单质硅的用途(晶体硅是单质硅吗)

在上海自然历史博物馆门口的墙上，有这样一句话:“如果宇宙是答案，那么问题是什么？”不同的岩层，多样的生物以及世纪走出非洲后人类的全球大迁徙，原来我们用了100万年才进入青铜时代，但现代科技的发展呈几何级数增长，于是我们悄悄从碳基时代切换到硅基时代。

碳驱动着世间万物的生长和机械的运动；推动能源和计算的硅推动了更高阶的进化。如果有一天，硅基文明将能源和计算结合起来，如果人类将被取代，是时候问“答案是什么”了吗？

一、硅产业链

人类经历了石器时代、青铜时代、铁器时代、蒸汽时代和电力时代。在聚集和融合的过程中，是一个旷日持久的信息积累和相互作用的过程，聚集能量塑造文明。而人类文明应该以什么来定义？可能有人会觉得是科技进步，或者科技进步后的经济水平。从材质上看，我觉得可能是材质的问题。按照工业革命来说，前两次是煤和石油的应用，第三次是计算机引领的人类社会变革，对应的是“碳时代”和“硅时代”。

自从硅晶体的半导体特性被发现和应用以来，几乎改变了人类的思维方式。一是光伏的发明直接把太阳光的辐射能转化为电能，二是做出各种集成电路。前者拓展了清洁能源的边界，后者的发明奠定了现代信息的基础。

无论是光伏还是半导体，原材料都离不开硅。硅在地球上是一种非常常见的元素，广泛存在于岩石、砾石和灰尘中，但在自然界中很少以单质的形式出现，而是以复合硅酸盐或二氧化硅的形式出现。硅在宇宙中排名第八，是地壳中第二丰富的元素，占地壳总质量的26.4%，仅次于第一氧(49.4%)，因此获取硅并不困难。

工业硅又称金属硅，是二氧化硅和碳质还原剂在矿热炉中熔炼的产物，是制造多晶硅的原料。中国工业硅产能和产量均居世界第一，占世界总量的50%以上，并继续呈上升趋势。2016年，我国工业硅产能达到460万吨，产能持续扩大。但2016年产能只有210万吨，产能利用率低。此外，我国工业硅生产集中度不高，排名前10位的工业硅企业产量仅占全国产量的34%左右。

在工业硅的下游需求中，出口占了很重要的一部分，约占30%。然而，由于西方国家对中国的反倾销，中国工业硅出口效率低下。其次，铝合金、硅和多晶硅是我国工业硅的主要下游应用。2014年，我国工业硅产需基本平衡，但2015年以来，供大于求。

铝合金和硅胶都是工业硅的下游应用。本文主要讨论多晶硅这一分支。多晶硅的生产过程其实就是硅的提纯过程。多晶硅材料可分为电子级多晶硅材料和光伏级多晶硅材料。顾名思义，前者然后生产集成电路，后者主要生产光伏材料。两者的区别在于电子级和光伏级的纯度不同，两种硅材料都有一两个等级，三级纯度最高。

一般来说，光伏多晶硅的纯度为6-11N，电子多晶硅的纯度为9-12N。n可以简单理解为纯度的表达。从纯度上来说，光伏级多晶硅比电子级多晶硅要低，半导体工业用的硅必须是高纯度的。

半导体多晶硅一直是高技术材料，制造难度大，我国技术难以实现，因此被欧美日垄断。欧美用了几十年的电子级多晶硅提纯技术研发太阳能级多晶硅，比我们有先天的技术优势。2016年全球多晶硅产量37万吨，中国占19.5万吨的52.7%，而国内硅片产量占全球的70%，因此约40%的硅材料仍需进口补充。

多晶硅锭通过铸锭形成，或者单晶硅棒通过拉晶形成，然后切片成硅片。硅的产业链是复杂的，可以简单理解为多晶硅和单晶硅的平行关系。但是单晶硅的性能远远好于多晶硅，两者的区别主要表现在物理性能上。比如机械性能、光学性能、热性能的各向异性远不如单晶硅明显；在电学性能上，多晶硅晶体的导电性远不如单晶硅明显。单晶硅被称为“世界上最纯净的物质”。

