深度剖析：光伏和半導體行業都離不開的「硅」
摘要
在上海自然博物館入口的一面牆上有這麼一句話：「如果宇宙是答案，那麼什麼是問題？」不同世紀的岩層、多樣的生物以及人類走出非洲後的全球遷徙，原來我們花了100萬年才進入青銅時代，而現代科技的發展卻是加速度的幾何倍增長，我們就這樣從碳基時代悄無聲息的切換到了硅基時代。
在上海自然博物館入口的一面牆上有這麼一句話：「如果宇宙是答案，那麼什麼是問題？」不同世紀的岩層、多樣的生物以及人類走出非洲後的全球遷徙，原來我們花了100萬年才進入青銅時代，而現代科技的發展卻是加速度的幾何倍增長，我們就這樣從碳基時代悄無聲息的切換到了硅基時代。
碳，驅動世界萬物生長，驅動機械的運動；硅，驅動著能源與計算，驅動高階進化。如果有一天，硅基文明將能源和計算合為一體，如果人類將被取代，那麼，是否現在就該問問「什麼是答案」。
一、硅產業鏈
人類走過石器時代、青銅時代、鐵器時代、蒸汽時代、電氣時代，在聚集和相互融合的過程中是一場曠日持久的信息積累與交互，聚集能量塑造文明。而人類的文明應該以什麼來定義？也許有人認為是科技進步，或是科技進步後的經濟水平，從物質的角度來看，我覺得或許可以是材料。如果以工業革命來劃分，前兩次是煤炭與石油的應用，第三次人類社會的變革引領便是計算機，相對應的便是「碳時代」與「硅時代」。
自硅晶體的半導體特性被發現和運用之後，幾乎改變了人類的思維方式，一是光伏的發明將太陽光輻射能直接轉換為電能，二是製成各種集成電路。前者拓展了清潔能源的邊界，而後者的發明更是為現代信息奠定基礎。
無論是光伏還是半導體，原料都離不開硅。地球上存在的硅是極為常見的一種元素，廣泛存在於岩石、砂礫、塵土之中，不過它極少以單質的形式在自然界出現，而是以複雜的硅酸鹽或二氧化硅的形式存在。硅在宇宙中的儲量排在第八位，在地殼中它是第二豐富的元素，構成地殼總質量的26.4%，僅次於第一位的氧(49.4%)，因此硅元素的取得並不難。
工業硅又稱金屬硅，是由硅石和碳質還原劑在礦熱爐內冶煉成的產品，是製作多晶硅的原料。我國的工業硅在產能與產量方面都是全球第一，世界佔比逾50%，且繼續呈上升趨勢。2016年我國的工業硅產能達到460萬噸，產能連續擴張，然而2016年產量僅為210萬噸，產能利用率低。此外，我國的工業硅生產集中程度不高，前10家工業硅企業產量只佔到全國產量的34%左右。
在工業硅的下游需求中，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，我國的工業硅出口效益低；其次鋁合金、有機硅和多晶硅是我國工業硅的主要下游應用。2014年時我國工業硅產量和需求量基本保持平衡，不過自2015 年以來出現了供大於需的情形。
鋁合金和有機硅都是工業硅的下游應用，在這篇文章中我們主要闡述多晶硅這一分支。多晶硅的生產工藝其實就是硅的提純工藝，多晶硅料可分為電子級多晶硅料和光伏級多晶硅料，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，且兩種硅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硅純度為6-11N，電子級多晶硅為9-12N，N可以簡單理解為純度的表示。從純度上來說，光伏級多晶硅料是低於電子級的多晶硅料的，半導體工業用硅必須進行高度提純。
半導體多晶硅一直以來都是高新技術材料，製造難度高，我國技術很難達到，因此被歐美日所壟斷。而歐美又用幾十年的電子級多晶硅提純技術來發展太陽能級多晶硅，比我們具有先天的技術優勢。2016年全球的多晶硅產量為37萬噸，中國佔比52.7%為19.5萬噸，而國內的矽片產能佔全球的70%，因此仍有40%左右的硅料需要通過進口來補充。
多晶硅料通過鑄錠形成多晶硅錠，或者通過拉晶形成單晶硅棒，然後切片製作成矽片。硅產業鏈比較複雜，可以簡單的理解為多晶矽片和單晶矽片是平行關係，不過單晶矽片的性能要遠優於多晶矽片，兩者的差異主要表現在物理性質方面。例如，在力學性質、光學性質和熱學性質的各向異性方面，遠不如單晶硅明顯；在電學性質方面，多晶硅晶體的導電性也遠不如單晶硅顯著；單晶矽片被稱為「世界上最純凈的物質」。
中國的多晶硅工業起步於20世紀50年代，60年代中期實現了產業化，到70年代，生產廠家曾經發展到20多家。但由於工藝技術落後，環境污染嚴重，消耗大，成本高等原因，絕大部分企業虧損而相繼停產或轉產。
