光伏硅片行业市场分析报告

光伏硅片行光伏硅片行业业市市场场分析分析报报告告1硅片概况：位于光伏中上游，硅片概况：位于光伏中上游，实现实现硅料向硅料向电电池片池片转变转变的重要的重要环节环节市市场场空空间间：光伏高景气持：光伏高景气持续续，硅片制造及，硅片制造及设备设备市市场规场规模有望不断增模有望不断增长长24目目录录3竞竞争格局：行争格局：行业业集中度集中度较较高，高，头头部企部企业业不断延伸不断延伸产业链产业链布局布局发发展展态势态势：关注技：关注技术进术进步及商步及商业业模式模式优优化化带带来的新机会来的新机会1.1 晶硅晶硅电电池占据池占据绝绝大多数市大多数市场场份份额额，硅片不可或缺，硅片不可或缺 太阳能太阳能电电池种池种类类繁多，晶硅与薄膜繁多，晶硅与薄膜电电池最池最为为成熟。成熟。自1954年美国贝尔实验室研制出效率为6%的具备实用价值的单晶硅电池以来，太阳能电池已经取得长足的发展。根据材料不同，光伏电池可大致分为三类：第一类为晶体硅太阳能电池、第二类为薄膜太阳能电池、第三类为各种新型太阳能电池。目前第三类太阳能电池技术上尚未成熟，商用的太阳能电池主要有晶体硅电池与薄膜电池两大类。晶硅晶硅电电池占据市池占据市场场多数份多数份额额，硅片是制，硅片是制备备晶硅晶硅电电池不可或缺的材料。池不可或缺的材料。2010-2020年全球薄膜电池市场份额基本处在下行区间，2020年全球产能接近10GW，产量约为6.48GW，市场占有率为4%，同比下降了0.4个百分点。主要是全球薄膜电池产量并未明显提升，但晶硅组件产量却取得了较大幅度的增长。2020年全球硅片产量约168GW，2021年超过230GW，预计未来光伏市场仍将以晶硅材料为主，硅片是制备晶硅电池不可或缺的材料。图图表：主要的商用光伏表：主要的商用光伏电电池分池分类类图图表：表：2010-2020全球薄膜全球薄膜电电池市池市场场份份额额16.00%14.00%12.00%10.00%8.00%6.00%4.00%2.00%0.00%光伏电池晶硅电池薄膜电池多晶硅电池单晶硅电池硅基薄膜电池化合物半导体薄膜电池非/微晶硅叠层电池(-Si）PBSF异质结非晶二元化合物（CdTe、GaAs）三元化合物CIS四元化合物（E硅(-）RCSi（）CIGS）20102011201220132014201520162017201820192020资料来源：CPIA、现代制造技术与装备、江苏工业学院学报、市场研究部1.2 连连接上游硅料和下游接上游硅料和下游电电池片，池片，单单晶硅片已晶硅片已经经成成为为市市场场主流主流 硅片硅片处处于光伏于光伏产业链产业链中上游，是中上游，是连连接硅料和接硅料和电电池片的重要池片的重要环节环节。单晶硅片制造企业利用单晶硅炉生产单晶硅棒、多晶硅片制造企业利用铸锭炉生产多晶硅锭，之后再将硅棒或硅锭切割成单晶硅片或者多晶硅片，最终用于太阳能电池板、电池组件生产。因此，硅片制造行业是实现多晶硅原料向太阳能电池转变的必经阶段，伴随着全球太阳能光伏产业的发展而发展。多晶硅片占比快速减少，多晶硅片占比快速减少，单单晶成晶成为为市市场场主流。主流。光伏硅片大体可以分为多晶硅片和单晶硅片，当熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则为多晶；如果晶面取向相同，则为单晶。由于单晶电池转换效率可以比多晶电池高2-3个百分点，随着下游对单晶产品的需求增大，单晶硅片市场占比迅速从2016年的不足20%提高到2021年的95%。预计未来单晶仍将占据市场绝大部分份额，且 N型单晶硅片占比将持续提升。