来源：雪球App，作者： 慕容衣，（https://xueqiu.com/4866021334/288709535）

多晶硅定位：晶硅光伏产业链中最重要的上游原料

多晶硅概念及物化性质：常温下物化性质稳定，具备半导体属性

多晶硅，又名硅料、高纯多晶硅料，是指以纯度99%左右的工业硅为原料，经过化学或物理方法提纯后，硅纯度达到99.9999%以上的高纯硅材料。

物理性质方面，多晶硅具有金属光泽，呈灰黑色固体，熔点1410℃，沸点2355℃，密度2.32-2.34g/cm³，具有半导体属性。从外观形态来区分，多晶硅分为块状硅与颗粒硅。

以下对多晶硅半导体属性以及如何导电进行详细展开：按照原子排列方式的不同，硅可分为晶态和非晶态两种同素异形体。

晶体硅通常呈正四面体排列，每一个硅原子位于正四面体的顶点，并与另外4个硅原子以共价键紧密结合。

非晶体硅原子间的晶格1网络呈无序排列，即硅原子除与其最近邻外，基本上无规则地堆积在一起。

按照原子的排列规律，晶体硅可分为单晶体与多晶体，单晶体是指通过籽晶诱导的方式，在籽晶表面上产生晶核，使熔融的单质硅沿着唯一的晶核结晶，最终生长成为晶体内原子排列规律完全一致的单晶体；

多晶体是指通过直接凝固或定向凝固的方式，熔融的单质硅中原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，聚结后成为多晶体。

单晶与多晶的差别在于晶粒2的晶面取向是否相同，单晶体中晶粒的晶面取向一致，而多晶体中晶粒的晶面取向不一致。

对于硅原子而言，其最外层拥有4个价电子，同时与相邻硅原子共享了上下左右的4个电子，并形成稳定的8电子结构，共用的价电子称为“共价键”。

共价键中的电子并不像绝缘体中的电子结合得那样紧，若受到热激发如光照、温度变化等，一些价电子就会挣脱原子核束缚，成为自由电子，此为多晶硅具有半导体属性的底层原因。

当价电子成为自由电子后，共价键中失去了一个电子，相应地就会留下一个空位，称为空穴。当价电子被激发，发生跃迁时，硅晶体内就会产生等量的自由电子和空穴。

电子和空穴在传输电荷方面的作用，被称为“载流子”，通常有两种成对存在的载流子，也叫做“电子-空穴对”。

在半导体两端加以电压，电子带负电就会向正极移动，形成“电子电流”，空穴带正电向负极移动形成“空穴电流”，以实现导电的效果。

由于载流子数量较少，多晶硅本身导电能力较弱，因此主流的方法是在硅晶体中混入少量的杂质以改变硅特质并增强导电性，此被称为掺杂。

硅属于4价元素，最外层拥有4个电子，一般用价电子数比硅多的原子或比硅少的原子来取代其中的一些硅原子以增加自由载流子。

当掺杂元素为5价元素（如磷）时，五价元素与周围硅原子共享电子后多出一个自由电子，此时电子数大于空穴数，电子是多数载流子（多子），空穴是少数载流子（少子）

以带负电的电子导电为主，因此被称为N(Negative)型半导体；同理，当掺杂元素为3价元素（如硼），此时空穴数大于电子数，空穴为多子，电子为少子，以带正电的空穴导电为主，故称为P(Positive)型半导体。

若将N型半导体与P型半导体连接，此时由于半导体内载流子浓度的差异，N型半导体中的多子（电子）会扩散至P区，而P型半导体中的多子（空穴）则会扩散到N区。

P区失去空穴后留下带负电的杂质离子，N区失去电子后留下带正电的杂质离子，最终扩散形成了一个由N指向P的“内电场” 。

由于电场的存在，N区的少子（空穴）向P区漂移，P区的少子（电子）向N区漂移，从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴。

从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，内电场减弱，最终达到扩散与漂移的动态平衡。

在结合面两侧留下了离子薄层，P区一侧带负电，N区一侧带正电，薄层内形成了电势差，即P-N结。

P-N结是光伏电池的“心脏”，当光照射至P-N结时，光能激发电子跃迁，产生“电子-空穴对”，在多子扩散以及少子漂移的作用下，P区带正电，N区带负电，从而实现“光生伏特（电）”效应。

化学性质上看，多晶硅在常温下较为稳定，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。化学性质稳定的主要原因在于晶格结构中硅原子通过共价键相互连接从而形成了稳定的三维晶体结构。

