硅片分類、生產工藝及發展趨勢有哪些？

硅片是多晶硅的直接下游，是多晶硅錠或單晶硅硅棒切片制成的薄片狀基板。

硅片分為 光伏硅片和半導體硅片，兩者應用場景不同，光伏硅片主要用于制作光伏太陽能電池。對半 導體硅片進行光刻、離子注入等手段，可以制成集成電路和各種半導體器件。根據有色金屬 工業協會硅業分會的統計，在全球多晶硅的消費中，光伏硅片消費占比達到 98%，半導體硅 片占比不到 2%。與多晶硅類似，硅片也可分為 N 型和 P 型，N 型硅片是通過在硅原料中添 加五價雜質元素（如磷或砷）來形成，這些雜質提供了額外的自由電子；P 型硅片是通過在 硅原料中添加三價雜質元素（如硼或鎵）來形成，這些雜質控制電子空穴的擴散。雜質濃度： N 型硅片中，五價雜質的濃度比純硅中的自由電子濃度高；P 型硅片中，三價雜質的濃度比 純硅中的電子空穴濃度高。在 N 型硅片中，自由電子是主要的電荷載體，可提供電流；在 P 型硅片中，正孔（電子空穴）是主要的電荷載體，也可提供電流。

根據生產工藝的不同，光伏硅片又可分為單晶硅片和多晶硅硅片。多晶硅片制造主要有 兩大環節：鑄錠和切片。單晶硅片的制造分為兩個主要環節：拉晶和切片。在力學性質、電 學性質等方面，多晶硅片均不如單晶硅片，多晶硅片中不同晶粒之間的晶界會對電子傳輸造 成阻礙，因而多晶硅光電轉換效率低于單晶硅。2019 年以后，國內金剛線切割技術不斷改進， 單晶硅片逐漸取代多晶硅片。 拉晶工藝根據單晶硅的長晶方式不同，分為懸浮區熔法（Fz-floatzone）和直拉法（Czczochralski）。區熔可以生產出高質量的高純度單晶，但其對原料、設備和技術的要求較為苛 刻，且對于多晶硅原料的尺寸要求較高，生產的晶體尺寸也較小，導致其生產成本較高。目 前 Fz 法多應用于對硅片要求較高的半導體領域，而光伏領域主要使用 Cz 法。在晶體生長過 程中，若摻入微量Ⅲ族元素（如硼、鎵等）可制得空穴導電的 P（positive）型硅單晶；若摻 入微量Ⅴ族元素（如磷、砷等）可制得電子導電的 N（negative）型硅單晶。

硅片行業發展趨勢：（一）生產制造環節非硅成本降低。從硅片成本結構看，當多晶硅價格在 20 萬元/噸時，硅料（多晶硅）成本占比達到 86%， 其余成本主要由電耗和金剛線成本構成；當多晶硅價格 4 萬元/噸時，硅料成本占比僅 40% 左右。硅片生產過程電耗主要包括拉棒電耗和切片電耗。單晶拉棒電耗是指直拉法生產單位 合格單晶硅棒所消耗的電量，可以通過改善熱場、保溫性能、提升設備自動化、智能化程度、 提高連續拉棒技術等方法，降低拉棒生產電耗。根據光伏行業協會統計，截至 2023 年，拉 棒平均電耗水平從 2022 年 24.4KWh/kg-Si 下降至 23.4kWh/kg-Si（方棒），預計 2030 年將下 降至 23.4KWh/kg-Si（方棒）以下。切片電耗是指通過切片工序，從方棒/方塊到成品硅片所 消耗的電量。2023 年，切片電耗約為 8 萬 KWh/百萬片，較 2022 年小幅下降，主要原因是 N 型硅片市場占比有所增加，切片裝備技術提升，硅片減薄速度增加。未來，硅棒棒長增長、 產線切速提升、細線化和薄片化帶來的單次出片量增加等都將促進切片電耗繼續下降，預計 到 2030 年切片電耗將下降至 7 萬 KWh/百萬片。此外，隨著智能化生產設備的發展，硅片 人均產出逐年增加，硅片制造環節人工成本呈現下降趨勢。截至 2023 年，硅片產線晶體環 節拉棒（方棒）人均產出率為 27.5t/(人·年)，切片人均產出率為 2.3 百萬片/(人·年)。隨 著未來大尺寸產能的持續釋放以及自動化水平的提升，預計晶體拉棒（方棒）人均產出和切 片人均產出均會有所增加。但考慮到企業為社會提供就業機會等因素，此指標的增速或將放 緩。

