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“一大一小”技術(shù)路線

【1】改良西門子法

對于光伏業(yè)內(nèi)人士而言，西門子法是再熟悉不過了，這是目前國內(nèi)外最普遍也是最成熟的方法。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)，2019年全球多晶硅產(chǎn)量中采用改良西門子法生產(chǎn)的占比高達(dá)97．8％；我國也類似，2020年國內(nèi)采用改良西門子法生產(chǎn)的多晶硅約占全國總產(chǎn)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(fā)明，在過去60多年中，業(yè)內(nèi)參與者不停的對西門子法進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化和提升，已經(jīng)改良到了第三代。其優(yōu)點已經(jīng)非常突出。目前全球前十硅料生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)路線都以改良西門子法為主。

圖6：全球前十硅料生產(chǎn)企業(yè)，資料來源：國信證券

縱觀全球多晶硅的發(fā)展歷史，基本上是和西門子法技術(shù)路線的技術(shù)進(jìn)步同步的。

具體而言，還原爐的材料從石英玻璃發(fā)展到金屬再到不銹鋼，其內(nèi)部的棒數(shù)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，還原爐產(chǎn)量已從1975年的單爐40噸／年，提升至現(xiàn)在600噸／年的水平。

多晶硅技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)和規(guī)模的擴(kuò)大形成正向循環(huán)，收益規(guī)模大型化、技術(shù)優(yōu)化，改良西門子法多晶硅單位產(chǎn)能投資成本大幅下降，多晶硅生產(chǎn)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(xiàn)在的1億元／千噸以下。

根據(jù)工業(yè)發(fā)展規(guī)律，未來隨著規(guī)模產(chǎn)量的繼續(xù)擴(kuò)大，改良西門子法的競爭能力將會進(jìn)一步強(qiáng)化，主流工藝地位進(jìn)一步穩(wěn)固。

圖7：西門子法生產(chǎn)工藝，資料來源：《當(dāng)代多晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展概論》

【2】流化床法——現(xiàn)實與理想的差距

下面敲重點，講講最近備受關(guān)注的流化床法，其實長期關(guān)注光伏行業(yè)的人知道，西門子法的應(yīng)于一直遠(yuǎn)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(xié)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(guān)系的新技術(shù)勢必都讓市場很亢奮。

在我們長期關(guān)注的動力電池領(lǐng)域，也有類似的例子。今年年初，廣汽就曾發(fā)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眾圍觀。同樣的例子還有特斯拉的4680圓柱電池，這還尚未量產(chǎn)，相關(guān)板塊已經(jīng)漲了一輪。

回到流化床法上，最早是美國聯(lián)碳公司在1952年開發(fā)出將硅烷分解沉積在固定床上硅顆粒表面的技術(shù)，這也是流化床技術(shù)最早的雛形，數(shù)年之后，杜邦公司在1961年申請了使用三氯氫硅為原料在流化床內(nèi)生產(chǎn)顆粒硅的專利，標(biāo)志著流化床法正式面世。

同樣師出名門，但流化床法的工業(yè)化之路異常艱辛，難有大為。西門子法經(jīng)過多次技術(shù)迭代已然成為多晶硅企業(yè)的主菜，流化床法雖有進(jìn)步，卻難于大規(guī)模量產(chǎn)，長期作為配菜。

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

圖8：流化床法制備多晶硅技術(shù)的發(fā)展歷程，資料來源：《當(dāng)代多晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展概論》，國金證券

1） 基本原理

流化床法的主要原理是將硅烷用氫氣作為載體，像氣流一樣從流化床反應(yīng)器底部注入，然后上升到中間加熱區(qū)反應(yīng)，因為有底部進(jìn)料時候的氣流源源不斷的進(jìn)入，可以讓反應(yīng)器內(nèi)的籽晶沸騰起來，處于懸浮狀態(tài)，注入的硅烷等原料和氫氣在加熱區(qū)發(fā)生反應(yīng)，然后，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，硅逐漸沉積在懸浮狀態(tài)的硅籽晶上，籽晶顆粒不斷地生長，長大到足夠重量的時候，硅顆粒沉降到反應(yīng)器的底部，排出的就是顆粒硅。

圖9：改良西門子法與流化床法核心設(shè)備對比，資料來源：《當(dāng)代多晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展概論》

2） 令人著迷的優(yōu)勢

相對改良西門子法，流化床法的最大優(yōu)勢主要體現(xiàn)在流化床反應(yīng)器上。

其一，由于底部進(jìn)料的氣流存在，硅籽晶處在懸浮狀態(tài)，可提供更大的反應(yīng)面積，從而獲得較高的反應(yīng)效率，硅顆粒生長速度更快；同時，流化床反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)的顆粒硅晶種表面積大，沉積速度（生長速度）大幅提高，故生產(chǎn)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(yīng)器是上下加料，硅烷和氫氣從底部注入，硅籽晶從頂部加料，生產(chǎn)的硅顆粒從底部排出，可以做到連續(xù)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。

其三，流化床法主要從硅烷作為原料，其反應(yīng)的溫度低，分解較為完全，使系統(tǒng)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(yīng)溫度高達(dá)1050攝氏度，單從這方面看，流化床法就比后者省電不少。

其四，流化床法的的副反應(yīng)較少，可縮短尾氣回收流程，減少投資成本。

其五，流化床法的產(chǎn)品就是顆粒硅，在下一加工環(huán)節(jié)就可以直接使用，可滿足連續(xù)投料拉晶工藝的發(fā)展。不需要再像改良西門子法那樣破碎。

