硅片大尺寸+薄片化趨勢

硅片大尺寸+薄片化趨勢硅片大尺寸+薄片化趨勢大尺寸化通過增大硅片面積，攤薄光伏產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)成本、提高光電效率。在制造端，大尺寸硅片可以提升硅片、電池和組件產(chǎn)出量，從而攤薄單位生產(chǎn)成本；在產(chǎn)品端，大尺寸硅片能有效提升組件功率，通過優(yōu)化電池和組件的設(shè)計提高組件轉(zhuǎn)換效率；在系統(tǒng)端，隨著單片組件的功率和轉(zhuǎn)換效率提升，大尺寸硅片可以減少支架、樁基、匯流箱、電纜、土地等成本，從而攤薄單位系統(tǒng)成本。從光伏硅片的發(fā)展歷程看，1981年至今40多年來，在攤薄成本和提升組件品質(zhì)的驅(qū)動下，光伏硅片尺寸從100mm發(fā)展到210mm，持續(xù)推動行業(yè)實現(xiàn)降本增效。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2021年市場上硅片尺寸種類多樣，包括156．75mm、157mm、158．75mm、166mm、182mm、210mm等，且各占有一定的市場份額。其中，158．75mm和166mm尺寸占比合計達到50%，156．75mm尺寸占比下降為5%，未來占比將持續(xù)降低；166mm是現(xiàn)有電池產(chǎn)線可升級的最大尺寸方案，因此將是近2年的過渡尺寸。2021年182mm和210mm尺寸合計占比由2020年的4．5%迅速增長至45%，預(yù)計2023年占比有望超過85%，到2025年有望超過95%。TCL中環(huán)作為G12硅片首倡者，在硅片大尺寸化方向上走在行業(yè)的前列。2019年8月，TCL中環(huán)將半導(dǎo)體的12英寸拉晶技術(shù)應(yīng)用在太陽能行業(yè)，率先正式推出基于12英寸長晶技術(shù)的夸父系列硅片產(chǎn)品，共有M12（210mm-f295）、M10（200mm-f281）和M9（192mm-f270）三種規(guī)格，實現(xiàn)了尺寸和性能上的跨越式邁進，推動了行業(yè)的快速發(fā)展。自TCL中環(huán)推出G12硅片，相配套的210組件隨之誕生，TCL中環(huán)、天合光能、東方日升等39家企業(yè)共同組建了600W+光伏開放創(chuàng)新生態(tài)聯(lián)盟，截至2021年末，該聯(lián)盟成員已超過90家。2020年6月，隆基綠能聯(lián)合晶科能源、晶澳科技、阿特斯、潤陽股份等七家光伏組件企業(yè)，倡議將182尺寸列為光伏行業(yè)標準，M10硅片聯(lián)盟形成。雖然目前硅片大尺寸化存在210mm、182mm兩種方向，但諸多硅片生產(chǎn)商同時具備生產(chǎn)兩種大尺寸硅片能力，或已同時實現(xiàn)兩種硅片量產(chǎn)。在相同面積下，硅片越薄，每瓦硅料消耗越低。根據(jù)TCL中環(huán)2021年2月發(fā)布的《技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品規(guī)格創(chuàng)新降低硅料成本倡議書》，每當(dāng)硅料價格上升10元/kg，硅片成本將上漲0．18元/片，減薄18μm的厚度即可抵消硅片成本的上升，保持硅片價格不變。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2021年，多晶硅片平均厚度為178μm，由于需求較小，無繼續(xù)減薄的動力，因此預(yù)計2025年之后厚度維持170μm不變。2021年，P型單晶硅片平均厚度在170μm左右，較2020年下降5μm，用于TOPCon電池的N型硅片平均厚度為165μm，用于異質(zhì)結(jié)電池的硅片厚度約150μm。N型硅片因其易于薄片化等優(yōu)勢，市場占比有望快速提升。