中国多晶硅产业起步于20世纪50年代，60年代中期工业化。到20世纪70年代，已经有20多家制造商。但由于技术落后，环境污染严重，消耗大，成本高，多数企业亏损，纷纷停产或转产。

截至目前，国内具备多晶硅生产条件的公司有四家:洛阳中硅高科有限公司、峨眉半导体材料厂(所)、四川广信硅业科技有限公司、亚洲硅业(青海)有限公司

二、光伏产业中的硅

2.1全球光伏产业发展图景

早在1990年，德国就提出了“2000年光伏屋顶计划”。德国拥有世界上最成熟的光伏市场。2009年，光伏总装机容量位居世界第一。2000年全球光伏发展达到更高水平，当时全球光伏总装机量为1000MW，标志着太阳能时代的开始。

在国内，2001年启动“光明工程计划”，2009年启动“金太阳”工程，2010年启动国内太阳能发电市场。这一系列进展是中国光伏产业的第二次飞跃，主要受国际环境影响，政府项目推动。第一次飞跃是以20世纪80年代引进几条太阳能电池生产线为标志的。

然而，在中央政府拨出大量资金节能降耗、促进可再生能源发展的同时，光伏行业却出现了严重的作弊问题。“金太阳”项目以项目总投资50%的款项补贴“项目投资人”，其中70%在项目投入建设前先行支付，其余30%在项目建成后支付。这种优厚的待遇导致“项目投资方”实际建设的电站规模与申报规模不符，或者建设粗制滥造，甚至没有考虑未来并网发电的可行性。所有所谓的光伏项目都只是为了补贴。

2006年，欧洲国家的光伏装机容量为3.2GW，明显高于同期美国的0.4GW和日本的1.6GW。由于欧洲的先发优势，从2008年到2013年，欧洲国家的光伏装机容量占全球的比重一直保持在60%左右。直到2012年，欧洲的光伏产业一直保持着高技术、高增长的态势。

2012年后，全球光伏市场格局发生变化，老牌光伏大国新增装机呈现低增长，但在累计装机上仍保持优势。新兴光伏国家在2012年后开始蓄力。2016年，全国新增光伏装机达到34.54GW，同比增长126.31%；美国在2012年也经历了爆发式增长，当年新增装机量同比增长135%，之后趋于稳定，2106年同比增长80%。

2.2中国为什么要发展光伏？

中国光伏行业已经出现了“作弊”的不良行为，但国家依然支持光伏行业，光伏装机量也在近两年大幅增长。中国为什么要提倡发展光伏，尤其是分布式光伏？

第一，为了适应能源结构的变化。发展清洁能源是必要的保护手段。中国正在从以煤为主的能源结构向多元能源结构转变，其中清洁能源的比重逐渐增加。此外，能源结构的多样化有利于国家能源安全。

其次，分布式发电的并网有利于电网的进一步完善。分布式发电主要接入配电网，分布式发电的并网必然要求配电网做出一定的改变，以保证电能能够经济安全地供给负荷，从而提升配电网，这无疑对助推整个电网系统的强可靠性具有重要作用。

最后，促进储能方式的改变。电网只有输电功能，没有储电功能。如果多余的发电量没有得到足够的利用，就会出现“弃电”。分布式家用光伏将是一种很好的储能发展模式，在发电高峰时将多余的电充入电池，在发电低谷时释放供电负荷，起到削峰填谷的作用。其实特斯拉的powerwall就是一个很好的太阳能+储能的例子。

2.3中国光伏产业的发展潜力

经过前期的调整，目前行业已经进入复苏周期。从光伏发电产业的发展趋势来看，分布式光伏发电将成为光伏产业的重点发展方向。与集中式光伏电站相比，分布式光伏电站资源利用率更高，弃光率更低，建设更容易。

