当前,为应对全球气候变化,世界能源格局正经历深刻调整。以太阳能发电为代表的可再生能源将和煤炭和天然气一同支撑我国日益增长的能源需求。太阳能发电通过光伏发电或太阳能热发电技术实现,其中光伏发电占据主导地位。
硅料作为光伏发电太阳能电池板的核心原材料,在新的能源结构中占据着重要地位。硅是一种非金属元素,在自然界中一般以硅酸盐或二氧化硅的形式存在,我们生活中常见的沙子的主要成分就是二氧化硅。
光伏发电所需的硅料,即太阳能级多晶硅(SoG-Si),是光伏产业链中最上游的原材料,为带有金属光泽的灰黑色单质固体,具有熔点高(1410℃)、硬度大、脆性和常温下的化学惰性,是极为重要的优良半导体材料,被称为光伏产业链中的“黑金”。
光伏发电的原理是光生伏特效应和PN结,受光线照射的半导体会产生电压与电流,基本构造是由P型与N型半导体接合而成的光伏电池片。硅料作为最上游的原材料,市占率在90%以上,且未来相当长时间仍为光伏电池的主要原材料。
由于自然界中不存在单质硅,需要将原料提纯达到一定纯度,得到多晶硅材料。
基本原料为工业硅,又称金属硅,是以硅石(SiO2)和焦炭混合,在电炉中加热至1600-1800℃生成纯度为95~98%的粗硅,再进一步经过粉碎、酸洗、水洗烘干等工艺除去杂质后制成纯度为99.9~99.99%(2N)的工业硅。
纯度是多晶硅品质的主要评判指标,当前太阳能级多晶硅(SoG-Si)的纯度介于冶金级硅与电子级硅之间,一般在99.9999%~99.9999999%(6N-9N)之间,主要应用于光伏晶硅电池。
工业硅的纯度无法满足光伏发电的要求,需要进一步经过提纯得到太阳能级多晶硅。目前市场上主要的提纯工艺有改良西门子法和流化床法,其中改良西门子法是目前应用最普遍也是最成熟的方法。改良西门子法(棒状硅技术)最早由德国西门子公司在1955年发明,在过去60多年中经过不断技术优化和提升,已经成为目前技术最成熟、配套最完善、综合成本最低的多晶硅生产工艺。
相较光伏产业链其他环节,硅料行业具有重资产、低周转、高净资产收益率(ROE)的特征。同时作为光伏产业链中技术/资金壁垒最高、产能刚性且扩产/爬产周期最长的环节,叠加例行检修、生产事故等增加供给不确定性的因素,相较于其他环节,硅料行业更易出现因供不应求而导致涨价的情况。目前硅料的成本构成主要是电费、硅粉、折旧、人工,合计占比接近90%,其中能耗是未来主要的成本竞争要素。
我国是可再生能源大国,并且在太阳能发电领域具有资源和技术优势,发展迅猛。2022年,全国太阳能发电量达到39261万千瓦,同比增长28.1%;基建新增发电装机容量19974万千瓦,其中太阳能发电达到8741万千瓦,同比增长60.3%。在高额利润引导下,硅料产能释放迅速,中长期供应较为充裕,为硅料价格稳定提供基础,强力支撑着我国日益增长的新能源需求。