杭州研究中心有色金属团队

2023年在光伏终端的带动下，多晶硅产量同比大幅增长，成功超越有机硅成为工业硅第一大下游。从多晶硅的需求结构来看，太阳能电池在其应用领域中占比较高，因此光伏电池单位功率消耗的多晶硅量变化对多晶硅实际消耗量影响较大。提高未来单耗系数变化趋势及幅度的预测精度，可以保证对多晶硅中长期供需平衡判断的准确性。

本文首先介绍了硅片生产过程中原材料的工序和损耗，然后分析了从硅料到光伏组件各个环节原材料的单耗，更精准的推导出目前光伏组件每单位功率的多晶硅消耗量。此外，本文根据光伏协会对未来技术参数的预估值进行测算，预测2025年光伏硅片单耗相比目前主流机型还有24%以上的下降空间。可以看出硅边角料回收，虽然光伏装机正处于快速增长期，但单耗的下降会抵消未来很大一部分装机增量带来的多晶硅需求。

可见，对于光伏领域未来工业硅消费量的预估，硅片厚度、金刚线总直径、转换效率等技术参数变化的预测与终端装机增速的判断同样重要。在光伏技术快速更迭、多晶硅单耗不断降低的背景下，光伏领域中长期工业硅需求增速与光伏终端增速的差距有望持续扩大。若技术更迭及应用速度超预期，单位功率硅耗快速下降，工业硅中长期供需平衡将更加宽松。

1. 硅片制造工艺及损耗分析

1.1 拉杆工艺及损耗

单晶硅按照晶体生长方法不同可分为CZ和FZ两种，由于成本和性能原因，CZ应用最为广泛，CZ工艺具体流程如下：

（1）混合装料：将硅料（清洗后的多晶硅料、破碎清洗后的单晶硅废料）和单晶掺杂剂按工艺配比混合，装料于石英坩埚中。

（2）装炉：单晶炉开始生产时，先将石墨件及其附件装入单晶炉内，在炉壁上铺毡保温，再将石英坩埚放入石墨件内。

（3）熔化：装炉后，封闭炉体，用干泵将炉体抽真空，充入氩气作为保护气体，并维持在一定的压力范围内。然后开启石墨加热器电源，加热到熔化温度（1420℃）以上，使硅材料熔化。

（4）晶棒拉制：主要包括引晶、缩颈生长、脱肩生长、等径生长、精加工等一系列工序。

（5）拆炉：取出单晶硅棒、石英坩埚、石墨件、坩埚底料。石墨件清洗：石墨件是导热物体，可重复使用。拆炉后将石墨件运至石墨清洗间进行清洗。

（6）晶棒加工：机械加工区分为三个区域，即截头区、方棒区和磨削区。单晶硅圆棒输送到机械加工区，通过截头机（线切割）切断两端，中间部分切割成规定的长度。然后将圆棒磨成方面，最后将方棒的四个角抛光，使成品单晶硅棒成为准方形硅棒。

（7）单晶硅废料的回收、破碎、酸洗和清洗：单晶棒加工过程中产生的头、尾、边料统称为单晶硅废料。回收后送至清洗车间，在破碎室破碎（人工敲打、破碎）成一定大小的单晶硅块。将破碎后的废料放入氢氟酸和硝酸的混合酸溶液中对单晶硅废料进行酸洗，以除去单晶硅材料表面的氧化层，保证单晶硅材料的纯度。

在拉棒过程中，硅的损失发生在装料、熔炼、拆炉、锭材加工、废旧硅料回收等各个环节：

（1）拉晶过程中的损失：熔炼过程中产生的废气造成硅料的损失。另外，拉晶过程中的损失还包括拆炉过程中清理炉子的废气。

（2）加料、坩埚破损及附件加工造成的损失：包括装料过程中向筒体添加硅料时产生的粉尘，拆炉时石英坩埚破损、清理石墨部件等产生的废气、粉尘。

（3）坩埚内残留物料的含硅部分：含有大量的石英、少量的硅及其它杂质。

（4）废硅料破碎损失：单晶硅废料回收、破碎过程中产生的废气、粉尘。

（5）硅料清洗损耗：破碎废料在酸洗过程中产生的废气、废液。

（6）机械加工损失：硅棒加工全过程为湿法加工，加工废水中的主要污染物为细硅粉，经泵送入板框压滤机过滤，滤饼（湿硅粉、硅泥）装入吨袋。

1.2 切片过程及损失

拉棒后的切片工序主要包括粘棒、切片、脱胶、清洗、分选、检测、包装等工序。具体工序如下：（1）粘棒：粘棒的目的是将粘有硅棒的工件板夹在夹具上，方便切片。（2）切片：切片工序采用先进的金刚石线切割技术，用夹紧装置将粘有硅棒的工件板用夹紧装置夹紧，放入线切割机内。采用湿法切割，切割过程在密闭条件下进行。（3）脱胶：用加脱胶剂的热水对从线切割机出来的硅片进行预清洗硅边角料回收，除去硅片上粘附的胶粘剂、切割液和硅粉等。（4）清洗：脱胶后硅片自动送入进行超声波清洗、烘干。超声波清洗机采用清洗剂+双氧水清洗去除硅片表面的硅粉、切削液等污物，再用纯水冲洗干净。 （5）分选、检测与包装：硅片经过清洗、烘干后，自动分选、检测，合格品包装入库，部分不合格品剔除，送至划片间进行二次加工，此工序主要产生不合格品。

切片过程中的损失主要发生在切片和分选检测步骤中：

（1）切片环节损耗：当金刚线上的金刚粒紧贴硅棒表面进行研磨时，线径的存在将导致单晶硅棒磨成废硅粉而损耗。理论上槽距=硅片厚度+金刚线总直径+漂移。废硅粉损耗占原料硅棒的理论比例=1-（硅片厚度/槽距）。

图 1：晶圆厚度和槽距

数据来源：CPIA、永安期货研究中心

（2）分选、检测及包装损耗：分选检测时将对产品的外观质量及电气特性进行检测，根据检测结果对合格产品进行电阻率等级划分，并按照规格、数量要求进行包装。

2、光伏组件单位功率硅耗分析

2.1 单位硅棒硅料消耗分析

以某单晶棒拉制项目为例，扣除可回收利用的机械加工边角料部分及坩埚内残料后，拉晶过程中的硅料损失、加料及坩埚破损及辅料搬运的损失、坩埚内残料的含硅部分、废硅料破碎的损失、硅料清洗的损失、机械加工的损失分别占多晶硅原料的2.3%、1.5%、0.9%、1.5%、0、0.6%，制成品占93.3%，即每根硅棒的硅料消耗约为1.07。

表1：20GW单晶硅棒生产线项目物料衡算分析