2016年11月，中国“十三五”太阳能发电发展规划指出，到2020年，太阳能发电装机容量将达到1.1亿千瓦以上，其中分布式光伏将达到6000万千瓦以上。但目前最宽口径统计下的分布式光伏项目，到2017年底只有10GW，国内还有巨大的空光伏发展。

2016年底，国家发展和改革委员会(NDRC)按资源地区降低了2017年光伏电站标杆上网电价。同时明确，光伏电站标杆电价将根据成本变化每年调整一次。按照规定，2017年1月1日前备案并纳入2016年财政补贴规模管理的光伏发电项目，6月30日前安装并网，2016年执行光伏发电标杆电价和补贴标准。为了享受2015年光伏的上网价格，各光伏企业都力争在6月底前建成光伏电站。在此带动下，光伏企业迎来了一波“抢装”潮。

2017年上半年，受“6.30”热潮影响，2017年上半年光伏行业新增装机24.4GW，同比增长9%，其中分布式光伏7.11GW，同比增长2.9倍。然而，在经历了第三季度的安装热潮后，中国的光伏装机量依然不减。截至第三季度末，2010年光伏新增装机容量达到43GW，已经超过去年全年的装机容量。其中，光伏电站27.7GW，同比增长3%；分布式光伏15.3GW，同比增长近4倍。2017年新增装机容量53.06WG，继续保持稳定增长势头。

在整个光伏产业链的各个环节中，中国的产量基本达到了全球产量的一半，是名副其实的光伏生产国。在分布式光伏强劲发展的推动下，国内对硅晶体的需求旺盛。中国多晶硅产能快速增长，2017年底产能逼近35万吨；2014年以来，中国产能利用率极高，接近满负荷；2016年全球多晶硅产量37万吨，中国产量占全球产量19.5万吨的52.43%，但仍进口14万吨。硅片产量63GW，占全球产量的91.30%；太阳能电池产量49GW，占全球总产量69GW的71.01%；电池产量达到53GW，占全球产量72GW的73.61%。

但在上述数据中，仍然可以发现，在光伏产业链中，我国多晶硅自给率低于其他环节，整个光伏产业链呈现“两头大中间小”的特点。值得庆幸的是，我国“双头光伏”的局面已经得到很大改善，产业链各环节生产规模占全球50%以上，继续保持世界第一。近年来，我国多晶硅自给率逐步提高。2016年自给率超过50%，光伏组件出口约21.3GW，全国新增光伏装机容量约34.54GW，光伏组件产量自我消化率已超过50%。

2.4光伏行业前景:硅片成本降低，经济效益逐步显现。

政策自上而下推动光伏产业向前发展的同时，光伏硅片的成本也在降低，经济效益逐渐体现，也自下而上推动整个行业的发展。

中国是世界上硅片的主要生产国。在全球前十大硅片生产商中，中国生产商占据绝对优势，2016年占全球硅片的73.4%。

2018年光伏硅片供需情况

硅业分公司认为，2018年国内多晶硅产能扩张将达到新的高点，新增产能约12-13万吨/年，达到40万吨/年，同比大幅增长45%，但大部分产能可能要到下半年才能释放。因此，预计2018年国内产量约为26-28万吨，进口量约为13-15万吨，因此2018年国内供应总量约为39-43万吨。

需求方面，硅业分公司预计，2018年全球装机量可能呈现缓慢增长态势。其中，国内光伏装机容量在经历历史高位后，2018年可能略有减少。预计2018年全球装机100-110GW，国内装机50-55GW将进入重建库存阶段。预计2018年国内硅片产量90-100GW，多晶硅消费量36-40万吨。预计2018年供需基本平衡，尤其是上半年，下半年供大于求。但从产品线来看，会有分化，单晶硅或紧张，产品价格会有明显差距。