光伏硅片大尺寸+薄片化發(fā)展趨勢，對金剛石線的綜合性能及切割應(yīng)用提出了更高要求，硅片切割需要更細的金剛石線、更快的切割速度、更低的軸間距、更精準的張力控制，同時需要保障金剛石線性能參數(shù)與硅片廠商的切割設(shè)備、切割工藝之間的匹配性，從而減少硅料切割損耗，提高硅片良品產(chǎn)出率，降低硅片生產(chǎn)綜合成本。金剛線競爭格局及技術(shù)路線單耗提升疊加下游需求增長，晶硅切割用金剛線需求快速提升。由于硅料價格持續(xù)超預(yù)期，硅片企業(yè)加速推進金剛線細線化，金剛線耗量明顯提升。金剛線線徑越細切割損耗越小、硅片出片率越高，但線徑下降會降低金剛線的拉伸強度，使得金剛線在切割過程中更容易被拉斷，硅片企業(yè)為避免斷線需增加金剛線更換頻率，帶來金剛線耗量提升。金剛石線行業(yè)市場現(xiàn)狀分析隨著電鍍金剛石線的制造成品的降低和規(guī)?；?yīng)的顯現(xiàn)，樹脂金剛石線的成本優(yōu)勢也將不復(fù)存在。特別是MCCE技術(shù)（金屬催化化學(xué)腐蝕法，即濕法黑硅技術(shù)）成功解決了多晶電池表面反射率高的難題，為電鍍金剛石線在多晶切片領(lǐng)域大面積推廣鋪平了道路。金剛線把金剛石的微小顆粒固結(jié)在切割鋼線上制成的切割線，使用時將金剛線安裝于切割機上，啟動切割機使金剛線高速轉(zhuǎn)動，固結(jié)于其上的金剛石顆粒進行切割，用于硅棒截斷、硅錠開方及硅片切割，其切割性能直接影響硅片質(zhì)量及組件光電轉(zhuǎn)換性能。據(jù)統(tǒng)計，金剛線占單晶硅片的成本比重僅1%，占非硅成本僅6．51%。目前金剛線的母線材料為高碳鋼，高碳鋼絲線徑進一步降低可能出現(xiàn)力學(xué)性能不足的等問題，實驗室證實鎢絲線徑可以更細、承受更大拉力，是未來金剛線母線材料可能的發(fā)展方向之一。531新政后，光伏行業(yè)降本增效動力更強，單晶PERC電池轉(zhuǎn)換效率不斷提高，金剛線細線化持續(xù)推進，單晶較多晶的優(yōu)勢進一步拉大，單晶組件在終端占比不斷提升，2020年基本完成對多晶的替代。從發(fā)展歷史來看，金剛線對切片的降本優(yōu)勢，拉開了單晶替代多晶的序幕，助推光伏行業(yè)技術(shù)迭代。2021年以來，隨著硅料價格不斷上漲，光伏硅片、電池片、組件等下游環(huán)節(jié)硅成本壓力持續(xù)增加，迫使下游各環(huán)節(jié)進一步降本。在此背景下，硅片薄片化與金剛線細線化加速推進。金剛線直徑及微粉粒度同硅片切割質(zhì)量及切削損耗量相關(guān)，較小的線徑和微粉粒度有利于降低切削損耗和生產(chǎn)成本，符合硅片生產(chǎn)環(huán)節(jié)大尺寸及薄片化的發(fā)展趨勢。目前受材料特性限制，碳鋼母線線徑逐步接近其材料的物理極限，進一步細線化存在困難。國內(nèi)金剛石線的發(fā)展歷程金剛石線超過90%以上系使用于光伏行業(yè)的晶硅片切割，國內(nèi)光伏行業(yè)晶硅切片使用的金剛石線主要經(jīng)歷了以下發(fā)展階段：日本廠商占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢，產(chǎn)品處于壟斷地位：金剛石線的制造和應(yīng)用起源于日本，在2014年之前，全球范圍內(nèi)具有國際競爭優(yōu)勢的金剛石線供應(yīng)商主要集中于日本，曾有超過10家以上的日本企業(yè)先后涉足電鍍金剛石線行業(yè)，如日本旭金剛石工業(yè)株式會社（以下簡稱旭金剛石）、日本中村超硬株式會社（以下簡稱中村超硬）、日本愛德株式會社、日本聯(lián)合材料株式會社等，其中以旭金剛石和中村超硬為主，上述日本企業(yè)占據(jù)了金剛石線市場的大部分市場份額。由于日本企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)先，且產(chǎn)能較為集中，因而日本在金剛石線行業(yè)長期處于壟斷地位，中國光伏企業(yè)的金剛石線采購需求也主要由日本企業(yè)滿足。