矽一種非金屬元素,是一種半導體材料,太陽能電池片的主要原材料。亦可用於製作半導體器件和集成電路。普遍是以複雜的矽酸鹽或二氧化矽的形式,廣泛存在於巖石、砂礫、塵土之中。開採出來的矽石要經過工業矽→多晶矽→單晶矽,一步步提煉成才能應用到晶片、光伏產業。相關市場主要有工業矽、單晶矽、多晶矽、矽片、矽圓等市場。
資源分布
國際:雖然資源豐富但世界矽資源分布極不平衡。據資料記載,巴西較為豐富,次之為馬達加斯加和瓜地馬拉。加拿大、俄羅斯、美國、法國、義大利、印度、澳大利亞、土耳其、緬甸等30多個國家和地區有少量資源。巴西資源總量以及近幾十年來的產量和出口量均佔世界首位。不過2011年資料顯示,中國已成為全球矽產業最大的生產國和消費國。
國內:矽業分會數據顯示,2020年上半年多晶矽產量約20.53萬噸,同比增長33.1%。2020年上半年供給市場增量主要來自於永祥股份的 1GW 產能;下半年國內企業計劃新增產能為:東方希望3萬噸、保利協鑫2萬噸,由於韓國OCI 、韓華退出光伏多晶矽市場,國內其他部分企業的產能也在陸續檢修、退出。
目前國內已經形成新疆、內蒙和四川三大產業基地布局,而矽片的拉晶環節也將逐步轉移到內蒙、四川、雲南等低電價地區。
產業應用
1.光伏:單晶矽、多晶矽
在單晶矽中摻入微量的第IIIA族元素,形成p型矽半導體;摻入微量的第VA族元素,形成n型半導體。p型半導體和n型半導體結合在一起形成p-n結,就可做成太陽能電池,將輻射能轉變為電能。在開發能源方面是一種很有前途的材料。多晶矽是生產單晶矽的直接原料,是當代人工智慧、自動控制、信息處理、光電轉換等半導體器件的電子信息基礎材料。被稱為「微電子大廈的基石」。
多晶矽的生產工藝其實就是矽的提純工藝,多晶矽料可分為電子級多晶矽料和光伏級多晶矽料,顧名思義前者進而生產集成電路而後者主要生產光伏材料。兩者的區別就在於電子級和光伏級的純度不同,且兩種矽料都有一二三級之分,第三級的純度最高。通常來說光伏級多晶矽純度為6-11N,電子級多晶矽為9-12N,N可以簡單理解為純度的表示。從純度上來說,光伏級多晶矽料是低於電子級的多晶矽料。
將光伏發電行業鏈分為上中下遊。
上遊產業為多晶/單晶矽、矽腚、矽片等原材料組成的產業。
中遊產業一般由單多晶電池、晶矽組件和薄膜光伏組件組成。
下遊產業一般是逆變器、電站EPC系統和運營組成。
我國太陽能光伏行業雖起步雖晚,但是發展迅速,尤其是2013年以來,在政策驅動下,太陽能光伏發電在我國呈現爆發式增長。據國家能源局統計數據顯示,2017年,我國光伏發電新增裝機容量為53.06GW,創歷史新高,2018年,受光伏531新政影響,各地光伏發電新增項目有所下滑,同時持續影響到2019年。2020年上半年,全國光伏發電新增裝機11.52GW。
隨著光伏市場的不斷發展,高效電池將逐漸佔據市場的主導地位。根據中國光伏行業協會的預測,未來幾年單晶矽電池市場份額逐步增大,2018年單晶矽片市場份額已經超過40%,2019年超過一半,其中N型單晶矽片的市場規模也將逐年提升。
目前因多晶矽企業半數以上產能檢修減產,矽料價格繼續上漲。國內在產多晶矽企業為11家。其中,正在進行檢修的為4家,均集中在新疆地區。中國有色工業協會矽業分會預計,8月份矽料總產出預計將環比下降15%左右。其中,新疆地區多晶矽產量預計環比減少30%,相比6月份的正常產量則大幅減少約48%。
2.晶片半導體:單晶矽、矽片、矽圓
高純的單晶矽是重要的半導體材料,世界上許多地方都以「矽谷」命名。另外廣泛應用的二極體、三極體、晶閘管、場效應管和各種集成電路(包括人們計算機內的晶片和CPU)都是用矽做的原材料。