光伏的技术路线开始转变，单晶硅的比重增加；硅芯片的成本在下降，廉价上网的实现在加速。在光伏产业的主要制造环节中，上游多晶硅和硅片的毛利率仍处于较高水平，多晶硅和硅片的国产化水平亟待快速提升。从重点公司的毛利率统计来看，光伏产业链上游的多晶硅、硅片平均毛利率约为40~50%，中下游的电池、组件平均毛利率约为8~15%。

以前光伏多采用多晶硅片，因为多晶硅片的价格比单晶硅片更有优势。然而，从转换效率来看，常规多晶量产的转换效率为18.8%，而常规单晶的转换效率为20-20.2%。单晶环节可以通过提高拉丝速度、连续进给等技术提高单位产量，降低单位成本，而多晶环节目前还没有完全应用，因为金刚石线切割需要解决胞环节的制绒问题。

据中国电子信息产业发展研究院预测，2025年单晶硅市场份额将达到50%。2015年以来，由于硅片末端引入金刚石线切片，成本快速下降，单晶的市场渗透率不断上升。2016年光伏单晶渗透率为27%，2017年上半年光伏单晶渗透率达到35%。2017年单晶硅片产销率基本100%。

从需求和供给来看，2017年单晶硅片需求量为35亿片，而2017年单晶硅片产能为36亿片。单晶硅产品有需求，还没有完全摆脱供不应求的局面。然而，单晶硅片的生产能力正在迅速扩大。2018年底单晶硅片产能达到64.6-68.6亿片，产能不再是限制单晶硅片发展的因素。单晶硅片与多晶硅片之间、单晶硅片制造商之间的竞争将加剧，单晶硅片的高毛利率将难以维持。但与此同时，拥有技术和成本优势的企业将在竞争中占据主动。

三。半导体工业中的硅

3.1半导体工业的历史和现状

半导体是许多工业设备的核心，广泛应用于计算机、消费电子、网络通信、汽车电子等核心领域。半导体主要由集成电路(约占81%)、光电器件(约占10%)、分立器件(约占6%)和传感器(约占3%)四部分组成。所以半导体和集成电路通常是等价的。

它是美国半导体芯片的发源地。起初，它通过硅谷平台开发电脑等跨时代产品。通过终端产品的创新，对半导体的需求增长。当技术基本稳定后，开始主动将生产线外迁，资金密集型和劳动密集型环节通过外包转移出去，而核心技术和最赚钱的环节——IC设计和半导体设备则留在国内。

历史上，半导体产业转移发生过两次。第一次发生在20世纪70年代，半导体产业从美国转移到日本。在这个阶段，日本半导体的崛起造就了富士通、日立、东芝、NEC等世界级的集成电路厂商。第二次发生在80年代中后期，以韩国和台湾省为IC产业主力军。在此期间，诞生了三星和TSMC等半导体生产巨头。

在半导体转移和发展过程中，全球半导体产业的主要参与者是美国、日本、韩国和中国台湾省，每个国家的发展模式都不一样。

因为美国的先发优势、过硬的技术、全球半导体产业链中附加值最高的环节，美国在每个时代都诞生了世界顶尖的半导体公司:军工时代的德州仪器、PC时代的英特尔、智能手机时代的高通。

日本是直接受益于美国半导体产业转移的国家，因为看到了产业周期的轮换，是一种很强的后发崛起模式。日本半导体产业发展的黄金时期是1980年至1990年。随着DRAM的蓬勃发展，日本半导体产业迅速成长。从1980年到1986年，美国的半导体市场从61%下降到43%，而日本从26%上升到44%。日本半导体企业一直采用IDM模式，但从上世纪90年代开始，无厂+代工模式成为半导体行业的主流生产模式。同时，这一时期日本的工业地位开始下降，但在半导体材料和生产设备领域仍占据领先地位。

韩国模式最显著的特点就是抓住小众市场，聚集国力，充分发挥竞争力。在日本经济衰退时期，韩国抓住了机会，被大财团和企业主导。它的优势是集中精力做大事，打造知名品牌。但是，资本过于集中于内存。韩国半导体80%以上的产值来自存储器半导体，非存储器半导体国产化率只有20%左右，导致产品结构单一，抗风险能力弱。

