顆粒硅最近被熱捧的氣氛，讓人感覺顆粒硅能讓光伏發電一夜之間跑步進入平價上網時代，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，用數據說話，捋一捋顆粒硅發展的來龍去脈，挖掘顆粒硅到底有何玄機。

多晶硅是用來制備單晶硅棒或者多晶硅錠的原材料，是當前以硅基太陽電池為主導的光伏產業鏈的基礎原料，屬于光伏產業鏈的上游（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工藝改良西門子法生產的，而最近被熱炒的顆粒硅則是采用硅烷流化床工藝生產的。

圖1 光伏產業鏈的上中下游

棒狀硅和顆粒硅二者生產采用的原料相同均是工業硅，不同之處在于還原硅過程中采用的中間體。從本質上來講，不論是改良西門子法生產的棒狀硅還是硅烷流化床法生產的顆粒硅，都是將工業硅提純為高純電子級硅（9N）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，為了保證生產過程的高效和環保無污染，改良西門子法配備有一系列與三氯氫硅相關的原料和能量回收循環再利用系統。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。理論上來講，過程中并不消耗氯和氫，這些元素僅在系統內發揮中間轉化和傳遞的作用。

但控制流化床長周期穩定運行難度高

流化床法制備顆粒硅的研發歷史比較悠久，早在上世紀五十年代就有學者提出了通過化學氣相沉積的原理來制備多晶硅。隨后在此基礎上不斷改進，形成了目前的工藝。關鍵設備流化床反應器的關鍵工藝流程如下：作為晶種的高純度硅籽晶從流化床反應器上部加入后，堆積形成晶種顆粒床層，將床層加熱到反應要求的溫度后，從反應器底部通入硅烷、氫氣的混合氣使晶種床層達到流化狀態，預熱的混合氣通過加熱床層時，硅烷分解形成單質硅沉積到硅籽晶表面（見圖3）。從反應溫度來講，硅烷在流化床內熱解的溫度僅為500-800℃，遠低于改良西門子法1100℃左右的反應溫度。流化床工藝的特點給生產多晶硅帶來多重優勢，硅烷流化床內溫度分布比較均一，反應器內硅沉積的表面積大，沉積速率快，可以實現連續進料、出料。

圖3 流化床顆粒硅反應器示意圖

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器（也稱為鐘罩反應器），在反應器內的硅芯表面（硅芯被加熱到1000—1150℃）發生化學氣相沉積反應，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利用效率低，需要對未反應的二氯氫硅、三氯氫硅、四氯氫硅、氯化氫和氫氣等尾氣經回收工藝分離提出后再利用，導致改良西門子法工藝流程更復雜，見圖4。改良西門子法需要間歇的打開鐘罩反應器取出反應完全的棒狀硅，一方面導致操作流程不連續、效率較低，另一方面高溫的反應器經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

氫和金屬雜質含量是影響顆粒硅品質的主要因素。工信部發布了《光伏制造行業規范條件（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格的氫含量的要求以及較太陽能級多晶硅標準中更嚴格的金屬雜質含量的要求。

由于最初多晶硅的下游客戶主要是半導體廠商，改良西門子法穩定可靠的制備高純的棒狀硅符合半導體器件行業的要求，而流化床法顆粒硅則主要應用在太陽能領域。目前，國內顆粒硅的應用較少，國家出臺了顆粒硅的標準專用于規范生產企業控制顆粒硅的品質的行為，其應用效果如何有待市場的進一步驗證。

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，標準規格為3mm-200mm；而顆粒硅尺寸小的多，標準規定的尺寸為1mm-3mm。

表1 《流化床法顆粒硅》（GB/T 35307）技術指標

表2 太陽能級多晶硅(GB/T 25074-2017)技術指標

在2010年之前，中國多晶硅產業整體的技術水平比發達國家顯著落后。之后，我國成功引進具有成熟應用經驗的改良西門子法技術并經過十多年的快速發展，光伏產業具備了先進的多晶硅本地化生產能力，也大幅降低了對進口多晶硅的依賴（見圖5）。同時，該技術的持續優化也促進了國內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。本土企業生產多晶硅的成本優勢讓國外曾經的多晶硅巨頭也面臨經營窘境。最近的消息顯示，德國行業巨頭瓦克公司的多晶硅成本難以與我國企業競爭，有可能要退出太陽能級多晶硅市場。改良西門子法在國內和國外均是主流的多晶硅制備工藝，并且已經成熟應用了幾十年，企業廣泛參與，積累的經驗也很豐富。

圖5 2016-2020年多晶硅進口情況（萬噸）

（資料來源：中國光伏行業協會）

國內外的顆粒硅技術商業化運營歷史不長，顆粒硅技術路線商業化前景有待觀察。由于多晶硅發展初期需求主要來自于半導體，要求的純度很高，流化床法顆粒硅不能滿足要求。國際上實現流化床顆粒硅商業化的企業較少，最初僅有REC公司和MEMC公司。REC從2006年開始建設流化床顆粒硅生產線，到2015年提出關閉美國的多晶硅工廠，再到2019年正式關閉該廠也就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線，而且多晶硅主要來自于改良西門子法生產線。受2011-2012年國際光伏貿易摩擦及補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），國內外光伏企業均受到較大影響。MEMC和REC公司同樣也都遭受重創，經營狀況不佳，其所擁有的顆粒硅技術分別被協鑫和陜西有色天宏硅業通過收購和合作的方式拿到。可以說，美國的光伏貿易保護主義政策加速了兩家企業技術最終流向國內的進程。

圖6 歷年全球光伏新增裝機容量及增長率

（資料來源：中國光伏行業協會）

受中美貿易摩擦的影響，REC開始了在中國建設流化床法顆粒硅生產線的想法。早在2014年就與陜西有色天宏新能源有限責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線。天宏瑞科顆粒硅生產線2017年11月投入試生產。該生產線雖然號稱采用了REC的全套技術，但是到目前為止仍未大規模投產。

保利協鑫對顆粒硅的前景比較樂觀。今年3月發布公告，稱公司硅烷流化床法顆粒硅萬噸投產后，已經在生產運營及下游客戶使用中得到實證。

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