到目前為止，國內有多晶硅生產條件的單位有洛陽中硅高科技有限公司、峨嵋半導體材料廠(所)、四川新光硅業科技有限責任公司、亞洲硅業(青海)有限公司4家企業。
二、光伏行業里的硅
2.1全球光伏行業的發展畫片
早在1990年德國就提出了「2000個光伏屋頂計劃」，德國擁有世界上最成熟的光伏市場，2009年光伏裝機總量為全球第一。全球光伏發展更上一個台階則是在2000年，全球光伏安裝總量為1000MW，標誌著太陽能時代的開始。
在國內，2001年推出了「光明工程計劃」，2009年開展「金太陽」工程，2010年啟動了國內太陽能發電市場。這一系列的進步是我國光伏行業的第二次跳躍，主要是受到國際大環境的影響、政府項目的拉動，而第一次跳躍是在20世紀80年代以引進多條太陽能電池生產線為標誌。
不過，在中央財政撥付了大量資金用於節能降耗和推動可再生能源的發展的同時，光伏行業出現了嚴重的騙補問題。「金太陽」工程補貼給「項目投資者」一筆達到項目總投資50%的資金，而這50%的資金在項目投建前一般就會預支其中的70%，剩餘30%在完工後支付。這一優厚的待遇就造成了「項目投資者」實際建設的電站規模與申報規模根本不符，或是在建設上以次充好，甚至不去考慮以後併網發電是否可行，一切所謂的光伏項目僅僅都是為了套取補貼。
在2006年，歐洲國家就有3.2GW 的光伏裝機容量，明顯高於同期美國的0.4GW 和日本的1.6GW。由於歐洲的先發優勢，從2008 至2013 年間，歐洲國家的光伏裝機總量的全球佔比始終維持在60%左右，直至2012年歐洲的光伏行業一直維持著高技術、高增長的態勢。
2012年之後，全球的光伏市場格局改變，老牌光伏強國新裝機量出現低增長，但依然在累計裝機量上保持優勢。新興光伏國家在2012年後開始蓄力，2016年我國的新增光伏裝機量達到了34.54GW，同比增長126.31%；美國也在2012年出現爆發增長，當年的新增裝機量同比為135%，而後趨於穩定，2106年為同比增加80%。
2.2我國為什麼要發展光伏
我國光伏行業出現了「騙補」的惡劣行為，但是國家依然對光伏行業進行扶持，光伏裝機也在近兩年大幅增長，我國為何要提倡光伏發展，尤其是分散式光伏？
首先，為了順應能源結構的改變。發展清潔能源是保護環節的必要手段，我國正在由以煤炭為主的能源結構向多種能源並存的結構轉變，其中清潔能源比例逐漸提升。除此之外，能源結構多元化有利於國家能源安全。
其次，分散式電源併網有利於電網的進一步完善。分散式電源主要是接入配電網，而分散式電源的併網，一定會要求配電網做出一定的改變，以保證將電能可以經濟安全地供給負荷工作，從而對配電網進行升級改造，這無疑對整個電網系統堅強可靠性的提高有著很重要的助推作用。
最後，推動儲能模式的改變。電網是只有輸電功能而沒有儲電功能的，多餘的發電量沒有足量使用的話就會出現「棄電」。而分散式的家庭光伏會是儲能發展的良好模式，在發電高峰時將富裕電量充入電池，發電低谷時釋放供應負載，起到削峰填谷的作用。其實特斯拉的powerwall就是一個很好的太陽能+儲能的例子。
2.3中國光伏行業的發展潛力
經過前期調整，目前行業已經進入復甦周期。而從光伏發電行業的發展趨勢來看，分散式光伏發電將會成為光伏行業的重點方向，相對於集中式光伏電站，分散式光伏電站的資源利用率更高、棄光率低、建設更為容易。
2016年11 月我國推出的「太陽能發電發展十三五規劃」指出到2020 年太陽能發電裝機達到1.1 億千瓦以上，其中分散式光伏6000 萬千瓦以上，而目前截至2017年末最寬泛口徑統計下的分散式光伏項目僅為10GW，我國的光伏發展有巨大的空間。
2016年底，發改委分資源區降低了2017 年光伏電站的標杆上網電價，同時明確，光伏標杆電價根據成本變化情況每年調整一次。按規定，2017年1月1日前備案並納入2016年財政補貼規模管理的光伏發電項目，於6月30日前裝機併網，執行2016年光伏發電上網標杆電價和補貼標準。各光伏企業為了享受2015年的光伏上網電價，爭先在6月底前建成光伏電站併網。受此帶動，光伏企業迎來一波「搶裝潮」。
2017年上半年，光伏行業由於「6.30」搶裝，上半年新增裝機 24.4GW，同比增長 9%，其中分散式光伏7.11GW，同比增長2.9倍。而三季度搶裝結束後，光伏裝機熱度不減，截至三季度末，中國光伏新增裝機容量達43GW，已超過去年全年裝機容量。其中光伏電站 27.7GW，同比增加 3%；分散式光伏 15.3GW，同比增長近4倍。2017全年新增裝機53.06WG，繼續保持穩步增長勢頭。
