光伏上游五大环节市场供需分析- 大数跨境

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光伏上游五大环节市场供需分析

石英石网

2023-08-28

导读：光伏的上游产业链指的是光伏原材料的加工及制备。首先由石英砂在经历石油焦，沥青胶等还原剂在电弧炉中还原生成金属

光伏的上游产业链指的是光伏原材料的加工及制备。

首先由石英砂在经历石油焦，沥青胶等还原剂在电弧炉中还原生成金属硅（也叫工业硅）；
接着需要将金属硅和氯化氢反应提纯生成的三氯氢硅为原料在还原炉中而生成多晶硅；
多晶硅料经过融化铸锭或者拉晶切片后可以分别做成多晶硅和单晶硅片，其中在高温条件下连续拉晶的过程中需要用到石英坩埚，用于装放多晶硅原料或单晶收料；也需要用到光伏热场-碳碳复材，主要包括位于单晶炉内的坩埚、导流筒、保温筒、加热器等部件。

丨环节一：石英砂丨

01、石英砂简介

石英砂主要制备原料是石英矿、天然水晶、四氯化硅，石英砂可应用于光伏、电光源、光通讯、半导体等产业中，是一种重要的新材料。

02、石英砂原料应用领域：半导体与光伏

其中半导体用石英材料品质要求最高，纯度要求达5N以上（>99.999%），其次是光伏和光通信领域，品质要求达4N7以上（>99.997%）。

03、石英砂耗材应用领域：石英坩埚

目前行业内层石英砂主要应用于石英坩埚，作为光伏生产的耗材使用。目前主要使用尤尼明、TQC产品，由于供应紧缺，国产石英砂亦在导入中。由于进口内层砂紧缺，部分国产砂用于内层砂减少坩埚寿命。

我们预计2022-2023年石英砂供需缺口分别为0.21/0.54万吨，或推动石英砂价格进一步上涨。

04、石英砂供需关系

1）供给侧：

高纯石英砂供应不足，依赖进口及海外资源

我国石英砂市场规模较大，但仍以普通石英砂为主，高品质产品较少：我国普通石英砂产量占比49.7%；精制石英砂产量占比42.6%；高纯及超高纯石英砂产量占比7.7%。

但我国石英矿源供给有限（会限制石英坩埚进一步扩产）：高纯石英砂指SiO2含量高于99.98%的石英砂，高纯石英原料矿床极为稀缺，分布于美国、挪威、澳大利亚、俄罗斯、毛里塔尼亚、中国、加拿大等7个国家，其中，美国斯普鲁斯派恩(SprucePine)矿的高纯石英原料资源规模最大，超过1000万吨。

我国硅质资源丰富，但大部分矿床被作为普通硅石矿：用于普通玻璃、石材、建筑用砂等。

此外，从严格意义上我国没有专门生产高纯石英原料的矿山：每年需进口大量高纯石英砂原料矿石及高端石英制品。目前部分国内企业矿源主要是印度拉贾斯坦邦、古吉拉特邦地区，与海外供应商相比，存在高端产品较少、产品品种有限，质量稳定性有待提升等问题。

2）需求侧：

N型化+大型化发展加剧高纯石英砂需求

目前高纯石英砂需求增量主要来自于：

光伏新增装机量持续上升带动需求总量增加；

N型硅棒生产过程中对坩埚品质要求更高，坩埚寿命更短增加使用数量；

坩埚大型化发展，单只坩埚所用石英砂用量有所增加。

05、总结

我国石英砂市场规模较大，但高品质产品仍相对稀缺。供应紧张的状况导致高纯石英砂主要依赖进口及海外资源，且石英矿源供给有限，限制了石英坩埚进一步扩产。

高纯石英砂在半导体、光伏和光通信等领域需求量较大，但高品质石英砂的供给不足。因此，随着光伏产业的不断发展和坩埚的大型化趋势，对高纯石英砂的需求将进一步增加。

丨环节二：金属硅丨

01、金属硅简介

金属硅又称结晶硅或工业硅，其主要用途是作为非铁基合金的添加剂。

金属硅是由石英和焦炭在电热炉内冶炼成的产品，主成分硅元素的含量在98％左右（近年来，含Si量99.99％的也包含在金属硅内），广泛应用于半导体、铝合金、太阳能电池及钢铁冶炼与精密陶瓷。

02、金属硅的应用领域：多晶硅与薄膜太阳能电池

金属硅主要应用于多晶硅的制备，作为太阳能电池的主要原料：通过熔炼和凝固等工艺，金属硅被转化为多晶硅棒，并进一步加工成太阳能电池片。这为太阳能电池产业提供了重要的基础材料，满足了清洁能源需求的不断增长。

金属硅在薄膜太阳能电池的应用领域主要是作为基础材料用于制备光伏薄膜：薄膜太阳能电池是一种相对传统多晶硅太阳能电池更薄、更轻、更灵活的技术。

03、金属硅在太阳能电池制造中的两种关键应用路线

对于从金属硅到多晶硅的提纯，分为两个主流路线，一个是化学法，另外一个方法，是物理法。化学法的纯度较高，但能耗和成本也较高，污染处理成本较大。物理法电耗低，成本低，无污染。