在高温熔融状态下多晶硅的硅原子运动速度增加，使得晶格结构中的缺陷和不规则性增多，导致其稳定性下降，几乎能与任何材料作用，具有较大的化学活泼性。

多晶硅分类与国家标准：目前国家有针对电子级、太阳能级多晶硅与颗粒硅三大国标

多晶硅按照纯度不同可分为冶金级、太阳能级和电子级。冶金级多晶硅，一般是指用冶金法提纯后的多晶硅，产品纯度在5N-6N（N代表百分数中有几个“9”

冶金级即硅含量为99.999%-99.9999%）之间，主要应用包括航空、尖端技术、军事技术部门的特种材料以及建筑、纺织、汽车、机械等领域。

太阳能级多晶硅，一般是指纯度在6N-9N（硅含量为99.9999%-99.9999999%）之间的多晶硅，主要用于太阳能光伏电池的生产。

电子级多晶硅是指纯度在9N（硅含量99.9999999%）以上的多晶硅产品，是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅制品的主要原料，应用于电力电子上的硅材料纯度要求更高，需要达到11N以上。

多晶硅按照型态分可分为块状硅与颗粒硅。块状硅形态类似于岩石，尺寸范围在几厘米到几十厘米不等，品质较为稳定，可长期存放。

颗粒硅呈颗粒状，直径约2mm，大小与绿豆相似，能免去破碎步骤，但由于与空气接触的表面积较大，在运输加工的过程中容易受到污染，一般采用真空包装，在库存状态下，真空状态或仅可维持3-4个月。

仓储运输角度，多晶硅多采用袋装包装，每袋为10kg，运输则以箱装为主，每箱约600kg或750kg。

块状硅根据表面光滑程度的不同又可分为致密料、菜花料与珊瑚料三种。致密料外表光滑，表面颗粒凹陷程度最低，小于5mm，无氧化夹层，价格在三者中最高，主要用于拉制单晶硅；

菜花料颜色偏灰、表面粗糙，颗粒凹陷程度在5-20mm之间，断面适中，价格位于中档；珊瑚料表面凹陷深度大于20mm，断面疏松，价格最低。

一般而言，菜花料与珊瑚料主要用于多晶硅片的制作，部分企业也会选择将致密料与菜花料进行混合以生产单晶硅片。

多晶硅目前有三个在行国标，分别为《电子级多晶硅》（GB/T12963-2022）、《太阳能级多晶硅》（GB/T25074-2017）和《流化床法颗粒硅》（GB/T35307-2023）。因分类不同，除去指标数值要求不同外，要求的类目也存在一定的差异。

其中，在涉及块状硅的国标《电子级多晶硅》（GB/T12963-2022）与《太阳能级多晶硅》（GB/T25074-2017）中，电子级多晶硅分为特级品、电子1级、电子2级、电子3级四个等级。

太阳能级多晶硅分为特级品、1级品、2级品、3级品四个等级，因太阳能级多晶硅国标出台时间较早，以当下工艺水平来看，指标要求较为宽松。

在颗粒硅国标《流化床法颗粒硅》（GB/T35307-2023）中，将颗粒硅分为4个等级。

由于颗粒硅工艺近些年发展较快，虽国标于2023年发布，但当前颗粒硅质量基本已经超越特级品，尤其在施主杂质、受主杂质与总金属杂质含量方面。

《太阳能级多晶硅》（GB/T25074-2017）中，对太阳能级多晶硅的技术指标要求

《流化床法颗粒硅》（GB/T35307-2023）中，对颗粒硅的技术指标要求

除了上述技术指标以外，国标中也规定了多晶硅的尺寸、粒径和表面质量。

多晶硅产业链：覆盖光伏与半导体两大领域，且以光伏为主要板块

多晶硅产业链下游终端为光伏与半导体行业，且以光伏行业为主，占比高达98%。

在光伏产业链中，多晶硅需先通过直拉法或铸锭法形成单晶硅棒或多晶硅锭，随后将其切片成硅片，硅片则可进一步加工为电池片、组件，最终应用于光伏领域。

在半导体领域，电子级多晶硅可加工为电子级硅片，通过反复的打磨、抛光、外延、清洗等工艺形成硅晶圆片，作为芯片半导体的衬底材料。

值得注意的是，在多晶硅的生产过程中，其晶格结构生长不受控制，主要形成的是晶粒尺寸仅为微米级的多晶体。

因此，为提升下游太阳能电池的光电转化效率以及半导体材料的电学和机械性能，需将多晶硅再融化结晶，继而得到单晶硅棒或多晶硅锭。

据硅业分会统计，目前单晶硅棒是下游企业的主流选择，其产能占比达到99%。

晶硅光伏技术转型路线：以“降本增效”为锚，下游倒逼上游提升产品质量

目前光伏行业以“降本增效”为主要方向，并进行持续性的技术变革。据CPIA统计，2017年至2023年我国单晶硅片市场份额占比从27%提升至99%，整体技术路线已完成从多晶往单晶的转换。