講了這么多，有人要坐不住了，你說流化床法這么多優(yōu)點，處處蓋過西門子法，為什么歷史發(fā)展緩慢，且未來難有作為？我們的結(jié)論是，你的優(yōu)勢，也許就是你的劣勢。

3） “致命”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、副產(chǎn)物多，但是這些是可以通過技術(shù)改進(jìn)，逐步改善的。

在能耗方面，多晶硅企業(yè)曾被戴上“高能耗”的帽子。今天多晶硅生產(chǎn)全流程綜合電耗已經(jīng)從2009年的200kwh／kg－Si降低至2020年的60kwh／kg－Si，降幅達(dá)到70％，有些頭部企業(yè)甚至已經(jīng)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產(chǎn)蒸汽用于發(fā)電，蒸汽單耗基本上已經(jīng)下降到0，硅烷流化床法還會使用到蒸汽、天然氣等，所以這部分有關(guān)蒸汽的25kg／kg．Si左右的能耗僅在生產(chǎn)顆粒硅的時候會產(chǎn)生，需要綜合考慮進(jìn)去，最后，綜合能耗算下來，兩種技術(shù)的能耗差距并不大。

在副產(chǎn)物方面，國內(nèi)的企業(yè)通過技術(shù)引進(jìn)和自主創(chuàng)新，已經(jīng)可以解決副產(chǎn)物處理問題，實現(xiàn)了物料的循環(huán)利用。有頭部企業(yè)利用甲醇制氫改電制氫、硅粉降耗、余熱回收制蒸汽、還原一鍵啟動全過程控制等降耗減排措施，協(xié)同多晶硅還原智能控制平臺，在高效生產(chǎn)的同時，實現(xiàn)節(jié)能降耗，并大幅降低二氧化碳排放量。

但是流化床法的短板還真不是三兩下可以徹底解決的，畢竟流化床法也已經(jīng)誕生了60年。

第一，成品純度不高。前文講到，流化床反應(yīng)器內(nèi)的硅顆粒是處在懸浮狀態(tài)，底部不斷有氣流進(jìn)入，“沸騰”的硅顆粒會不斷沖擊反應(yīng)器內(nèi)壁，長時間運(yùn)作下，容易使反應(yīng)器內(nèi)部受到腐蝕，常用的金屬材料會給反應(yīng)體系帶入大量的金屬污染，降低產(chǎn)品純度。

光是這一點，就讓流化床法的企業(yè)夠忙活一陣了。

一些企業(yè)也在研究使用石墨、碳化硅等材質(zhì)作為反應(yīng)器內(nèi)襯或涂覆在金屬壁面上，利用其高硬度、不會帶入金屬雜質(zhì)等優(yōu)勢，杜絕此環(huán)節(jié)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后的初期，當(dāng)時多晶硅市場需求主要為半導(dǎo)體行業(yè)用電子級多晶硅，流化床法因為純度達(dá)不到甚至一點機(jī)會都沒有。

第二，是第一點的延伸，反應(yīng)器內(nèi)壁不斷受到?jīng)_擊，容易帶來內(nèi)壁沉積硅粉，造成沾污，甚至造成噴嘴等關(guān)鍵部位堵塞，進(jìn)而使進(jìn)氣不均勻，不利于反應(yīng)。在內(nèi)壁沉積嚴(yán)重的情況下，仍然需要被迫停車進(jìn)行清理，甚至誘發(fā)反應(yīng)器內(nèi)壁的破裂。

結(jié)果就是目前流化床內(nèi)件的壽命只有半年到一年，跟還原爐超過20年的壽命比起來簡直是快消品。舉個不是特別恰當(dāng)?shù)睦�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。硅烷易燃、易爆的突出特點和安全隱患，限制了硅烷流化床法的推廣使用。

從發(fā)展歷程上來看，上世紀(jì)70年代，美國聯(lián)合碳化合物公司，德州儀器公司等又開始對流化床生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究，尤其是美國Ethyl公司（現(xiàn)為Sunedison）于1984年建廠生產(chǎn)電子級顆粒硅，但由于純度、成本等問題，產(chǎn)能也未能進(jìn)一步放大。直到21世紀(jì)初，隨著光伏多晶硅需求的迅速增大，流化床法開始興起，但是至今未成規(guī)模。

流化床法見證了半導(dǎo)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(yè)生產(chǎn)完全是兩碼事。比如電池最好的一定是氫燃料電池，但工業(yè)生產(chǎn)不具備經(jīng)濟(jì)性，流化床法的經(jīng)歷過往倒有點類似氫燃料電池，但是至今沒有成為主流，氫燃料電池作為鋰電池的補(bǔ)充，而氫能作為“終極能源”也是默默的當(dāng)光伏、風(fēng)電的備用能源。

雖然流化床法無法成為主流，但是顆粒硅憑借粒徑優(yōu)勢，不需要破碎可直接使用，能填補(bǔ)硅塊間的空隙提高坩堝裝填量，提高拉晶產(chǎn)出，可以作為改良西門子法的補(bǔ)充。

圖10：西門子法和流化床法的優(yōu)劣勢比較，資料來源：亞洲硅業(yè)科創(chuàng)板上市申請文件的審核問詢函回復(fù)，廣發(fā)證券