金属硅也可以通过先制备硅烷气，然后通过气相沉积技术在薄膜衬底上形成非晶硅薄膜，之后制作PN结，最后形成薄膜太阳能电池片。

04、总结

金属硅是工业硅的一种，主要用于非铁基合金、半导体、铝合金、太阳能电池和钢铁冶炼等领域。

在太阳能电池制造中，金属硅被用于制备多晶硅和光伏薄膜。多晶硅作为太阳能电池的主要原料，金属硅通过熔炼和凝固等工艺转化为多晶硅棒，进一步制成电池片。

薄膜太阳能电池则利用金属硅作为基础材料，支持光电转换层的生长。然而，近年来中国金属硅产量出现急降，主要产地集中在新疆、云南和四川等地，受电力成本等因素影响较大。

丨环节三：多晶硅料丨

01、多晶硅料简介

光伏硅料即太阳能级多晶硅，它是以金属硅和氯化氢反应生成的三氯氢硅为原料而生成，其带有金属光泽的灰黑色固体，是硅片和光伏发电系统的核心原材料，作为重要的优良半导体材料，被称为产业链中的“黑金”。

2021-2022年，硅料由于供不应求价格暴涨，光伏广阔前景以及短期硅料的暴利吸引老牌硅料企业和新玩家纷纷涌入扩产。

02、多晶硅主流生产技术：改良西门子法与硅烷流化床法

当前主流的多晶硅生产技术主要有三氯氢硅法和硅烷流化床法，产品形态分别为棒状硅和颗粒硅。

改良西门子法，主要是利用SiHCl3的还原，其过程为：在反应炉插一根硅芯棒，将SiHCl3和H2充进高温的反应炉进行还原反应，生成晶体硅沉积在硅芯表面，等硅晶棒长到一定尺寸时，冷却后就可以出炉了。这就是我们常说的“长晶”。

硅烷流化床法，主要是利用SiH4的还原，其过程为：把细小的硅颗粒种子铺在有气孔的床层上，从下面通入的硅烷在高温下进行分解，生产的硅晶体吸附在悬浮状态的硅颗粒种子上，等到了一定尺寸就会掉下来。

03、多晶硅料供需关系

多晶硅产能释放，供给大幅提升：根据统计2023年产能增量约104万吨/年，到年底投产产能约达222.7万吨/年。根据中国光伏行业协会年度报告预测，到2023年底国内多晶硅总产能可能超过230万吨/年。总体看，预计2023年硅料供给足以支撑450GW以上的光伏装机需求，超过355GW左右全球装机需求量。

产能释放驱动价格下行，同时需求得到释放：2023年3月以来，伴随硅料产能陆续释放，硅料价格持续下行，6月下旬硅料低位报价基本跌至成本线附近，部分企业或面临推迟投产与亏损停产。根据硅业分会数据，2022年全年国内多晶硅产量约81.1万吨，同比增加65.5%；预计2023年国内硅料产量将在135万吨左右。

04、颗粒硅市场份额逐步增加，产能扩张和工艺改进将推动增长

现阶段棒状硅生产工艺相对成熟，而颗粒硅拥有工艺流程简单、核心反应温度低、单程转化效率高等优势，可减少人工和能耗成本，随着2022年颗粒硅产能和产量的增加，颗粒硅市场占比有所上涨达到7.5%，棒状硅占92.5%。

向未来看，若颗粒硅的产能进一步扩张，并且随着生产工艺的改进和下游应用的拓展，市场占比会进一步提升。

05、总结

多晶硅料，又称太阳能级多晶硅，是光伏产业中的关键材料之一。它是以金属硅和氯化氢反应生成三氯氢硅为原料，具有金属光泽的灰黑色固体。作为半导体材料，多晶硅被广泛应用于硅片和光伏发电系统的制造，被誉为产业链中的“黑金”。

预计到2023年底，中国多晶硅总产能将超过全球355GW的光伏装机需求量，随着产能释放将推动硅料价格下行。其中，颗粒硅借着工艺简单、能耗低等优势，随着产能扩张和工艺改进，其市场份额有望进一步提升。

丨环节四：石英坩埚（耗材）丨

01、石英坩埚简介

石英坩埚主要应用于光伏和半导体领域高温条件下连续拉晶，用于装放多晶硅原料或单晶回收料，其纯度、耐高温性及气液包裹体含量等因素影响其产品品质。

石英坩埚为拉晶环节关键耗材，下游市场包括光伏与半导体。在单晶硅片生产制造过程中，石英坩埚是拉制大直径单晶硅棒的关键器材，主要用于盛装熔融硅并制成后续工序所需晶棒。

石英坩埚具有较强的消耗品属性，由于单晶硅片对纯度具有一定要求，石英坩埚在1500°高温下连续工作，若容器发生溶解会影响硅棒纯度，因此石英坩埚经过一段时间的连续拉晶后会报废，需要更换新的石英坩埚。