國內(nèi)廠商趕超，逐漸搶占日本廠商市場份額，完成進口替代：金剛石線雖然較砂漿游離磨料切割方式具有巨大優(yōu)勢，但由于日本廠商的金剛石線產(chǎn)品價格較高，且產(chǎn)能相對有限，金剛石線在國內(nèi)光伏行業(yè)仍未取得大規(guī)模應(yīng)用，在此背景下，以岱勒新材、東尼電子、三超新材和美暢新材為代表的國內(nèi)金剛石線企業(yè)或技術(shù)團隊自2010年前后開始，陸續(xù)投入鉆研相關(guān)技術(shù)。經(jīng)過持續(xù)的人員與資金的研發(fā)投入，國內(nèi)廠商在2014-2015年相繼實現(xiàn)80μm以下用于精密切割的電鍍金剛石線領(lǐng)域的技術(shù)突破，打破了日本廠商的技術(shù)壟斷。2015年，金剛石線實現(xiàn)國產(chǎn)化并規(guī)模生產(chǎn)后，產(chǎn)品價格迅速降低，由2012年約1元/米的單價下降至約0．2元/米，經(jīng)過近幾年來的持續(xù)工藝優(yōu)化和規(guī)模擴張，金剛石線價格仍在繼續(xù)下降，截至2019年12月，金剛石線價格進一步下降至約0．06元/米，國內(nèi)廠商憑借價格優(yōu)勢迅速搶占日本廠商的市場份額，其中以美暢新材為代表的國產(chǎn)廠商在技術(shù)上已完全可以滿足客戶的生產(chǎn)需求，隨著國內(nèi)廠商的產(chǎn)能逐步擴大，國內(nèi)廠商在技術(shù)及產(chǎn)能上基本完成了金剛石線的進口替代。金剛石線切割工藝大幅提高單位硅料的出片率及硅片切割效率，有效降低了硅片制作過程中的非硅成本。金剛石線國產(chǎn)化后，由于其價格優(yōu)勢，以隆基股份為代表的單晶企業(yè)2015年開始大規(guī)模使用金剛石線工藝，由于金剛石線切割工藝能夠大幅降低硅片制作過程中的非硅成本，因而在單晶切割領(lǐng)域快速滲透，使得金剛石線市場需求在2016-2017年快速增長。金剛石線市場競爭加劇，金剛石線價格快速下降，市場產(chǎn)能逐步淘汰：2018年5月，國家發(fā)改委、財政部、國家能源局當(dāng)天聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于2018年光伏發(fā)電有關(guān)事項的通知》（簡稱光伏531新政），對光伏補貼規(guī)模進行了調(diào)整，導(dǎo)致光伏裝機量較預(yù)期大幅下降；于此同時，金剛石線行業(yè)經(jīng)歷了前期的高景氣度發(fā)展，各廠商紛紛擴張的產(chǎn)能也在2018年逐步投產(chǎn)，使得金剛石線市場出現(xiàn)供過于求的競爭局面，金剛石線價格快速下降。2019年，金剛石線市場價格較光伏531新政出臺前下降幅度超過60%，這也使得行業(yè)內(nèi)的多家廠商出現(xiàn)虧損情形，市場競爭加劇導(dǎo)致的金剛石線價格大幅下降，預(yù)計也將會使得市場落后產(chǎn)能逐步被淘汰。金剛線在切割多晶硅片時，由于硅片表面損傷層減少，不利于使用傳統(tǒng)腐蝕方案對硅片進行絨面制備，進而影響多晶硅片的轉(zhuǎn)化率；2017年，黑硅及添加劑等新技術(shù)的出現(xiàn)解決了金剛石線切割多晶硅片反射率過高的問題，使得硅片光吸收能力提升。由于單晶硅片率先完成了金剛石線切割工藝轉(zhuǎn)換，硅片成本大幅降低，單晶硅片的市場份額迅速提高，在此背景下，金剛石線在多晶切割領(lǐng)域的滲透速度大幅加快，截至2017年，以保利協(xié)鑫、晶科能源等為代表的多晶龍頭企業(yè)均開始大規(guī)模使用金剛石線切割工藝。因此，金剛石線市場需求在2017-2018年期間連續(xù)大幅增長。全球單晶新增裝機量在2015年至2018年期間逐年大幅增長，于此同時，電鍍金剛石線在單晶硅片切割領(lǐng)域的滲透率快速提升，以上兩個因素使得金剛石線市場需求在上述期間爆發(fā)式增長。在多晶領(lǐng)域，全球多晶新增裝機量仍占據(jù)主導(dǎo)地位，自2016年開始，金剛石線切割工藝在多晶硅片滲透率開始有所提高。