单晶N型硅片凭借着更高的光电转化效率，产能占比逐步提升，至2023年底单月产能已占总产能的52%，未来占比仍将进一步抬升。

从电池片角度来看亦是如此，光伏电池可分为P型电池和N型电池，目前P型电池（以PERC电池为代表）的平均转换效率已接近其理论极限（24.5%）。

N型电池（理论极限效率为29.1%）仍有相应的提升空间，因此市场正处于由P型电池往N型电池技术路线转型的过程中。

据PVinfoLink统计，截止2023年底TOPCon电池市占率达24%，预计至2024年TOPCon将超过PERC成为最主要的电池技术类型。

具体而言，N型电池制作是将N型硅片进行硼扩散以形成P-N结，而P型电池是将P型硅片进行磷扩散以形成P-N结。

两种硅片的最大不同在于拉棒或铸锭环节的掺杂物不同，N型硅片以电子导电为主，电阻率较低，其掺杂元素通常是施主杂质元素，如磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等；

而P型硅片则是以空穴导电为主的类型，其掺杂元素通常是受主杂质元素，如硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）等。

下游的技术进步也在一定程度上倒逼上游硅料端提升产品品质。N型硅片对应所需的多晶硅原料为N型料，而P型硅片所对应的多晶硅原料为P型料。

就N型料与P型料生产而言，二者生产装置与生产流程均相同，主要区别在于纯度与洁净度，N型料相较于P型料纯度要求更高，对于生产企业的要求亦高，这也使得新进入企业在短期内较难以稳定生产N型料。

多晶硅生产工艺：主流工艺为改良西门子法与硅烷流化床法

目前，多晶硅生产工艺包括改良西门子法、硅烷流化床法与物理法。至2023年底，据协会统计改良西门子法市占率约86%。

硅烷流化床法市占率则受益于新增产能扩张而提升至14%，物理法因提纯浓度有限，已逐渐被市场所淘汰。

改良西门子法：目前行业内最主流的多晶硅生产工艺，产品为块状硅

西门子法由德国西门子公司于1955年发明创立，并于1957年应用于工业化生产。经过近60年的改良优化，如今已发展为成熟的闭路循环“改良西门子法”，其产物为块状硅。

该工艺主要包括以下几个环节：三氯氢硅制备、精馏、还原、尾气回收、氢化和后处理等。

目前改良西门子法主要工艺可以分为四个步骤。

第一步为三氯氢硅制备环节，此过程中将工业硅粉（Si）与氯化氢（HCL）在沸腾炉（约500度）中合成三氯氢硅（SiHCl3）。

第二步为精馏环节，在此环节中，将制备得到的含量在85%左右的三氯氢硅（产物中还伴随有四氯化硅和高纯氢气等），利用各种氯化物挥发性的差别，精馏制得高纯三氯氢硅。

第三步为还原环节，主要操作是将高纯三氯氢硅（SiHCl3）和高纯氢气（H2）按一定比例导入还原炉（也称CVD炉，温度控制在1050-1100度左右）内，在硅芯发热体上还原沉积的多晶硅棒。

第四步为尾气回收、氢化和后处理环节，将还原炉排出的尾气如氢气（H2）、三氯氢硅（SiHCl3）、四氯化硅（SiCl4）、二氯二氢硅（SiH2Cl2）和氯化氢（HCL）经过分离后，将四氯化硅通过热氢化或冷氢化（冷氢化还原炉，温度约550度，压力为25-30kg）重新制得三氯氢硅，再次进入系统循环利用。

硅烷流化床法：行业内第二大主流生产工艺，产品为颗粒硅

流化床法最早起源于1952年，由美国联碳公司发明创立，其产物为颗粒硅。20世纪70年代，德州仪器等多家公司对该工艺做进一步研究升级，并逐步量产，1984年美国SunEdison公司建厂生产电子级颗粒硅。

国内颗粒硅生产企业主要为协鑫科技与天宏瑞科，且以协鑫科技为主。

其中，协鑫科技于2016年收购美国SunEdison及其附属企业MEMC，并开始布局颗粒硅产业，于2022年实现颗粒硅的量产；天宏瑞科则通过引进美国RECSiliconFBR-B（第二代流化床）技术以生产颗粒硅。

硅烷流化床法工艺的主要原理是将硅烷或三氯氢硅在氢气载体的环境下与硅籽晶发生反应。

在生产流程中，先通过冷氢化反应制得三氯氢硅（SiHCl3），再将三氯氢硅经歧化反应生成硅烷气（SiH4），再以氢气（H2）作为载体，将硅烷或三氯氢硅从流化床炉的底部注入反应器后上升到加热区（约500-700度），而硅籽晶则从反应器顶部注入或预先放置在反应器中。

