顆粒硅最近被熱捧的氣氛，讓人感覺顆粒硅能讓光伏發(fā)電
一夜之間跑步進(jìn)入平價上網(wǎng)時代，擺出
光伏 降成本沒它不成的樣子。不過，我們還是需要冷靜一下，用數(shù)據(jù)說話，捋一捋顆粒硅發(fā)展的來龍去脈，挖掘顆粒硅到底有何玄機(jī)。
01
顆粒硅到底是什么？
1.1 流化床顆粒硅技術(shù)并非顛覆性技術(shù)
多晶硅是用來制備單晶硅棒或者多晶硅錠的原材料，是當(dāng)前以硅基太陽電池為主導(dǎo)的光伏產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)原料，屬于光伏產(chǎn)業(yè)鏈的上游（見圖1）。多晶硅原材料常見的類型有棒狀硅和顆粒硅（見圖2）。棒狀硅是采用目前主流的生產(chǎn)工藝改良西門子法生產(chǎn)的，而最近被熱炒的顆粒硅則是采用硅烷流化床工藝生產(chǎn)的。
圖1 光伏產(chǎn)業(yè)鏈的上中下游
棒狀硅和顆粒硅二者生產(chǎn)采用的原料相同均是工業(yè)硅，不同之處在于還原硅過程中采用的中間體。從本質(zhì)上來講，不論是改良西門子法生產(chǎn)的棒狀硅還是硅烷流化床法生產(chǎn)的顆粒硅，都是將工業(yè)硅提純?yōu)楦呒冸娮蛹壒瑁?N）或者太陽能硅（6N）。
圖2 改良西門子法制備的棒狀硅塊料（左） 硅烷流化床法制備的顆粒硅（右）
改良西門子法采用的中間體是三氯氫硅；同時，為了保證生產(chǎn)過程的高效和環(huán)保無污染，改良西門子法配備有一系列與三氯氫硅相關(guān)的原料和能量回收循環(huán)再利用系統(tǒng)。硅烷流化床法工藝采用的中間體是硅烷，與之配套的是制備硅烷的系統(tǒng)。理論上來講，過程中并不消耗氯和氫，這些元素僅在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)揮中間轉(zhuǎn)化和傳遞的作用。
1.2 硅烷流化床顆粒硅制備流程簡單，但控制流化床長周期穩(wěn)定運(yùn)行難度高
流化床法制備顆粒硅的研發(fā)歷史比較悠久，早在上世紀(jì)五十年代就有學(xué)者提出了通過化學(xué)氣相沉積的原理來制備多晶硅。隨后在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，形成了目前的工藝。關(guān)鍵設(shè)備流化床反應(yīng)器的關(guān)鍵工藝流程如下：作為晶種的高純度硅籽晶從流化床反應(yīng)器上部加入后，堆積形成晶種顆粒床層，將床層加熱到反應(yīng)要求的溫度后，從反應(yīng)器底部通入硅烷、氫氣的混合氣使晶種床層達(dá)到流化狀態(tài)，預(yù)熱的混合氣通過加熱床層時，硅烷分解形成單質(zhì)硅沉積到硅籽晶表面（見圖3）。從反應(yīng)溫度來講，硅烷在流化床內(nèi)熱解的溫度僅為500-800℃，遠(yuǎn)低于改良西門子法1100℃左右的反應(yīng)溫度。流化床工藝的特點給生產(chǎn)多晶硅帶來多重優(yōu)勢，硅烷流化床內(nèi)溫度分布比較均一，反應(yīng)器內(nèi)硅沉積的表面積大，沉積速率快，可以實現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料、出料。
圖3 流化床顆粒硅反應(yīng)器示意圖
改良西門子法的核心流程是三氯氫硅提純后與高純氫一起送入反應(yīng)器（也稱為鐘罩反應(yīng)器），在反應(yīng)器內(nèi)的硅芯表面（硅芯被加熱到1000—1150℃）發(fā)生化學(xué)氣相沉積反應(yīng)，硅芯逐漸長成棒狀硅（見圖4）。相比較而言，由于三氯氫硅在還原爐內(nèi)利用效率低，需要對未反應(yīng)的二氯氫硅、三氯氫硅、四氯氫硅、氯化氫和氫氣等尾氣經(jīng)回收工藝分離提出后再利用，導(dǎo)致改良西門子法工藝流程更復(fù)雜，見圖4。改良西門子法需要間歇的打開鐘罩反應(yīng)器取出反應(yīng)完全的棒狀硅，一方面導(dǎo)致操作流程不連續(xù)、效率較低，另一方面高溫的反應(yīng)器經(jīng)常打開會造成熱損失大。