半導體矽片是半導體製造的核心材料。矽基半導體材料是目前半導體製造材料中產量最大、應用最廣的一種。90%以上的半導體產品是用矽基材料製作的。半導體矽片是由單晶矽錠經過切片、研磨、蝕刻、拋光、外延(如有)、鍵合(如有)、清洗等步驟製作而成的。半導體矽片屬於半導體行業中的半導體材料子行業,是半導體製造行業的上遊產業,在半導體製造材料中市場份額佔比最高。
按照工藝,半導體矽片分為拋光片、外延片和SOI矽片。單晶矽錠經過切割、研磨和拋光處理後得到拋光片。拋光片經過外延生長形成外延片,拋光片經過氧化、鍵合或離子注入等工藝處理後形成SOI矽片。SOI矽片主要應用於智慧型手機、WiFi等無線通信設備的射頻前端晶片,亦應用於汽車電子、功率器件、傳感器等產品。
半導體矽片向著大尺寸方向不斷發展。半導體矽片的尺寸主要有300mm(12英寸)、200mm(8英寸)、150mm(6英寸)、100mm(4英寸)、75mm(3英寸)、50mm(2英寸)等規格。隨著半導體製程的不斷縮小,晶片生產工藝愈發複雜,生產成本不斷提高,成本因素驅動矽片向著大尺寸的方向發展。
將半導體產業鏈分為上中下遊。
上遊晶片製造封測支撐行業,主要是半導體設備和材料提供商,設備代表廠商有ASML。
中遊半導體製造產業分為集成電路設計、製造、封測三個部分。IC設計廠商有華為、高通、AMD、英偉達。
下遊半導體終端應用領域有汽車電子、工業電子、通信、消費電子、PC等領域。
3.冶鍊金屬:矽鐵,工業矽
金屬矽廣泛應用於冶金、化工、電子等行業。在冶金業中主要是作為非鐵基合金的添加劑。矽加入到某些有色金屬中時,能提高基體金屬的強度、硬度和耐磨性,有時還能增強基體的鑄造性能和焊接性能。矽大量應用於鋁合金和鋁型材工業。金屬矽在化工行業主要是用來生產矽基化合物,如矽烷、矽酮、有機矽、矽油等。
矽鐵就是鐵和矽組成的鐵合金。 矽鐵是以焦炭、鋼屑、石英(或矽石)為原料,用電爐冶煉製成的鐵矽合金。由於矽和氧很容易化合成二氧化矽,所以矽鐵常用於煉鋼時作脫氧劑,同時由於SiO2生成時放出大量的熱,在脫氧的同時,對提高鋼水溫度也是有利的。同時,矽鐵還可作為合金元素加入劑,廣泛應用於低合金結構鋼、彈簧鋼、軸承鋼、耐熱鋼及電工矽鋼之中,矽鐵在鐵合金生產及化學工業中,常用作還原劑。
此外還有,金屬陶瓷、宇宙航行的重要材料。將陶瓷和金屬混合燒結,製成金屬陶瓷複合材料,它耐高溫,富韌性,可以切割,既繼承了金屬和陶瓷的各自的優點,又彌補了兩者的先天缺陷。可應用於軍事武器的製造。
光導纖維通信,最新的現代通信手段。用純二氧化矽可以拉制出高透明度的玻璃纖維。雷射可在玻璃纖維的通路裡,發生無數次全反射而向前傳輸,代替了笨重的電纜。光纖通信容量高,一根頭髮絲那麼細的玻璃纖維,可以同時傳輸256路電話;而且它還不受電、磁的幹擾,不怕竊聽,具有高度的保密性。光纖通信將會使21世 紀人類的生活發生革命性巨變。
有機矽塑料是極好的防水塗布材料。在地下鐵道四壁噴塗有機矽,可以一勞永逸地解決滲水問題。在古文物、雕塑的外表,塗一層薄薄的有機矽塑料,可以防止青苔滋生,抵擋風吹雨淋和風化。
外貿現狀
在我國工業矽的下遊需求中,出口佔到很重要的一部分,佔比約30%,但由於西方國家對我國實行反傾銷,我國的工業矽出口效益低;其次鋁合金、有機矽和多晶矽是我國工業矽的主要下遊應用。
隨著國內龍頭企業矽料質量的持續提升和價格不斷下滑,2020年二季度開始進口矽料的供應量大幅下降,市場份額跌破20%,2019年中國矽料進口矽料市場份額30%,預計2020年全年進口矽料市場的下降比例會更大。根據各海外矽料企業生產運行計劃來看,矽業分會預計2020年上半年多晶矽進口量約在5.5萬噸左右,預測下半年進口總量或在4萬噸以下,月度進口量在6500噸左右。
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