台湾省半导体产业的发展始于20世纪60年代末，主要从事简单的集成电路封装业务。上世纪70年代中期，台湾省引进美国技术生产集成电路，使台湾省的半导体产业进入了一个新阶段。此后，在台湾省设立了半导体制造商，其产业规模迅速扩大。20世纪90年代以后，台湾省半导体产业在集成电路产业的带动下进入快速增长期。这一时期，以TSMC、联华电子为代表的台湾工厂开启了代工模式，成为美国乃至世界半导体产业链中不可或缺的一环。台湾省模式实现了产业链利益的再分配，在全球半导体市场中分一杯羹，培养了相当实力的代工厂、封测工厂和设计师，形成了独特的竞争力。

3.2全球半导体行业迎来景气周期

全球半导体行业市场周期性波动。2017年开始进入新的行业景气周期。第一个周期是1998年，因为手机的普及和互联网的兴起，全球半导体行业处于上升期。然而在2001年，由于互联网投机泡沫的破灭，半导体行业迅速下滑了32%，整个科技行业陷入低谷。直到2002年，微软推出Windows XP系统，赢得了广泛的市场，大大增加了电脑更新换代的概率。全球半导体行业迎来了新的上升周期。

2008年，受金融危机影响，半导体行业损失惨重。然后在2013年智能手机的快速发展推动下。这个周期大概持续了两年，之后半导体行业回落。直到2017年，人工智能的普及、5G芯片的推出、汽车电子的需求、物联网的兴起，为全球半导体产业注入了新的活力。半导体市场逐渐回暖，进入新的景气周期，而这个半导体周期有望超越之前的智能手机周期，景气度会比之前持续的时间更长，持续的时间更长。

截至2017年11月，半导体销售额已连续14个月超过300亿美元，创下新纪录。2017年1-11月，全球半导体销售总额已达3671亿美元，同比增长21%。SEMI认为年销售额突破4000亿美元大关基本没有悬念，预计到2019年将达到5000亿美元。

3.3半导体硅片的技术壁垒和发展趋势

半导体晶圆的生产对纯度和加工精度要求高，行业技术和资金壁垒高。半导体晶片必须高度纯化。在获得高纯度的多晶硅后，它们必须在单晶炉中熔化成单晶硅，然后切片用于集成电路制造。

目前半导体晶圆制造企业垄断程度较高，全球半导体晶圆产量几乎集中在日本信越半导体、日本尚德、台湾省环球晶圆、德国Siltronic和韩国LGSiltron/SK集团五家企业，合计占全球半导体晶圆产量的92%。尤其是在技术壁垒较高的大尺寸硅片制造方面，五家企业合计占全球产量的近98%。

目前硅片的供应商以日本为主，信越和Sumco合计市场份额接近60%，寡头垄断特征明显。然而，市场结构已经发生了变化。2016年，环球晶圆以6.83亿美元收购SunEdision，两家公司合并后的市场份额将达到15.5%，这也使环球晶圆成为全球第三大半导体硅片供应商；此外，SKGroup收购了LG Siltron。总的来说，2017年寡头垄断趋势略有缓解，我们预计未来一家独大的局面会逐渐化解。

在可预见的未来，硅片尺寸越来越大将是硅片发展的主要方向。硅片尺寸越大，后期每个芯片的加工处理时间越短，这是出于对规模效应的考虑。首先，更大直径的硅片可以减少边缘碎片，提高生产良率；其次，同一工艺可以一次加工更多的芯片，提高设备的重复利用率。

从现在的状态来看，已经可以看到大尺寸硅片的市场在不断扩大，挤压着8寸及以下的市场空。近年来，12英寸硅片占比不断提升，从2014年的61.1%提升至2020年的68.4%。6英寸和8英寸硅片的市场将被逐渐挤压。