石英坩埚下游包括光伏与半导体行业，在光伏领域我国企业已占据绝大部分的市场份额，在半导体领域国产化石英坩埚正逐渐实现进口替代。

02、石英坩埚

1）石英坩埚结构拆分：内、中、外。

石英坩埚内中外层所用石英砂品质不同，石英砂构成坩埚主要原材料成本。石英坩埚结构可进一步拆分为内、中、外三层，所用石英砂品质有所差异。

其中石英坩埚品质核心在于内层坩埚，其使用的高纯石英砂纯度要求达4N8（大于99.998%），且对气液包裹体、稳定性也有较高要求。

2）石英坩埚影响因素：气泡、杂质。

坩埚内表层是指透明层中最靠近内表面1-2mm的部分，拉晶的过程中与硅液接触的内表面不断向硅液中熔解，伴随着透明层中的微气泡不断长大，靠近最内表面的气泡破裂，释放石英微颗粒和微气泡，影响硅的成晶以及单晶硅质量。

石英砂的杂质量决定了坩埚的强度，杂质量越高的石英坩埚强度越低、更易变形，可能导致坩埚上口内塌造成与导流筒碰撞而阻断拉晶。

此外，杂质量较高的坩埚在生产过程中杂质扩散更快造成污染，会导致石英坩埚发生析晶现象，若析晶靠近内表面，可能导致析晶壳层过厚从而无法拉晶；若析晶靠近外壁，则易导致在底部或者弧度的鼓包现象，这种析晶有可能贯穿坩埚本体，会引起漏硅等一些列后果。

03、国产替代导致石英坩埚需求激增，高品质砂短缺成挑战

内层砂国产替代进行时，石英坩埚使用寿命下降带动坩埚用量显著提升。随着N型产品渗透率提升，所用石英坩埚内层砂占比进一步提升，进口高纯石英砂供应弹性不足，进一步走向紧缺。

石英坩埚在硅片拉晶环节仅占硅片制备总成本约1%-2%，硅片企业为保证出货量，将会逐步采用国产石英砂做内层使用。

由于国产石英砂在气泡、杂质等方面品质较差，将导致石英坩埚使用寿命降低，增加坩埚损耗量，同时小幅增加硅片企业生产成本。

04、总结

石英坩埚是光伏和半导体领域中关键的高温容器，用于装放多晶硅原料或单晶回收料。随着光伏产业的发展，对多晶硅的需求不断增加，从而推动了石英坩埚的需求。

预计2023年，国内多晶硅产能将满足全球355GW的光伏装机需求，但国产石英砂品质相对较差，导致石英坩埚寿命降低，增加了生产成本。尽管如此，随着技术进步和下游需求增长，石英坩埚及相关产业仍有广阔的发展前景。

丨环节五：光伏热场（耗材）丨

01、光伏热场简介

热场是用在硅片拉晶过程中的耗材，主要包括位于单晶炉内的坩埚、导流筒、保温筒、加热器等部件。

其中坩埚的作用是承载内层的石英坩埚，石英坩埚中放臵熔融硅料；导流筒的作用是引导气流，并阻止外部热量传导至内部，使硅棒生长的速率提升；保温筒的作用是阻止内部热量向外传导，构建热场空间；加热器的作用是提供硅料熔化的热源。

传统热场为石墨热场，而碳碳复材热场在一些高端应用领域和一些先进的硅片生产设备中得到了广泛应用。随着碳碳复材技术的不断发展和成本的降低，预计其在未来会继续扩大市场份额，可能逐渐成为市场的主流。

02、碳碳复材热场的优势：承载能力和性价比高

碳碳复材热场产品理化性能优、性价比高。热场系统内部不同部件用途各异，核心性能要求不同，而碳碳热场多方位指标均优于等静压石墨热场。

从抗折强度看：外部热场坩埚核心性能指标，关系到其承载石英坩埚的能力。

单晶硅棒向大直径、大尺寸化方向发展，坩埚直径和承载硅料量也相应增加，对坩埚抗折强度的要求也逐识别风险，而碳基材料抗折强度明显优于等静压石墨。

从性价比上看：碳碳复材热场高温强度比石墨高3-5倍，使用寿命更长，减少部件更换次数，提高设备利用效率，随着产品生产成本下降，碳碳热场综合性价比优势显现。

03、总结

热场是在硅片拉晶过程中使用的耗材，包括坩埚、导流筒、保温筒、加热器等部件。

碳碳复材热场在热场系统中表现出优越的理化性能和性价比。它具有较高的抗折强度，适应了单晶硅棒向大直径、大尺寸化的发展趋势，增强了承载石英坩埚的能力。同时，碳碳复材热场的高温强度比石墨高3-5倍，使用寿命更长，减少了部件更换次数，提高了设备利用效率。随着生产成本的下降，碳碳热场展现出明显的综合性价比优势。

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