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“一大一小”技术路线

【1】改良西门子法

对于光伏业内人士而言，西门子法是再熟悉不过了，这是目前国内外最普遍也是最成熟的方法。根据中国光伏行业协会的数据，2019年全球多晶硅产量中采用改良西门子法生产的占比高达97．8％；我国也类似，2020年国内采用改良西门子法生产的多晶硅约占全国总产量的97．2％。

今天成熟的改良西门子法最早由德国西门子公司在1955年发明，在过去60多年中，业内参与者不停的对西门子法进行技术优化和提升，已经改良到了第三代。其优点已经非常突出。目前全球前十硅料生产企业的技术路线都以改良西门子法为主。

图6：全球前十硅料生产企业，资料来源：国信证券

纵观全球多晶硅的发展历史，基本上是和西门子法技术路线的技术进步同步的。

具体而言，还原炉的材料从石英玻璃发展到金属再到不锈钢，其内部的棒数也逐渐从1对棒、3对棒逐渐提升到48对棒以上的大型还原炉，还原炉产量已从1975年的单炉40吨／年，提升至现在600吨／年的水平。

多晶硅技术的进步已经和规模的扩大形成正向循环，收益规模大型化、技术优化，改良西门子法多晶硅单位产能投资成本大幅下降，多晶硅生产线投资成本从2008年千吨投资成本约为7亿元～10亿元降到现在的1亿元／千吨以下。

根据工业发展规律，未来随着规模产量的继续扩大，改良西门子法的竞争能力将会进一步强化，主流工艺地位进一步稳固。

图7：西门子法生产工艺，资料来源：《当代多晶硅产业发展概论》

【2】流化床法——现实与理想的差距

下面敲重点，讲讲最近备受关注的流化床法，其实长期关注光伏行业的人知道，西门子法的应于一直远大于流化床法。但并不新鲜的流化床法之所以又引起大家的注意源于协鑫，叠加光伏这个黄金赛道，其核心要义就是降低成本，所以每个更降本扯上关系的新技术势必都让市场很亢奋。

在我们长期关注的动力电池领域，也有类似的例子。今年年初，广汽就曾发布“石墨烯电池”表示具备6C快充能力，最快8分钟就能充电至80％，此举引来不少吃瓜群众围观。同样的例子还有特斯拉的4680圆柱电池，这还尚未量产，相关板块已经涨了一轮。

回到流化床法上，最早是美国联碳公司在1952年开发出将硅烷分解沉积在固定床上硅颗粒表面的技术，这也是流化床技术最早的雏形，数年之后，杜邦公司在1961年申请了使用三氯氢硅为原料在流化床内生产颗粒硅的专利，标志着流化床法正式面世。

同样师出名门，但流化床法的工业化之路异常艰辛，难有大为。西门子法经过多次技术迭代已然成为多晶硅企业的主菜，流化床法虽有进步，却难于大规模量产，长期作为配菜。

那么问题来了，流化床法比西门子法晚了6年，但对于60余年的时间跨度，可以说两者是处在同一起跑线。为什么流化床法此前一直备受冷落？

图8：流化床法制备多晶硅技术的发展历程，资料来源：《当代多晶硅产业发展概论》，国金证券

1） 基本原理

流化床法的主要原理是将硅烷用氢气作为载体，像气流一样从流化床反应器底部注入，然后上升到中间加热区反应，因为有底部进料时候的气流源源不断的进入，可以让反应器内的籽晶沸腾起来，处于悬浮状态，注入的硅烷等原料和氢气在加热区发生反应，然后，随着反应的进行，硅逐渐沉积在悬浮状态的硅籽晶上，籽晶颗粒不断地生长，长大到足够重量的时候，硅颗粒沉降到反应器的底部，排出的就是颗粒硅。

图9：改良西门子法与流化床法核心设备对比，资料来源：《当代多晶硅产业发展概论》

2） 令人着迷的优势

相对改良西门子法，流化床法的最大优势主要体现在流化床反应器上。

其一，由于底部进料的气流存在，硅籽晶处在悬浮状态，可提供更大的反应面积，从而获得较高的反应效率，硅颗粒生长速度更快；同时，流化床反应器内是体和固体接触好，热能传递效率高，电耗自然就降下来了。能耗相对较低。在于参加反应的颗粒硅晶种表面积大，沉积速度（生长速度）大幅提高，故生产效率高，大大减少了能源消耗，降低了成本。

其二，从上图中可以看到，流化床反应器是上下加料，硅烷和氢气从底部注入，硅籽晶从顶部加料，生产的硅颗粒从底部排出，可以做到连续生产，提高生产效率。

其三，流化床法主要从硅烷作为原料，其反应的温度低，分解较为完全，使系统的尾气回收压力大为降低，约700摄氏度以下，而改良西门子法的反应温度高达1050摄氏度，单从这方面看，流化床法就比后者省电不少。