图图表：硅片在光伏表：硅片在光伏产业链产业链中的位置中的位置图图表：不同表：不同类类型硅片市型硅片市场场占比占比100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%2016201720182019多晶202020212022E2023E2025E2027E2030EP型单晶N型单晶铸锭单晶资料来源：CPIA、隆基绿能、京运通、上机数控、市场研究部1.3拉晶、切片拉晶、切片为单为单晶硅片主要生晶硅片主要生产产步步骤骤，主要，主要设备设备均已国均已国产产化化1.3.1光伏拉晶主要光伏拉晶主要为为直拉法，直拉法，掺杂剂掺杂剂控制硅棒控制硅棒类类型型 拉晶工拉晶工艺艺主要包括主要包括Fz法和法和Cz法，光伏法，光伏领领域主要使用域主要使用Cz法。法。单晶硅根据长晶方式不同，主要有悬浮区熔法（Fz-floatzone）和直拉法（Cz-czochralski）。区熔可以生产出高质量的高纯度单晶，但其对原料、设备和技术的要求较为苛刻，且对于多晶硅原料的尺寸要求较高，生产的晶体尺寸也较小，导致其生产成本较高。目前Fz法多应用于对硅片要求较高的半导体领域，而光伏领域主要使用Cz法。Cz法法经过经过十余步十余步骤骤，掺杂剂掺杂剂决定得到决定得到P型硅片或者型硅片或者N型硅片。型硅片。Cz直拉式单晶硅生长主要工艺流程包括：装料抽真空检漏压力化熔料稳定化熔接引晶放肩转肩等径收尾停炉，以及两个重要辅助工艺煅烧、副室隔离净化。装料和等径加入的掺杂剂控制着后续得到的硅片类型，三价B族受主掺杂剂和五价族施主掺杂剂将分别得到型和N型半导体。其中等径是晶体生长的主体部分，等径段是硅单晶的有效利用部分，单晶硅片的原料即从这部分得到。图图表：拉晶重要流程示意表：拉晶重要流程示意图图图图表：拉晶主要步表：拉晶主要步骤骤介介绍绍步步骤骤阶阶段段介介绍绍在高纯度石英坩埚中按层次装入多晶硅块料、粉料、颗粒料、掺杂剂，然后放入石墨坩埚并合炉。掺杂剂类型决定得到P型还是N型硅片1装料合炉后，主泵对炉体内部进行抽空，为单晶生长提供洁净的环境。抽空至一定压力后，充入高纯度氩气，然后关闭，再抽，再充，反复几次，带走炉内杂质。此后要进行检漏压力化 检漏完成，开启氩气阀，炉内压力逐渐升至晶体生长压力范围化料 驱动石墨加热器电源，加热至大于硅的融化温度，使多晶硅和掺杂物熔化熔液温度稳定到引晶范围后，降下籽晶接近液面，籽晶固体接触液面后，籽晶端头熔化，2抽空检漏347引晶由于表面张力，籽晶与硅融体的固液交接面之间的硅融体冷却形成固态的硅单晶籽晶接触到硅液瞬间，其温度差产生的热应力引发位错，消除位错的方法是“缩颈”。在提拉过程中，逐渐缩小籽晶，将位错的排列挤压出去，并拉制细颈长度约晶棒直径大小89缩颈放肩 引晶至目标长度，减慢晶体提拉速度，降低温度，直径快速增大，称为“放肩”。放肩至目标直径后，需要快速使晶体生长方向从横向转为纵向，提高拉速，晶体停止横向生长，直径不再增加时，即完成转肩10转肩为了减少全熔阶段掺杂剂的挥发损失造成较大影响，转肩至目标直径后，再启动投放掺杂剂的装置，停滞23秒，然后可以提高提拉速度，并保持几乎不变的速度进行等径生长生长结束如果直接脱离液面会在界面产生大量位错，导致尾部的晶棒不可用。在等径结束后，要逐渐缩减晶棒直径至最小，然后脱离液面，完成单晶硅的生长过程11 等径生长1213收尾停炉 晶棒升入副室冷却。加热停止、坩埚升至最高位冷却。23小时后，拆炉取棒、清洁炉体资料来源：控制理论与应用、太阳能电子工艺技术、知网、太阳能、市场研究部1.3拉晶、切片拉晶、切片为单为单晶硅片主要生晶硅片主要生产产步步骤骤，主要，主要设备设备均已国均已国产产化化1.3.2单单晶炉晶炉为为拉晶拉晶过过程的核心生程的核心生产设备产设备，已全面国，已全面国产产化化 直拉直拉单单晶炉是拉晶晶炉是拉晶环节环节核心核心设备设备，伴随硅片不断向大尺寸方向演化。，伴随硅片不断向大尺寸方向演化。直拉单晶炉技术的已经历多轮迭代，持续向更多装料、更大尺寸、更高效率方向进化。根据直径划分，1.5英寸为第一代，2英寸为第二代，4-6英寸为第三代，8-12英寸第四代，从第三代开始实现直拉单晶炉控制的半自动化，到第四代基本实现了智能全自动化的升级。目前顺应大尺寸化发展趋势，已经发展至主流160炉型(210mm向下兼容182mm)，热场尺寸达36英寸以上，单炉投料量达2800kg以上。