关于颗粒硅的思考

寂静回声

过去两年多来，“光电风储”领衔的新能源宏大叙事，在资本市场高潮迭起。其中一个接一个的泡沫吹起与破裂，令广大投资者时而亢奋时而扼腕。整个板块中枢上扬过程里，最终大家发现，最具韧性与价值的公司，终究还是那些遵从产业第一性的产业龙头们。归根结底，叙事再努力，也要回归到对产业的价值贡献上。比如在锂电板块，各种前沿技术路线屡屡成为市场焦点话题，但迄今为止仍是磷酸铁锂与三元二分天下。还比如当前最受资金追捧的储能领域，一家家电化学类型公司估值倒是打满了，但重点重大工程仍是属于数十年前即已成熟的抽水蓄能。

再比如本文探讨的光伏产业硅料这一分支，不少人都在预期基于硅烷流化床法的颗粒硅，将要颠覆掉既有的多晶硅供给格局，但我们目前看到的仍是下游企业不断用巨额“长单”锁定后者未来数年的产能。技术总是向前不断迭代延展。但回溯人类工业史，常识在于，在规模性生态面前，一项后发技术对于产业的适配总是漫长的。长期看我们要乐观，但这个过程里我们更须时刻对产业的第一性保持敬畏，不断审视新技术的成熟度以及其之于产业生态的贡献度。如是，作为投资者，我们方能与产业进度保持协同成长。
一直以来，硅料都是耗电大户。电费是多晶硅制备过程中的重要成本，占比约在31%-42%之间。此种背景下，降低电量消耗，就成为这一技术领域降本增效最为直接的方式。
目前，改良西门子法经过持续技术迭代后，综合耗电量已经由此前60kWh/kg.Si，下降至48kWh/kg.Si。虽然降幅明显，但与颗粒硅的硅烷流化床法相比，差距显著。据协鑫2021年报披露的数据，其某基地的颗粒硅综合耗电成本已经控制在14.8kWh/kg.Si。以此数据计算，其耗电量仅为改良西门子法的30%，有着极大的降本空间。除耗电更少这个优势外，颗粒硅还存在生产工序简单这个优势。目前行业主流的改良西门子法，主要利用氢气还原三氯硅烷（SiHCl3）在硅芯发热体上沉积硅，通过还原尾气干法回收系统、SiCl4氢气工艺，实现物料闭路循环。整体而言，改良西门子法主要分为合成、提纯、还原、尾气回收、冷氢化、后处理六大工序。
与之相对，硅烷流化床法是将细小的硅颗粒种子铺在有气孔的床层上，然后从下面通入硅烷气体和其它反应气体，这时硅颗粒种子呈现出流体特征。在加热等反应条件下，硅单质沉积在硅颗粒种子上，生成体积较大的硅粒，通过出料管送出流化床反应器。两相对比，硅烷流化床法需氢化、精馏、歧化、流化床还原、尾气回收等核心工序，由于硅烷裂解的化学原理决定其效率高于改良西门子工艺，整体设备体量更低。在多晶硅供需持续紧张的情况下，无疑成本投入更低、耗电量更少的硅烷流化床法显得更具优势。因此市场中出现了颗粒硅将会全面颠覆多晶硅市场的说法，硅料行业似乎要变天了。
按理说，如果颗粒硅果真能耗成本比西门子法低60%以上，那么其完全可以通过价格优势对传统硅棒进行全面压制，但事实却并非如此：从现实层面看，在耗电量显著低于西门子法的情况下，颗粒硅的市场价格却几乎与传统硅棒价格相当，只是象征性的每吨便宜几百元。由此，颗粒硅对外宣称的低成本与居高不下的市场价格之间，便形成了一个令人迷惑的悖论。
制约颗粒硅价格下降的因素主要有三个方面，分别是蒸汽能耗、硅量消耗、硅粉消耗。之所以市场认为颗粒硅有很大的成本优势，其核心原因在于将电量消耗与综合能耗画上了等号。实际上，虽然颗粒硅电量消耗很低，但流化床法实则会用到一定量的蒸汽，这部分理应也算作能量消耗，但却被很多投资者所忽视。以协鑫2021年财报中披露的数据为例：其徐州基地颗粒硅的综合蒸汽消耗量在15.3kg/kg.Si，目前蒸汽的折标煤系数为0.1286，颗粒硅的蒸汽消耗折合标煤为1.97kgce/kg.Si。这一数据甚至比其电能消耗折合标煤1.82kgce/kg.Si更高。