从底部注入的气体流速足以将籽晶沸腾起来，因此处于悬浮的籽晶颗粒不断地外延生长，长大到足够重量的硅颗粒后将会沉降到反应器的底部，而反应的副产物则从反应器的底部管路排出。

该反应器的特点是可以持续地上下加料，反应气体从底部注入，籽晶从顶部加料，生产的硅颗粒从底部排出，可以连续生产，反应可以持续运行几千个小时。

与改良西门子法相比，硅籽晶在悬浮状态中可提供充足的反应面积，从而获得较高的反应效率，且反应温度亦更低，整体能耗相对较低。

由于硅籽晶在沸腾状态时，会不断地与反应器内部接触，导致产物中存在大量微米尺度的粉尘，且粒状多晶硅表面积大，易被污染，产品含氢量高，须进行脱氢处理。

物理法：以物理冶金提纯制取多晶硅，目前已逐步被行业淘汰

物理法主要是利用母体金属硅与各类杂质的物理性质差异进行分离，以工业硅为原料，经过冶金提纯制得纯度为6N以上的太阳能级多晶硅，其主要包括酸洗、氧化精炼、真空精炼、定向凝固等4个步骤，具体流程如下：

酸洗：硅对除氢氟酸以外的任何酸都具有较高的抗腐蚀性，对硅进行酸洗，可以溶解处于硅晶界处的杂质。

硅本身不溶于酸中，从而可以去除钛（Ti）与铁（Fe）元素，但由于杂质存在被硅包覆的现象，难以与酸接触发生反应，因此硅通过酸洗除杂仅作为预处理环节。

氧化精炼：加入熔点高于硅的精炼剂，将液态硅中的杂质元素氧化，使其产物进入渣相，金属与炉渣达到热平衡，从而达到去除杂质的目的，造渣精炼能有效去除硅中的硼（B）与碳（C）杂质。

真空精炼：冶金级硅中部分杂质具备挥发性，将原料置于高温的真空体系中，让其中的杂质元素进行挥发，从而达到除杂的效果。高温真空精炼可除去硅中的磷（P）、铝（Al）、钙（Ca）等蒸汽压较大的元素。

定向凝固：利用杂质元素在固相和液相的溶解度不同以达到分凝提纯的目的，同时采用强制手段控制热流单一方向导出，使坩埚中的熔体沿着与热流相反方向结晶凝固，从而获得沿生长方向整齐排列的柱状晶组织。

主流工艺对比：改良西门子法与硅烷流化床法“各有千秋”

总体来看，改良西门子法与硅烷流化床法各有优劣。改良西门子法的主要优势在于工艺的稳定性与成熟度，能生产出纯度较高、品质较为稳定的多晶硅，是目前市场的主流工艺；

硅烷流化床法的优势更多体现在成本端，受益于生产过程中的低能耗，硅烷流化床法成本优势较为显著。

颗粒硅相比于块状硅，在拉晶过程中更适合于连续直拉法（CCZ工艺），生产效率进一步提升。

颗粒硅虽易于运输与进一步加工，但其过大的表面积使得其在生产加工的过程中与空气接触较为频繁，易受到污染，一般情况下纯度不及改良西门子法所生产的块状硅。

具体而言，在未来的一段时间内，改良西门子法与硅烷流化床法两种生产工艺将齐头并进，短时间内尚无法形成一家独大的局面。

多晶硅为晶硅光伏行业最核心原材料

多晶硅常温下物化性质稳定，并具备半导体的基本属性。多晶硅本身导电能力较弱，因此主流的方法是在硅晶体中混入少量的杂质（即掺杂）以改变硅特质并增强导电性。

根据掺杂元素的不同可分为P型与N型半导体，在外界光照射下于两者的接触面形成P-N结，从而产生“光生伏特”效应。

按照国标分类，多晶硅目前有三个在行国标，分别为《电子级多晶硅》（GB/T12963-2022）、《太阳能级多晶硅》（GB/T25074-2017）以及《流化床法颗粒硅》（GB/T35307-2023）。

由于近些年来生产工艺发展较快，国标内多数指标要求较当下略偏宽松。

多晶硅为晶硅光伏产业链中最重要的上游原料。产业链角度来看，多晶硅下游终端包括光伏行业与半导体行业，并以光伏行业为主，占比高达98%。

未来随着光伏行业景气度的进一步抬升，预计光伏终端占比仍将维持主导地位。目前，多晶硅生产工艺包括改良西门子法、硅烷流化床法与物理法。

2023年底，据协会统计改良西门子法市占率约86%，而硅烷流化床法市占率则受益于新增产能扩张而提升至14%，物理法因提纯浓度有限，已逐渐被市场所淘汰。