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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。
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 PV Infolink 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。
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。
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 电池片的 N 型硅片在对称结构、低温或无应力制程方面可以适应更薄的厚度，且厚度的变化并不影响光电转换效率。
据 CPIA 统计，多晶硅片厚度从 2021 年的 178 微米减少至 2023 年的 170 微米，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。后续来看，硅片厚度仍将进一步减薄，CPIA预计至 2030 年 N 型单晶硅片（用于 TOPCon 电池）与 N 型单晶硅片（用于 HJT 电池）厚度将分别降至 100微米与 90 微米，相较 2023 年相比减少 20%与 25.2%。
在硅片薄片化的大背景下，切片时所使用的金刚线母线直径也同样呈现下降趋势。据 CPIA 介绍，金刚线母线直径以及研磨介质粒度与硅片切割质量以及切削损耗量相关，越小的线径和介质粒度有利于降低切削损耗和生产成本，即降本。从市场分类来看，金刚线主要分为高碳钢丝线和钨丝线，目前市场主流金刚线为前者，钨丝线由于成本较高而以小范围应用为主。从直径上来看，截至2023年高碳钢丝母线直径为36μm，钨丝线母线直径为 35μm，未来伴随降本增效需求的驱动以及钨丝母线应用的渗透，预计金刚线母线直径长度仍将进一步减小。
对于半导体硅片，大规格尺寸同样是其发展的主流趋势。根据摩尔定律，由于信息技术的发展，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件数目，约每隔 18-24 个月便会增加一倍，整体性能也将提升一倍。对于芯片制造企业，这意味着需要不断提升单片硅片可生产的芯片数量、降低单片硅片的制造成本以便与摩尔定律同步。当硅片尺寸越大时，硅片边缘损失越小，在单片硅片上可制造的芯片数量就越多，单位芯片的成本随之降低。目前半导体硅片的尺寸主要有 50mm（2 英寸）、75mm（3 英寸）、100mm（4 英寸）、150mm（6 英寸）、200mm（8 英寸）与 300mm（12 英寸）等规格，其中 8 英寸与 12 英寸为主流硅片尺寸。8 英寸硅片主要用于下游移动通信、汽车电子、物联网等领域，而 12 英寸硅片主要用于智能手机、计算机、人工智能等高端领域。
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
硅片生产工艺大致可分为六大步骤，分别为 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（如磨片、抛光、分选等），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，而多晶硅锭的生产工艺则为铸锭法。根据硅业分会统计，单晶硅棒市占率达到 99.2%，多晶硅锭市占率则为 0.8%，在单晶取代多晶的行业格局下，后续单晶硅棒为市场主要的发展方向。切片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。
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
单晶硅片的长晶工艺为直拉法（CZ）与区域熔融法（FZ），其中以直拉法为主流工序。直拉法最早于 1918由波兰科学家 Czochralski 提出，1952 年 Teal 和 Buehler 等人利用直拉法制备出单晶硅。直拉法主要生产流程有装料、溶解、引晶、缩颈、放肩、等待生长以及收尾等七大过程：
1）装料：将多晶硅和掺杂剂放入单晶炉内的石英坩埚中，若生产 N 型硅片则掺杂剂为磷、砷、锑等，若生产 P 型硅片则掺杂剂为硼等。
2）溶解：对加热腔体抽真空，并冲入氩气或氮气等保护气体，加热石英坩埚至融化温度（约 1420 度左右）使得多晶硅与掺杂剂完全融化。此过程中，将籽晶（一般长度为 1cm）下降与液面接近，预热几分钟以除去表面挥发性杂质并减少热冲击。
3）引晶：当温度稳定后，将籽晶与熔融态的原料接触，当籽晶与熔体液面浸润良好时，开始缓慢提拉，伴随籽晶上升，硅在籽晶头部逐渐结晶。
4)缩颈:引晶后略微降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。此目的在于有效集中和消除位错，从而制备出位错含量较低的硅单晶。颈的长度一般要大于 20mm。
5)放肩:缩颈工艺完成后，略降低提升速度并调整温度，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。
6)等径生长:当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增加以完成收肩。收肩后需控制温度与拉速不变，即等径生长。单晶硅硅片取自等径部分。
7)收尾:通过稍升温，降拉速等操作，逐步缩小单晶直径，直到成一尖点而与液面分开，以防止位错反延。