综合计算可得，颗粒硅电量和蒸汽的综合折合标煤为3.79kgce/kg.Si。这些数据系完全以产业龙头数据为基准，颗粒硅行业中的平均参数很可能远高于此。反观改良西门子法，现阶段已经可以做到0蒸汽消耗，因此在蒸汽这一“隐藏”能耗上，颗粒硅是要远高于传统硅棒的。如果将改良西门子法48kWh/kg.Si换算成标煤消耗，则为5.90kgce/kg.Si。这意味着颗粒硅当前的综合能耗约为改良西门子法的64%，远比电量能耗差距要小得多。除蒸汽的“隐藏”消耗外，颗粒硅还需要比改良西门子法更高的硅量消耗。在最初的时候，颗粒硅与传统硅棒的硅耗比在1.2左右，虽然如今这个比例有所下降，但颗粒硅依然需要消耗更多的硅量。
更多硅量消耗有两方面问题：其一硅料本身的价格问题，其二制造硅料也需要消耗一定的能耗。无论从硅料成本考量还是从能源消耗考量，颗粒硅的成本优势与节能优势都要打上一个折扣。同时，在颗粒硅从生产到运输的过程中，还会产生15-20%的硅粉损耗。虽然硅粉能够以低价出售，而且硅粉的损耗比例也呈现下降趋势，但这实则也会进一步影响颗粒硅的制备，让成本和能耗再次提升。综合以上三方面因素，颗粒硅的综合成本与能量消耗几乎与传统硅棒处于同一量级，即使存在成本优势，其空间也很小，尚不足以产生颠覆性的降维冲击。
目前行业中对于颗粒硅的判断，实则是存在预期差的。如果颗粒硅并不能从本质上大幅降低成本和能耗，那么它与传统硅棒的竞争将重新回到产品质量层面。而这却正是当前颗粒硅技术的短板。制备颗粒硅的流化床法并非一门新技术，早在1952年，美国联碳公司已经开始尝试流化床技术，并在随后被杜邦公司发扬光大。然而，在诞生60多年的时间中，这项技术却始终不温不火，究其原因就在于生产的硅片中杂质过多。由于硅烷流化床法底部进料存在气流，因此工业硅颗粒会在反应器内处于悬浮状态，但底部蒸汽气流持续进入，会导致工业硅颗粒不断冲击反应器内部，在长期持续运作下，颗粒硅势必会在不断碰撞中遭到金属材料的污染。
同时，颗粒硅是在反复碰撞中制成的，长此以往会导致反应器内壁损坏，为了延长反应器的寿命，行业内普遍采用碳基材料的内衬作为耐磨结构。虽然这样做延长了反应器寿命，但却会造成颗粒硅中含碳量较高，从而影响颗粒硅的纯度。除这些污染物外，多晶硅还会存在施主杂质和受主杂质两项纯度指标。在综合行业内多方数据后，可以总结出传统硅棒与颗粒硅杂质浓度情况：具体而言，施主杂质浓度和受主杂质浓度两项指标中，颗粒硅分别是传统硅棒的3.7倍和7倍；而在碳浓度、金属杂质浓度数据上，两者则存在数量级的差距。
刨除杂质问题不谈，颗粒硅实际制造过程当中，还受到“氢跳”问题困扰。颗粒硅的制备并非简单的单次制备，而是一个连续的过程，在制造过程中，很容易因反应温度不够而出现内部氢键未断裂的情况，会出现小泡。为了成功将氢气排除，在拉晶环节必须增加反应时间，因此颗粒硅的能耗实际会比理想中更高。正是因为这些因素影响，所以颗粒硅始终没有大规模全面进入市场。尽管市场中存在着颗粒硅单炉投料100%的说法，但下游第三方厂商依然将传统硅棒作为主流材料，颗粒硅的投料比例一般在15%-30%之间。硅料供需如此紧张的情况下，下游厂家并没有全方面布局颗粒硅，这足以说明目前行业中对于颗粒硅的质量依然存在担忧。
聚焦当下，PERC电池逐渐逼近能效天花板，从P型电池向N型电池升级已经成为行业内的共识。虽然HJT电池和TOPCon电池谁能胜出尚无定论，但N型电池无疑都将是电池片企业下一个进化方向。从P型电池向N型电池过渡的情况下，已然对上游多晶硅提出了更高的要求，而这些要求主要集中体现在硅的纯度上。目前来看，颗粒硅距离全面达标还存在差距。
杂质含量更少的传统硅棒无疑是能够达到N型电池需求的，有颗粒硅企业虽然也对外表示开始布局N型电池，但杂质依然是要高于N型电池用料的标准需求。当然，根据技术进步曲线我们可以预期，颗粒硅一定存在纯度进一步提升的空间。如果颗粒硅能够达到跟传统硅棒相仿的纯度，那么颗粒硅一定具备更大的发展潜力，不排除其在某天成为行业中流砥柱。但这终究需要一个过程，需要包括投资者与产业建设者们一道持有耐心。