根據(jù)中金企信統(tǒng)計數(shù)據(jù):金剛石線切割技術(shù)2018年在單晶硅片領(lǐng)域的滲透率為100%，在多晶硅片領(lǐng)域的滲透率接近90%；根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會2019年1月發(fā)布的《中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖》（2018年版），單晶硅領(lǐng)域金剛石線切割技術(shù)2017年已全面取代砂漿切片技術(shù)，2018年多晶硅切片基本從砂漿切片向金剛線轉(zhuǎn)換，占比約為95%，金剛石線在多晶硅片領(lǐng)域滲透率的快速提高使得金剛石線市場需求在2018年繼續(xù)大幅增長。我國金剛石線市場金剛石線是將金剛石微粉以一定的分布密度均勻地固結(jié)在高強度鋼線基體上制成的，主要用于晶體硅、藍寶石、精密陶瓷等硬脆材料的切割。其中，用于光伏晶硅切片的金剛石線用量最大、占金剛石線總需求量的比例超過90%。光伏產(chǎn)業(yè)鏈上游為硅料的采集及硅片的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其中硅片切割是硅片生產(chǎn)環(huán)節(jié)的主要工序，金剛石線可用于硅棒截斷、硅錠開方、硅片切割，具有切割速度快、切片效率高、硅料損耗低、環(huán)保等優(yōu)勢，能夠大幅降低線耗成本。2015年金剛石線鋸實現(xiàn)國產(chǎn)化和規(guī)?；a(chǎn)后，產(chǎn)品價格迅速降低，金剛石線憑借高效率、高出片率優(yōu)勢迅速取代游離磨料砂漿線，在光伏硅片切割領(lǐng)域快速滲透，金剛石線需求爆發(fā)式增長，拉動線鋸用金剛石微粉需求大幅提升。受光伏531新政影響，2H18光伏裝機量較預(yù)期大幅下降，疊加金剛石線市場競爭加劇，出現(xiàn)供過于求局面，金剛石線需求及價格大幅下降，線鋸用微粉銷售面臨短期波動。光伏新增裝機高景氣度確定性高。在碳中和、碳達峰目標指引和國家政策扶持下，預(yù)計十四五期間，光伏行業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)高景氣態(tài)勢，全球及我國新增光伏裝機將有大幅增長。根據(jù)CPIA數(shù)據(jù)，預(yù)計2022-2025年，全球光伏年均新增裝機將達到232-286GW，我國光伏年均新增裝機將達到83-99GW，20-25年全球光伏新增裝機容量CAGR為15．7%-20．5%。金剛石微粉作為光伏晶硅切片用金剛石線的主要原材料，市場需求有望持續(xù)旺盛。樂觀假設(shè)下，預(yù)計2022-2025年光伏晶硅切割用金剛石線需求分別為1．44/1．89/2．34/2．61億公里、CAGR達31%；2022-2025年線鋸用金剛石由微粉需求量由8．64億克拉增長至13．07億克拉、金剛石單晶需求量由28．8億至克拉增長至43．56億克拉，21-25年年CAGR達達22%。根據(jù)中國磨料磨具工業(yè)年鑒，2020年我國工業(yè)金剛石單晶+微粉總產(chǎn)量145億克拉，僅考慮新增光伏晶硅切割線距用金剛石微粉/金剛石單晶需求量，預(yù)計至2025年我國工業(yè)金剛石單晶+微粉總產(chǎn)量達201．6億克拉，對應(yīng)CAGR達6．82%。金剛石線的優(yōu)勢金剛石線最早主要用在藍寶石領(lǐng)域，在2015年開始應(yīng)用在光伏領(lǐng)域，之前光伏采用砂漿切割。當(dāng)國人把砂漿切割技術(shù)開發(fā)到極致的時候，已無降本空間，金剛石線這種工藝走進光伏人視野。對于光伏行業(yè)來說，降本增效是永恒話題，尤其是在近兩年硅料價格大漲吞噬下游利潤，如何降低切割損耗、降低硅片成本是硅片企業(yè)迫切要解決的。硅片薄片化是近兩年硅片行業(yè)降低單片成本努力的方向。伴隨著硅片薄片化的是金剛石線的細線化。金剛石線細化可以減少切割對硅的損耗。切片過程中，硅片碎片率降低從而提高硅片良品率。