其四，流化床法的的副反应较少，可缩短尾气回收流程，减少投资成本。

其五，流化床法的产品就是颗粒硅，在下一加工环节就可以直接使用，可满足连续投料拉晶工艺的发展。不需要再像改良西门子法那样破碎。

讲了这么多，有人要坐不住了，你说流化床法这么多优点，处处盖过西门子法，为什么历史发展缓慢，且未来难有作为？我们的结论是，你的优势，也许就是你的劣势。

3） “致命”的劣势

不看好改良西门子法的投资者一般的观点就是，能耗大、副产物多，但是这些是可以通过技术改进，逐步改善的。

在能耗方面，多晶硅企业曾被戴上“高能耗”的帽子。今天多晶硅生产全流程综合电耗已经从2009年的200kwh／kg－Si降低至2020年的60kwh／kg－Si，降幅达到70％，有些头部企业甚至已经降到50kwh／kg－Si以下的水平，同时水耗则基本维持在67 kg／kg．Si左右。

同时，值得注意的是，除了老生常谈的电耗和水耗，能耗的综合考虑还需要加上蒸汽消耗。不同于改良西门子法的副产蒸汽用于发电，蒸汽单耗基本上已经下降到0，硅烷流化床法还会使用到蒸汽、天然气等，所以这部分有关蒸汽的25kg／kg．Si左右的能耗仅在生产颗粒硅的时候会产生，需要综合考虑进去，最后，综合能耗算下来，两种技术的能耗差距并不大。

在副产物方面，国内的企业通过技术引进和自主创新，已经可以解决副产物处理问题，实现了物料的循环利用。有头部企业利用甲醇制氢改电制氢、硅粉降耗、余热回收制蒸汽、还原一键启动全过程控制等降耗减排措施，协同多晶硅还原智能控制平台，在高效生产的同时，实现节能降耗，并大幅降低二氧化碳排放量。

但是流化床法的短板还真不是三两下可以彻底解决的，毕竟流化床法也已经诞生了60年。

第一，成品纯度不高。前文讲到，流化床反应器内的硅颗粒是处在悬浮状态，底部不断有气流进入，“沸腾”的硅颗粒会不断冲击反应器内壁，长时间运作下，容易使反应器内部受到腐蚀，常用的金属材料会给反应体系带入大量的金属污染，降低产品纯度。

光是这一点，就让流化床法的企业够忙活一阵了。

一些企业也在研究使用石墨、碳化硅等材质作为反应器内衬或涂覆在金属壁面上，利用其高硬度、不会带入金属杂质等优势，杜绝此环节的金属污染，但这会带来增加投资成本。实际上，在西门子法和流化床法面世后的初期，当时多晶硅市场需求主要为半导体行业用电子级多晶硅，流化床法因为纯度达不到甚至一点机会都没有。

第二，是第一点的延伸，反应器内壁不断受到冲击，容易带来内壁沉积硅粉，造成沾污，甚至造成喷嘴等关键部位堵塞，进而使进气不均匀，不利于反应。在内壁沉积严重的情况下，仍然需要被迫停车进行清理，甚至诱发反应器内壁的破裂。

结果就是目前流化床内件的寿命只有半年到一年，跟还原炉超过20年的寿命比起来简直是快消品。举个不是特别恰当的例子，这就像你去买车，你是选动力一般，但不容易坏的，还是选推背感十足，却动不动要换零件的车。

第三，流化床对安全性的要求很高。硅烷易燃、易爆的突出特点和安全隐患，限制了硅烷流化床法的推广使用。

从发展历程上来看，上世纪70年代，美国联合碳化合物公司，德州仪器公司等又开始对流化床生产工艺进行研究，尤其是美国Ethyl公司（现为Sunedison）于1984年建厂生产电子级颗粒硅，但由于纯度、成本等问题，产能也未能进一步放大。直到21世纪初，随着光伏多晶硅需求的迅速增大，流化床法开始兴起，但是至今未成规模。

流化床法见证了半导体和光伏的光辉岁月，却毫无参与感可言。

一言以蔽之，理论的成本低和工业生产完全是两码事。比如电池最好的一定是氢燃料电池，但工业生产不具备经济性，流化床法的经历过往倒有点类似氢燃料电池，但是至今没有成为主流，氢燃料电池作为锂电池的补充，而氢能作为“终极能源”也是默默的当光伏、风电的备用能源。

虽然流化床法无法成为主流，但是颗粒硅凭借粒径优势，不需要破碎可直接使用，能填补硅块间的空隙提高坩埚装填量，提高拉晶产出，可以作为改良西门子法的补充。

图10：西门子法和流化床法的优劣势比较，资料来源：亚洲硅业科创板上市申请文件的审核问询函回复，广发证券