国内国内单单晶炉供晶炉供应应商技商技术术已达到已达到领领先水平，先水平，单单晶炉晶炉设备设备全面国全面国产产。我国拉晶设备的起步发展得益于早期在半导体拉晶设备领域积累，此后随着光伏行业的迅猛发展，国内光伏单晶炉设备供应商快速成长。美国Kayex公司是全球生产全自动单晶硅生长炉的代表，技术一直处于行业前沿，是世界上首次拉出8英寸单晶硅棒的公司，2013年被连城数控收购；晶盛机电开发出了拥有自主知识产权的 ZJS系列全自动单晶炉，多次填补国内空白；北方华创传承五十多年电子装备及元器件的生产制造经验，在国内市场占有重要的地位；其他厂商还有京运通、天通吉成等等，目前国内厂商的设备水平已走在全球前列，我国光伏单晶炉设备已经全面国产化。图图表：典型的拉晶生表：典型的拉晶生产车间产车间图图表：表：单单晶炉晶炉结结构示意构示意图图资料来源：CPIA、知网、双良节能、市场研究部1.3拉晶、切片拉晶、切片为单为单晶硅片主要生晶硅片主要生产产步步骤骤，主要，主要设备设备均已国均已国产产化化1.3.3切片技切片技术术快速演快速演进进，金，金刚线刚线多多线线切割在切片切割在切片环节环节全面全面铺铺开开 金金刚线刚线技技术术普及，薄片化、普及，薄片化、细线细线化促使出片率提高。化促使出片率提高。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，前者以砂浆切割为代表，通过钢线、游离液体磨料和待切割材料三者间的相互摩擦作用进仔切割；后者用金刚线（金刚石粉固定在钢线上）对材料进行切割。后者相较前者具有切割速度快、硅片品质高、成本低、切割液环保等优点，2017年以来金刚线切割已在单晶领域完全取代了砂浆切片。得益于金刚线带来的技术进步，2017-2021年金刚线母线直径从70m降低到45m、单晶硅片厚度从185m降低到170m、同尺寸硅片每公斤方棒出片量从60片提升到70片。硅片制硅片制备备主要主要经历经历4步，切片步，切片环节环节是是实现实现硅片薄片化的关硅片薄片化的关键键。单晶炉拉制出硅棒后主要经过截断、开方、磨倒、切片4道主要工序形成单晶硅片，其中截断工序将硅棒切割成所需长度；开方工序将截断后的圆柱形硅棒加工成长方体；磨倒工序将方棒进行磨面、抛光、倒角；切片工序将磨抛后硅棒切割加工为硅片，是实现硅片薄片化的关键，也是整个硅片加工流程中最为重要的一环。图图表：砂表：砂浆浆切割（左切割（左图图）与金）与金刚线刚线切割原理切割原理图图表：切片重要流程示意表：切片重要流程示意图图截断开方磨倒切片资料来源：CPIA、高测股份、上机数控、市场研究部1.3拉晶、切片拉晶、切片为单为单晶硅片主要生晶硅片主要生产产步步骤骤，主要，主要设备设备均已国均已国产产化化1.3.4多多线线切割机切割机为为切片切片环节环节核心核心设备设备，国，国产产厂商已厂商已经经主主导导市市场场 切片切片环节环节需多种需多种设备设备配套使用，切片机配套使用，切片机为为核心核心设备设备。切片环节所需的设备主要有截断机、开方机、磨倒机、粘棒机、脱胶机、切片机、脱胶机、清洗机、分选仪以及其他自动化辅助设备等，其中切片机是切片环节核心设备，该设备是一种使用高速运动的金刚石线对单晶硅棒进行切片加工的专用精密生产设备。在设备工作过程中，一根高速往复运转的金刚石线分布成切割线网，通过由放线轮、张力轮、导轮、切割轮等组成的运动机构及自动检测控制系统对单晶硅棒料进行加工研磨，将硅棒切割为硅片。国内国内设备设备厂商厂商产产品性能不断提高，快速占据国内市品性能不断提高，快速占据国内市场场份份额额。2016年以前，光伏切割设备领域占主导地位是以梅耶博格、HCT、NTC等国外厂商。而近年来，上述国外厂商在新增设备上的市场份额逐渐减少，国产光伏切割设备凭借优异的产品性能和综合性价比，市场份额逐步提升，已占据行业主导地位。目前国内提供多线切割机厂商包括高测股份、宇晶股份、连城数控、上机数控及晶盛机电等。图图表：典型的硅片制造流水表：典型的硅