圖4 改良西門子法制棒狀多晶硅工藝流程
1.3 針對顆粒硅有更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求
氫和金屬雜質(zhì)含量是影響顆粒硅品質(zhì)的主要因素。工信部發(fā)布了《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件（2020年本）（征求意見稿）》，要求多晶硅滿足《太陽能級多晶硅》（GB/T 25074-2017）和《流化床法顆粒硅》（GB/T 35307）特級品的要求（見表1和表2）。其中，對顆粒硅明確提出了嚴(yán)格的氫含量的要求以及較太陽能級多晶硅標(biāo)準(zhǔn)中更嚴(yán)格的金屬雜質(zhì)含量的要求。
由于最初多晶硅的下游客戶主要是半導(dǎo)體廠商，改良西門子法穩(wěn)定可靠的制備高純的棒狀硅符合半導(dǎo)體器件行業(yè)的要求，而流化床法顆粒硅則主要應(yīng)用在太陽能領(lǐng)域。目前，國內(nèi)顆粒硅的應(yīng)用較少，國家出臺了顆粒硅的標(biāo)準(zhǔn)專用于規(guī)范生產(chǎn)企業(yè)控制顆粒硅的品質(zhì)的行為，其應(yīng)用效果如何有待市場的進(jìn)一步驗證。
從尺寸上來說二者差異顯著，棒狀硅，個頭更大，尺寸范圍更廣，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為3mm-200mm；而顆粒硅尺寸小的多，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸為1mm-3mm。
表1 《流化床法顆粒硅》（GB/T 35307）技術(shù)指標(biāo)
表2 太陽能級多晶硅(GB/T 25074-2017)技術(shù)指標(biāo)
1.4 顆粒硅的發(fā)展歷程
在2010年之前，中國多晶硅產(chǎn)業(yè)整體的技術(shù)水平比發(fā)達(dá)國家顯著落后。之后，我國成功引進(jìn)具有成熟應(yīng)用經(jīng)驗的改良西門子法技術(shù)并經(jīng)過十多年的快速發(fā)展，光伏產(chǎn)業(yè)具備了先進(jìn)的多晶硅本地化生產(chǎn)能力，也大幅降低了對進(jìn)口多晶硅的依賴（見圖5）。同時，該技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化也促進(jìn)了國內(nèi)多晶硅價格大幅下降并將價格維持在一個相對較低的水平。本土企業(yè)生產(chǎn)多晶硅的成本優(yōu)勢讓國外曾經(jīng)的多晶硅巨頭也面臨經(jīng)營窘境。最近的消息顯示，德國行業(yè)巨頭瓦克公司的多晶硅成本難以與我國企業(yè)競爭，有可能要退出太陽能級多晶硅市場。改良西門子法在國內(nèi)和國外均是主流的多晶硅制備工藝，并且已經(jīng)成熟應(yīng)用了幾十年，企業(yè)廣泛參與，積累的經(jīng)驗也很豐富。
圖5 2016-2020年多晶硅進(jìn)口情況（萬噸）
（資料來源：中國光伏行業(yè)協(xié)會）
國內(nèi)外的顆粒硅技術(shù)商業(yè)化運(yùn)營歷史不長，顆粒硅技術(shù)路線商業(yè)化前景有待觀察。由于多晶硅發(fā)展初期需求主要來自于半導(dǎo)體，要求的純度很高，流化床法顆粒硅不能滿足要求。國際上實現(xiàn)流化床顆粒硅商業(yè)化的企業(yè)較少，最初僅有REC公司和MEMC公司。REC從2006年開始建設(shè)流化床顆粒硅生產(chǎn)線，到2015年提出關(guān)閉美國的多晶硅工廠，再到2019年正式關(guān)閉該廠也就10多年的歷史。需要注意的一點是，這兩家公司除了顆粒硅之外，他們也擁有改良西門子法生產(chǎn)線，而且多晶硅主要來自于改良西門子法生產(chǎn)線。