硅料價格的高位推動金剛石線直徑降低，減少硅耗這是最直接有效的好處。金剛石線細化后能夠切更薄的硅片。就像用斧頭切菜和用菜刀切菜一個道理。這兩個原因都有助于將同樣長度的硅棒切成更多數(shù)量的硅片。金剛石線細化后母線材料用量會大幅減少。由于線的直徑變小，截面積變小，母線質(zhì)量也就變小，可見材料上有節(jié)約。金剛石線本身也面臨鎢絲的挑戰(zhàn)。雖然相對于鎢絲線，鋼絲線的成本低，但是問題是破斷力不及鎢絲線，現(xiàn)在的38-42微米已經(jīng)接近鋼絲線的極限。鎢絲替代成為新方向。從使用壽命的角度對鋼絲和鎢絲金剛石線進行比較，鎢絲金剛石線的使用次數(shù)是鋼絲的10-20倍。但是缺點在于：一是鎢的價格高于鋼絲價格，同等長度的鎢絲價格是鋼絲價格的數(shù)倍；二是鎢絲的繞線長度最多100km，而鋼絲能夠達到300km，因此運輸和使用中的成本也高于鋼絲；三是目前的鎢絲母線的成材率較鋼絲低，因而增加了鎢絲線的成本。所以，金剛石線細線化和母線替代都有弊有利，需要權(quán)衡取舍。從歷史發(fā)展來看，金剛石線門檻相對較低，也造成了一段時間內(nèi)金剛石線競爭較為激烈。當(dāng)下時點，金剛石線的技術(shù)與生產(chǎn)正在全面提升。細線化加速發(fā)展，同時在傳統(tǒng)高碳鋼絲細線化出現(xiàn)瓶頸下，母線材料面臨替換的可能。加上硅片持續(xù)的大尺寸與薄片化趨勢，金剛石線技術(shù)壁壘有望加強。生產(chǎn)制造上，頭部企業(yè)加大一機多線改造力度，大幅提升生產(chǎn)效率。金剛線行業(yè)發(fā)展趨勢相較于碳鋼線，鎢絲線具備高破斷拉力值、高扭轉(zhuǎn)值等優(yōu)異性能表現(xiàn)，在使用更細的線徑后，能夠有效降低硅片生產(chǎn)環(huán)節(jié)的碎片率。在目前硅料價格較高的背景下，盡管鎢絲線相較碳鋼線單價更高，硅片生產(chǎn)企業(yè)使用鎢絲線，仍能通過減少切割的硅損耗提升生產(chǎn)效益。金剛線線徑越細，鋸縫越小，切割時產(chǎn)生的鋸縫硅料損失越少，同樣一根硅棒可切割加工出的硅片數(shù)量越多，制造硅片所需的硅材料越少。金剛線母線直徑已由2016年的80μm降至2019年的50μm，相應(yīng)降低了切割料損。全球范圍內(nèi)，以光伏、風(fēng)電為代表的可再生能源在全球能源消費結(jié)構(gòu)中的比例不斷上升成為全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的發(fā)展方向。金剛線是金剛石切割線的簡稱，還被稱為之為鉆石切割線或者鉆石線。工業(yè)上許多硬質(zhì)材料都是用切割鋼線或者更高質(zhì)量的金鋼線來切割的，比如光伏領(lǐng)域的多晶硅切片，單晶硅，晶棒，金鋼線是光伏硅片切片過程中的重要耗材，已實現(xiàn)全面應(yīng)用。光伏目前已成為金剛線最大的應(yīng)用市場，占總需求量90%以上。金剛線價值量在1-2分/W，略高于硅片生產(chǎn)過程中的坩堝、熱場等其他耗材。金剛石線行業(yè)基本情況金剛石線是通過一定的方法，將金剛石微粉顆粒以一定的分布密度均勻地固結(jié)在高強度鋼線基體上制成的。通過金剛石線切割機，金剛石線與物件間進行高速磨削運動，從而實現(xiàn)切割的目的。金剛石線最開始應(yīng)用于藍寶石切割，規(guī)模應(yīng)用于藍寶石切割始于2007年，應(yīng)用于光伏晶體硅片的切割始于2010年。金剛石線在晶體硅切割中應(yīng)用的環(huán)節(jié)包括切方、截斷和切片，其中在切方和截斷環(huán)節(jié)，為保證切割速度和切割效率，使用的金剛石線線徑較粗，一般達到250-350μm；在切片環(huán)節(jié)，由于廠家對原材料利用率、單位切割成本的要求更高，一般采用50-70μm的金剛石線。金剛石線用于藍寶石切割的線徑規(guī)格與硅切方、硅截斷工序類似，一般為180-250μm。金剛石線主要用于晶體硅、藍寶石、精密陶瓷等硬脆材料的切割。在晶體硅切割領(lǐng)域，全球2019年金剛石線