值得注意的是，直拉法的主要设备为单晶炉，辅助设备为真空泵，主要耗材为石英坩埚与碳碳热场。
区熔法工艺最早可追溯到 1939 年，威廉·凡恩最先萌生了“区域匀平”的念头，后来在亨利·休勒、丹·多西等人的协助下，生长出了高纯度的锗以及硅单晶，并以此获得了专利。区熔法的核心在于移动加热线圈，使得多晶硅棒熔化部分逐步向上移动，工艺流程可分为以下六大部分：
1）加热多晶硅棒：通入惰性气体，利用加热线圈加热多晶硅，使得多晶硅棒底端熔化，形成熔池。
2）引晶：降低多晶硅棒并提升籽晶，使籽晶与熔池良好接触。籽晶与熔池充分接触后，开启上轴转动，同时移动下轴，开始引晶。
3）缩颈：加大下轴旋转速度，以较快速度向下移动籽晶，收缩熔区，生长直径细小的颈部。
4）放肩：调节上下轴的跟随比，逐步过渡到要求的直径。
5）等径生长：持续向上移动加热线圈，保持恒定的转速和上下轴的跟随比，生长出恒定直径的晶棒。
6）收尾：单晶生长到规定尺寸后，停止上、下轴转动，移动下轴，直至晶体与熔池分离。
从前述两种拉晶工艺对比来看，直拉法的主要优势在于工艺成熟，对多晶硅原料的形状及尺寸要求较低，成本亦较低，更容易生产出大尺寸的单晶硅棒，主要应用太阳能电池和微电子集成电路领域。区熔法的优势在于其较快的长晶速度与高纯度的硅棒品质，高纯度的原因在于区熔法不使用坩埚，且熔区呈悬浮状态，不与任何物质接触，生产环节不易受到污染。不过，区熔法的设备成本较高，且该方法较难增加硅棒尺寸，因此主要运用于高功率半导体器件的硅棒生产。
多晶硅片长晶的方法主要有浇铸法、布里奇曼法、热交换法和电磁铸锭法四种，而在实际铸造多晶硅生产应用中，一般采用布里奇曼法与热交换法相结合的方法，又称为定向凝固法（DSS 法）。定向凝固法可分为以下五大步骤：
1) 坩埚喷涂：在坩埚内壁涂上氮化硅并烧结使粉状氮化硅形成致密层，防止高温下硅料和坩埚发生反应。
2) 熔硅：对坩埚内的多晶硅原料进行加热升温，为避免坩埚使用时间过长，最高温度应保持在 1450-1560 度，同时可根据工艺需要进行充入氩气和抽成真空，该过程耗时 6-12h。
3) 降温长晶：熔硅阶段结束后，通过温度梯度设置，使硅液定向凝固生长。多晶硅锭首先在坩埚底部形成，并呈柱状从下往上生长，该过程耗时 18-36h。
4) 退火冷却：进一步降低功率退火冷却。为了消除硅锭内部热应力，温度应按一定的速率曲线缓慢降低，该过程耗时 4-12h。
5) 出炉脱模：当铸锭炉内温度低于 400 度时，就可以将加热保温体上升至最高位置，充入氩气使炉内压力与炉外一致进行出炉脱锭。
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
光伏硅片切割主要采用线锯切割方式，有游离磨料和固结磨料切割两类，游离磨料切割以砂浆切割为代表，而固结磨料则以金刚线切割为代表。从当前市场情况来看，金刚线切割是行业内主流的切片工艺。
砂浆切割以钢线为基体，碳化硅作为切割刃料，钢线在高速运动过程中带动切割液和碳化硅混合的砂浆进行摩擦，利用碳化硅的研磨作用达到切割效果，主要优点在于切缝窄、切割精度较高。金刚线切割则是用电镀的方法在钢线基体上沉积一层金属镍，在金属镍层内包裹有金刚石微粉颗粒，使得金刚石颗粒固结在钢线基体上，并在切片过程中快速拉动金刚线以完成硅片切割。金刚石线切割工艺大幅降低线耗成本，提高切割速度并提升切片效率等，同时摈弃了昂贵且不环保的碳化硅材料，成本优势较为显著；此外由于金刚线切割的成品厚度均匀，产品良率亦有大幅提高。自 2016 年以来，金刚线切割逐步替代砂浆切割成为行业主要切割工艺。
此处针对硅片单瓦耗硅以及单片耗硅进行理论测算。以 182 尺寸硅片为例，硅片表面积为 33015 平方毫米（以边长为 182mm，含倒角测算），按照硅密度 2.33 克/立方厘米，1 千克方棒长度 为1000/(330.15*2.33)=13毫米。假设硅片厚度150μm、金刚线直径36μm以及砂径14μm，导轮槽距为200μm，此时 1 千克方棒理论切片数为 65 片，良品率 95%，实际切片数为 62 片。因此，大致测算 182 硅片的单片耗硅量约为 17 克 / 片。同时，按照光电转换效率 23.5% 进行测算，单片瓦数约为 7.8W/ 片（=23.5%*33015/1000），对应折算后可得单瓦耗硅量约为 2.20 克/W。需注意的是此为理论测算，实际生产过程中由于工艺条件控制、生产环境等因素而使得实际耗硅量有所变动。根据与硅片企业的调研情况，当前 N 型硅片单瓦耗硅约 0.22 万吨/GW，P 型硅片单瓦耗硅约 0.25 万吨/GW，硅片越薄单瓦耗硅量越低。具体硅片端生产成本的测算将在后续系列报告中作详细展开。
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
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，在全球多晶硅下游消费中，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 PV Infolink 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，而多晶硅锭的生产工艺则为铸锭法。在单晶取代多晶的行业格局下，后续单晶硅棒为市场主要的发展方向。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。
来源：国泰君安
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