受2011-2012年國際光伏貿(mào)易摩擦及補(bǔ)貼政策大幅降低的影響，國際光伏市場需求增速大幅下滑（見圖6），國內(nèi)外光伏企業(yè)均受到較大影響。MEMC和REC公司同樣也都遭受重創(chuàng)，經(jīng)營狀況不佳，其所擁有的顆粒硅技術(shù)分別被協(xié)鑫和陜西有色天宏硅業(yè)通過收購和合作的方式拿到?？梢哉f，美國的光伏貿(mào)易保護(hù)主義政策加速了兩家企業(yè)技術(shù)最終流向國內(nèi)的進(jìn)程。
圖6 歷年全球光伏新增裝機(jī)容量及增長率
（資料來源：中國光伏行業(yè)協(xié)會）
受中美貿(mào)易摩擦的影響，REC開始了在中國建設(shè)流化床法顆粒硅生產(chǎn)線的想法。早在2014年就與陜西有色天宏新能源有限責(zé)任公司合資成立了天宏瑞科，天宏瑞科在陜西榆林建立了一個年產(chǎn)500噸電子級高純硅烷氣、1000噸電子級多晶硅、18000噸粒狀多晶硅的硅材料生產(chǎn)線。天宏瑞科顆粒硅生產(chǎn)線2017年11月投入試生產(chǎn)。該生產(chǎn)線雖然號稱采用了REC的全套技術(shù)，但是到目前為止仍未大規(guī)模投產(chǎn)。
保利協(xié)鑫對顆粒硅的前景比較樂觀。今年3月發(fā)布公告，稱公司硅烷流化床法顆粒硅萬噸投產(chǎn)后，已經(jīng)在生產(chǎn)運(yùn)營及下游客戶使用中得到實證。
02
顆粒硅能耗低，但是品質(zhì)控制難度大
硅烷流化床法工藝與改良西門子法相比，最大的特點就是反應(yīng)過程中籽晶與硅烷氣接觸面積大，轉(zhuǎn)換效率高，硅烷的分解溫度低，硅烷流化床法流程短，沒有改良西門子法復(fù)雜的回收系統(tǒng)，綜合能耗優(yōu)勢明顯（見表3）。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)，2020年改良西門子法的綜合能耗為66.5kWh/kg-Si，其中還原電耗平均值為49 kWh/kg-Si，電耗包括硅芯預(yù)熱、沉積、保溫、結(jié)束換氣等工藝過程中的電力消耗；而硅烷法流化床法顆粒硅工藝綜合能耗較改良西門子法棒狀硅能耗低約40-50%，二者的能耗差別最大的是還原電耗。
表3 流化床法和改良西門子法對比
太陽能級多晶硅品質(zhì)要求的重要方面是純度。硅烷流化床工藝必然涉及顆粒物料磨損會產(chǎn)生大量非常細(xì)小的硅粉，而且硅烷本身表面積比較大?？朔?xì)硅粉不污染大表面積的顆粒硅是行業(yè)內(nèi)面臨的難題，若該污染問題不能得到很好的解決，將影響鑄錠或拉單晶過程。相比而言，改良西門子法制備的棒狀硅本身的體積比較大，而且不易磨損形成硅粉。另外，棒狀硅表面積小不易被污染。
由于顆粒硅應(yīng)用案例較少，硅粉對顆粒硅造成的污染是否會對拉硅棒或者鑄錠工藝產(chǎn)生影響，仍需要相關(guān)硅片企業(yè)的驗證。
對比來看，改良西門子法工藝成熟穩(wěn)定，過程簡單可控，設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，容易復(fù)制和擴(kuò)大。生產(chǎn)的硅料質(zhì)量好致密度高，一直是全球多晶硅料生產(chǎn)的主要方法，市場占比超過90%。顆粒硅能否達(dá)到棒狀硅相同的品質(zhì)水平我們拭目以待。
03
顆粒硅對光伏發(fā)電的影響
3.1 多晶硅原材料已經(jīng)不是降低
光伏組件成本最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)
市場對光伏發(fā)電持續(xù)降低成本的需求始終沒有停止，通過降低多晶硅的成本是重要的途徑之一。近幾年，隨著世界各國能源轉(zhuǎn)型加速，光伏發(fā)電將扮演能源變革的重要角色，平價上網(wǎng)的訴求更加迫切，對光伏發(fā)電降低成本提出了更高的要求。