（二）硅片薄片化推動耗硅量降低。硅片薄片化是光伏產業的趨勢之一，但在近兩年硅片向大尺寸演進的情況下，進程有所 放緩。硅片成本最大占比是單晶硅成本，硅片薄片化有利于增加單位硅棒產出硅片數量，但 過薄的硅片會降低電池片的良率和光電轉化效率。根據光伏行業協會數據，截至 2023 年， 多晶硅片平均厚度為 170μm，由于市場終端需求量較小，無繼續減薄的動力，因此預測 2024 年之后厚度維持 170μm 不變，但不排除后期仍有變薄的可能。P 型單晶硅片平均厚度 150μm 左右，較 2022 年下降 5μm。為保持 N 型產品競爭力，用于 TOPcon 電池片和異質結電池片 的 N 型硅片產品片厚減薄動力較強，用于 TOPCon 電池的 N 型硅片平均厚度為 125μm，用 于異質結電池的硅片厚度約 120μm，分別較 2022 年下降 15μm 和 5μm。預計到 2030 年，N 型 TOPcon 電池的硅片厚度有望降低至 100μm。

（三）硅片呈現大尺寸化、標準化趨勢。早年間，市場硅片主要以方形為主，較為單一。隨著降本增效需求的逐漸增強，2022 年 頭部企業推出可以更加充分利用硅料的矩形硅片，硅片市場開始尺寸標準混亂、規范不一。 硅片尺寸由企業自身工藝和下游組件需求共同影響。拉晶環節后切片的切割設備大小，以及 對于成本控制的考慮，都會影響硅片的尺寸。一體化企業的硅片會根據下游組件需求調整尺 寸。比如，根據發電效率倒推組件尺寸，再由組件來決定需要什么尺寸的硅片。硅片尺寸不 統一讓設計院、配套設備企業需要根據每家不同的硅片尺寸再配套相應的生產設備，不利于 提高生產效率，增加了產業鏈成本。 2023 年 7 月 7 日，隆基、天合光能等 9 家組件企業同時宣布，經過充分深入溝通，對 新一代矩形硅片中版型組件標準化尺寸達成共識。9 家企業還倡議 182 系列組件與 210 系列 組件尺寸設計應遵循中國光伏行業協會標準《T/CPIA 0003-2022 地面用晶體硅光伏組件外形 尺寸及安裝孔技術要求》中的規定。下游組件尺寸統一為硅片標準化提供了基礎條件，2023 年 8 月 18 日上午隆基綠能官方微信號發布消息稱，阿特斯、東方日升、隆基綠能、通威股 份、一道新能、正泰新能等 6 家企業再次聯合就 72 版型矩形硅片尺寸的標準化發出倡議。

在過去幾十年中，受技術和成本等各種因素的推動，硅片尺寸從最初的 125 mm 進化到 158.75mm 后，維持了很多年；之后又進化到 166 mm(M6)、182 mm(M10)和 210 mm(G12) 等。 目前，125 mm 硅片早已不再生產，158.75 mm 硅片也近乎淘汰。硅片尺寸的增大導致太陽電 池面積的增加，從而會對光伏組件的電性能參數產生一定影響。由于太陽電池的輸出電流與 其面積有關，面積越大，其輸出電流越大。大尺寸硅片在提高效率的同時，也有助于減少主 材消耗并有利于降低 BOS 成本（BOS 成本包括逆變器、支架系統、電線電纜、土地成本、 安裝成本等）。根據光伏行業協會數據，截至 2023 年，166mm 及以下、182mm 方片以及微 矩形硅片占比分別為 2.0%、47.7%、20.3%，但接下來幾年占比都將逐步減少，預計 166mm 及以下尺寸硅片 2026 年左右將退出市場，而 182mm 方片和微矩形片 2028 年或將淡出市場； 2023 年，210mm 方片及矩形尺寸硅片市場占比分別為 20%、10%，以目前來看，兩者可能成 為未來的市場主流尺寸，市場占比或將迅速增長，但仍需要市場的不斷驗證。