流程，減少投資成本。

其五，流化床法的産品就是顆粒矽，在下一加工環節就可以直接使用，可滿足連續投料拉晶工藝的發展。不需要再像改良西門子法那樣破碎。

講了這麼多，有人要坐不住了，你說流化床法這麼多優點，處處蓋過西門子法，為什麼曆史發展緩慢，且未來難有作為？我們的結論是，你的優勢，也許就是你的劣勢。

3) “緻命”的劣勢

不看好改良西門子法的投資者一般的觀點就是，能耗大、副産物多，但是這些是可以通過技術改進，逐步改善的。

在能耗方面，多晶矽企業曾被戴上“高能耗”的帽子。今天多晶矽生産全流程綜合電耗已經從2009年的200kwh/kg-Si降低至2020年的60kwh/kg-Si，降幅達到70%，有些頭部企業甚至已經降到50kwh/kg-Si以下的水平，同時水耗則基本維持在67 kg/kg.Si左右。

同時，值得注意的是，除了老生常談的電耗和水耗，能耗的綜合考慮還需要加上蒸汽消耗。不同于改良西門子法的副産蒸汽用于發電，蒸汽單耗基本上已經下降到0，矽烷流化床法還會使用到蒸汽、天然氣等，所以這部分有關蒸汽的25kg/kg.Si左右的能耗僅在生産顆粒矽的時候會産生，需要綜合考慮進去，最後，綜合能耗算下來，兩種技術的能耗差距并不大。

在副産物方面，國内的企業通過技術引進和自主創新，已經可以解決副産物處理問題，實現了物料的循環利用。有頭部企業利用甲醇制氫改電制氫、矽粉降耗、餘熱回收制蒸汽、還原一鍵啟動全過程控制等降耗減排措施，協同多晶矽還原智能控制平台，在高效生産的同時，實現節能降耗，并大幅降低二氧化碳排放量。

但是流化床法的短闆還真不是三兩下可以徹底解決的，畢竟流化床法也已經誕生了60年。

第一，成品純度不高。前文講到，流化床反應器内的矽顆粒是處在懸浮狀态，底部不斷有氣流進入，“沸騰”的矽顆粒會不斷沖擊反應器内壁，長時間運作下，容易使反應器内部受到腐蝕，常用的金屬材料會給反應體系帶入大量的金屬污染，降低産品純度。

光是這一點，就讓流化床法的企業夠忙活一陣了。

一些企業也在研究使用石墨、碳化矽等材質作為反應器内襯或塗覆在金屬壁面上，利用其高硬度、不會帶入金屬雜質等優勢，杜絕此環節的金屬污染，但這會帶來增加投資成本。實際上，在西門子法和流化床法面世後的初期，當時多晶矽市場需求主要為半導體行業用電子級多晶矽，流化床法因為純度達不到甚至一點機會都沒有。

第二，是第一點的延伸，反應器内壁不斷受到沖擊，容易帶來内壁沉積矽粉，造成沾污，甚至造成噴嘴等關鍵部位堵塞，進而使進氣不均勻，不利于反應。在内壁沉積嚴重的情況下，仍然需要被迫停車進行清理，甚至誘發反應器内壁的破裂。

結果就是目前流化床内件的壽命隻有半年到一年，跟還原爐超過20年的壽命比起來簡直是快消品。舉個不是特别恰當的例子，這就像你去買車，你是選動力一般，但不容易壞的，還是選推背感十足，卻動不動要換零件的車。

第三，流化床對安全性的要求很高。矽烷易燃、易爆的突出特點和安全隐患，限制了矽烷流化床法的推廣使用。

從發展曆程上來看，上世紀70年代，美國聯合碳化合物公司，德州儀器公司等又開始對流化床生産工藝進行研究，尤其是美國Ethyl公司（現為Sunedison）于1984年建廠生産電子級顆粒矽，但由于純度、成本等問題，産能也未能進一步放大。直到21世紀初，随着光伏多晶矽需求的迅速增大，流化床法開始興起，但是至今未成規模。

流化床法見證了半導體和光伏的光輝歲月，卻毫無參與感可言。

一言以蔽之，理論的成本低和工業生産完全是兩碼事。比如電池最好的一定是氫燃料電池，但工業生産不具備經濟性，流化床法的經曆過往倒有點類似氫燃料電池，但是至今沒有成為主流，氫燃料電池作為锂電池的補充，而氫能作為“終極能源”也是默默的當光伏、風電的備用能源。

雖然流化床法無法成為主流，但是顆粒矽憑借粒徑優勢，不需要破碎可直接使用，能填補矽塊間的空隙提高坩埚裝填量，提高拉晶産出，可以作為改良西門子法的補充。

圖10：西門子法和流化床法的優劣勢比較，資料來源：亞洲矽業科創闆上市申請文件的審核問詢函回複，廣發證券

對于技術路線的選擇，全球頭部企業的擴産情況已經給了大衆一份答案，本文做下總結。

【1】穩定供貨的能力

多晶矽的穩定供應是光伏發展的重中之重。

一方面是産品的穩定供貨，在供應緊張的情況下，擴産是主旋律。根據國金證券的統計，2022年國内主流矽料企業的90%以上産能均已被下遊長單鎖定，且最新的矽料長單已經簽至2026年，未來幾年高比例長單将成為矽料行業的常态。

另一方面，指的是産品質量的穩定性，多晶矽更多的是化工品屬性，因此産品的穩定性是最重要的考量，沒有之一。這自然涉及到生産的工藝的穩定性、設備的穩定性。改良西門子法工藝成熟穩定，設備也非常成熟，全國投入使用的還原爐達到近千台，遠超流化床（全國流化床總數不超過20台）。

【2】長周期視角下，西門子法仍具明顯的降成本空間

西門子法未來仍具有明顯的降成本空間，我們從幾個方向做初步讨論：

1）加大還原爐尺寸

說白了就是進一步提升規模效應。西門子法中，還原爐産量已從1975年的單爐40噸/年，提升至2015年的500噸/年。随着還原爐單爐産能的繼續提高和電耗的繼續降低，推動改良西門子法繼續成為多晶矽行業發展的主導技術。

圖11：不同年代的主流還原爐年産量情況，資料來源：公司公告

2）還原爐新型材料的應用

還原爐材料從石英玻璃發展到不鏽鋼，未來通過使用不鏽鋼以外的新型材料，或者給内壁鍍上反射膜等方式，提高熱輻射能的反射率，以提高餘熱利用率，此方式可實現10%～20%的節電效果，但相應對内壁的材質也提出較高要求，須考慮材質的耐用性及成本問題。

3）閉環生産

由于改良西門子法生成的副産物和尾氣較多，影響到生産成本。如何有效循環和處理産物關系到未來的降本方向。比如西門子法生産過程中會産生大量的副産物SiCl4，将SiCl4轉化成作為多晶矽生産原料的SiHCl3，從而實現閉環生産，以提高矽粉利用率，降低生産成本。

總之，改良西門子法由于規模化、技術成熟，未來有進一步的下降空間。絕大部分企業仍選擇采用改良西門子法進行擴産。正是基于以上認知，CPIA（中國光伏）估算，到2030年，用改良西門子法生産的多晶矽，仍是絕對的主流。本文開篇提出的問題，對應的答案也就躍然紙上了。

圖12：國内西門子法（深藍）和顆粒矽（淺藍）占比，資料來源：CPIA，華安證券