從組件的成本結(jié)構(gòu)圖可以看出，多晶硅料目前已經(jīng)不是降低光伏組件成本最為重要的環(huán)節(jié)，硅料成本僅占組件成本的10%左右（見圖7）。按照成本構(gòu)成多少來看，依次需要降低成本的分別是組件、電池和硅片環(huán)節(jié)。因此從多晶硅原料端來促進(jìn)電價的降低效果不那么顯著，而且需要考慮對硅片的質(zhì)量和光伏電池效率的影響。
圖7 2020年光伏產(chǎn)業(yè)鏈價值分配圖
（數(shù)據(jù)來源：PV inforlink，國信證券）
隨著近十來年光伏制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，光伏組件在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的成本占比大幅下降，從接近80%降低到了約為37%。硅材料在光伏發(fā)電系統(tǒng)投資中的占比在10個百分點以內(nèi)（見圖8）。因此，降低硅材料的成本對降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體投資影響比較有限，對光伏發(fā)電度電成本的影響更是微乎其微。
圖8 光伏發(fā)電系統(tǒng)成本構(gòu)成
3.2 顆粒硅安全生產(chǎn)要求高
硅烷有非常寬的自發(fā)著火范圍和極強(qiáng)的燃燒能量，決定了它是一種高危險性的氣體。硅烷流化床顆粒硅工藝以硅烷為主要的反應(yīng)氣體，該類裝置對安全運(yùn)行的管理水平要求很高。
具有多年顆粒硅生產(chǎn)經(jīng)驗的REC公司明確將安全列為公司的文化，非常重視安全運(yùn)行在公司的重要性。而當(dāng)前我國在多晶硅安全生產(chǎn)管理方面的制度體系尚不完善，涉及管理多晶硅企業(yè)安全生產(chǎn)的安全運(yùn)行制度尚在制定中。
采用改良西門子法的多晶硅企業(yè)安全事件引發(fā)業(yè)界關(guān)注，顆粒硅企業(yè)應(yīng)引以為鑒。2020年7月，占50%多晶硅產(chǎn)能的新疆便發(fā)生了兩次爆炸事故，引起了短期內(nèi)的多晶硅供應(yīng)量不足，造成多晶硅價格上漲。7月2日，某多晶硅工廠的反應(yīng)器在氮氣置換過程中，因管線震動造成排污閥焊口斷裂，導(dǎo)致物料泄漏燃爆。7月19日，另外一家多晶硅廠精餾裝置發(fā)生閃爆。據(jù)稱，該廠共發(fā)生了5次閃爆，精餾界區(qū)管廊全部炸斷，大量氯硅烷外泄，未有說明傷亡情況，但事故造成工廠停產(chǎn)。
3.3 封閉的技術(shù)創(chuàng)新環(huán)境限制了
顆粒硅技術(shù)升級的速度
與改良西門子法參與企業(yè)較多、技術(shù)交流相對比較開放不同，流化床法顆粒硅技術(shù)參與的企業(yè)比較少，而且各自為戰(zhàn)開展研發(fā)和商業(yè)化推廣。研發(fā)環(huán)境相對比較封閉。這種研發(fā)環(huán)境不利于技術(shù)的快速迭代升級。
總結(jié)
流化床法顆粒硅技術(shù)從工藝原理上比改良西門子法具有能源效率高、流程簡單等優(yōu)勢。但是，流化床生產(chǎn)過程的控制難度大，能否長周期穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，并產(chǎn)出符合用戶要求的多晶硅尚待驗證，相關(guān)的安全問題也是運(yùn)行中的難點。即便顆粒硅可以滿足客戶要求，多晶硅在度電成本構(gòu)成中的占比很低，在當(dāng)前的光成本結(jié)構(gòu)條件下降低多晶硅的成本對于降低光伏度電成本貢獻(xiàn)有限。多晶硅行業(yè)主要采用廉價的煤電來提高自身的經(jīng)濟(jì)性，短期內(nèi)尚無較低的電源可替代，若企業(yè)受到碳減排的約束，流化床法工藝的確可以實現(xiàn)顯著降低多晶硅碳足跡的作用。
全國服務(wù)熱線
東莞市星火太陽能科技股份有限公司