目前国内只有少数企业可以供应8英寸半导体晶圆，4-6英寸晶圆基本实现100%自给率，而12英寸晶圆供应在空白。2016年，中国8英寸硅片产量仅为120万片，仅满足国内12.5%的需求。2017年产能利用率有所提高，但即使产能全开，自给率也只能达到30%。12英寸硅片国内需求达到50万片/月左右，完全依靠进口来满足需求。

在这一轮硅片涨价中，TSMC和其他主要代工制造商倾向于与硅片供应商签订长期合同，以确保其未来的扩张计划不会受到影响。

而一些规模较小的半导体进入者只能通过溢价的方式来争夺货源，包括合肥晶和、合肥锐力等。，都提供20%的溢价与TSMC竞争硅片原料。作为半导体产业发展的基础材料，我国要大力发展新科技，必须保证硅片材料的自主可控，否则将时刻面临材料短缺和产业链断裂的威胁。所有主要的半导体晶圆制造商都与半导体生产巨头有长期合作，因此当产能有限时，硅晶圆巨头会优先考虑TSMC等供应商。

一方面是科技发展趋势的推动，另一方面是目前的供需格局迫使我国进行半导体硅片国产化。随着产业结构的变化，中国大陆将是未来全球新生产线的重点区域，将满足千亿级的设备采购需求。

3.4半导体硅片涨价趋势已经出现，未来供需缺口仍在。

集成电路制造的过程就是硅片附加值快速提升的过程。半导体市场和硅片市场表现出高度的一致性，半导体销售的强劲复苏伴随着同期硅片出货量的大幅增长。根据SEMI的统计，2017年第三季度，半导体硅片全球出货量共计29.97亿平方英寸，同比增长9.8%，连续六个季度创下最高出货量纪录。2016年第四季度至2017年第三季度，半导体硅片出货量达到115.97亿平方英寸，同比增长10.7%。

正因为半导体行业的再次景气，硅片行业从中收益，供不应求的态势使得硅片的价格一路攀升。日本信越、SUMCO 等全球半导体硅片主要供应商已经连续多次调涨12英寸硅片价格，SUMCO 的12英寸硅片签约价已提高到每片120 美元，相比2016年底的75美元上涨幅度达到60%，且涨价趋势正快速从12英寸的大尺寸硅片向8英寸、6英寸的硅片蔓延。因为半导体行业再度繁荣，硅片行业从中受益，供不应求的局面使得硅片价格一路攀升。日本信越、SUMCO等全球主要半导体晶圆供应商多次提高12英寸晶圆价格。SUMCO的12英寸晶圆的合同价格已经提高到每片120美元，比2016年底的75美元上涨了60%，涨价趋势正在从12英寸大尺寸晶圆迅速蔓延到8英寸和6英寸晶圆。

虽然大尺寸硅片是行业的发展趋势，但由于全球半导体行业的高度繁荣，目前主流的300mm和200mm硅片供不应求。此外，下游半导体企业的库存也逐渐下降。根据SUMCO的预测，其客户的库存指数从2017年开始逐渐下降，库存已达到近年来的最低水平。行业内较低的库存水平也会加剧产品价格的上行波动。

消费电子、汽车电子、人工智能、5G、物联网等行业的新需求，带动了半导体芯片应用的快速扩展，对应的是12英寸硅片需求的快速增长。SUM预测，2016-2020年，12英寸硅芯片的月总需求量将从530万增加到640万。除了消费电子产品，增长主要来自逻辑芯片、DRAM和NADA。此外，区块链技术的发展也使得比特币等虚拟货币的挖矿需求不断上升，比特币挖矿芯片将带来12英寸硅芯片的新需求。

从公布的各种扩产计划来看，目前12英寸电影只有SUMCO和Siltronic初步发布了2019年的扩产计划。自2017年Q2以来，半导体晶圆一直供不应求。由于半导体的供给弹性较小，扩产需要一定时间，产能释放预计要等到2019年。未来两到三年，半导体晶圆供应短缺将是正常现象，供需缺口将继续扩大。SUMCO预测，2018年12英寸硅片的供需缺口将达到每月80-90万片。(编辑:胡敏)