在光伏的整個產業鏈中的各環節，我國的產量基本都達到了全球產量佔比的一半，是名副其實的光伏生產國。由於受分散式光伏發展強勁帶動，國內硅晶體需求旺盛。我國多晶硅產能快速提升，2017年底產能接近35萬噸；自2014年開始，我國產能利用率極高，接近滿產；2016年全球多晶硅料產量為37萬噸，我國的產量佔全球的52.43%為19.5萬噸，但仍進口14了萬噸。矽片產量63GW，佔全球總產量的91.30%；太陽能電池產量49GW，佔全球總產量69GW 的71.01%；電池組件產量達到53GW，佔全球總產量72GW 的73.61%。
然而，在上述數據中還是可以發現，在光伏產業鏈中，我國多晶硅料的自給率相較於其他環節較低，整個光伏產業鏈呈現「兩頭大，中間小」的特點。值得欣慰的是中國光伏「兩頭在外」的局面已經得到大幅度的改善，產業鏈各環節生產規模全球佔比均超過50%，繼續位居全球首位。近年來我國的多晶硅自給率也逐漸上升，2016年自給率超過50%，光伏電池組件出口約21.3GW，國內新增光伏裝機容量約34.54GW，光伏電池組件產量的自我消化率已經超過50%。
2.4光伏行業的前景：矽片成本降低，經濟效益逐漸顯現
在政策從上至下的推動光伏行業前進的同時，光伏級矽片的成本也在下降，經濟效益逐漸體現也自下而上的推動了整個行業的發展。
我國是世界上主要的矽片生產國，在全球的前十大矽片生產商中，中國的生產商佔據絕對優勢，2016年其全球矽片的全球佔比為73.4%。
2018年光伏矽片的供需情況
硅業分會認為2018年國內多晶硅產能擴張將達到新的高點，新增產能約12-13萬噸/年，達到40萬噸/年，同比大幅增長45%，但是絕大部分產能可能要到下半年才會釋放。因此預計2018年國內產量大約在26-28萬噸，進口量將維持在13-15萬噸左右，故2018年國內總供應量約39-43萬噸。
需求方面，硅業分會預計2018年全球裝機量可能呈現低速增長。其中，國內光伏裝機容量在經歷歷史高點後將於2018年可能略有縮減，預計2018年全球100-110GW、國內50-55GW的裝機量，矽片電池片等將進入重建庫存階段，預計2018年國內矽片產量在90-100GW，多晶硅消耗量在36-40萬噸。預計2018全年基本上供需平衡，特別是上半年，而下半年出現供大於求的失衡狀態。但從產品線來看會出現分化，單晶硅或緊張，產品價格出現明顯差距。
光伏的技術路線開始轉變，單晶硅比例提高；矽片成本下降，平價上網正在加速實現。在光伏產業的主要製造環節中，上游的多晶硅、矽片毛利率仍處於較高水平，因此多晶硅和矽片的國產化水平需快速提高。從對重點公司的毛利率統計來看，光伏產業鏈上游的多晶硅料、矽片環節，平均毛利率在40~50%左右，中下游的電池片、組件的平均毛利率在8~15%左右。
過去光伏多使用多晶矽片，因為多晶矽片的價格比單晶矽片的價格更具有優勢，不過從轉換效率上來看，常規多晶量產轉換效率在18.8%，而常規單晶效率在20-20.2%。單晶環節可以通過提高拉速、連續投料等技術提高單位產出降低單位成本，多晶則由於金剛線切片需在電池片環節解決制絨問題，目前尚未完全應用。
根據中國電子信息產業發展研究院預測，2025年單晶矽片的市場份額將達到50%。2015年以來，單晶由於矽片端金剛線切片的導入實現了成本的快速下降，因而市場滲透率在不斷攀升，2016年光伏單晶滲透率27%，2017上半年光伏單晶滲透率就達到了35%。2017 年，單晶矽片的產銷率基本為100%。
從需求與供給來看，2017 年單晶矽片需求為35 億片，而2017年單晶矽片產能為36億片。單晶矽片產品搶手，尚未完全擺脫供不應求的局面。但單晶矽片產能擴張迅猛，2018年底，單晶矽片產能達64.6-68.6 億片，產能將不再是限制單晶矽片發展的因素。單晶矽片與多晶矽片的競爭以及單晶矽片產商之間的競爭將會加劇，單晶矽片的高毛利率將難以維持。但與此同時，擁有技術優勢和成本優勢的企業將會在競爭中處於主動地位。
三、半導體行業中的硅
3.1半導體行業的歷史和現狀
半導體是許多工業整機設備的核心，普遍應用於計算機、消費類電子、網路通信、汽車電子等核心領域。半導體主要由四個組成部分組成：集成電路(約佔81%)，光電器件(約佔10%)，分立器件(約佔6%)，感測器(約佔3%)，因此通常將半導體和集成電路等價。
美國是半導體晶元的發源地，最初通過矽谷平台，開發出電腦等跨時代的產品，藉由終端產品的創新，帶動半導體的需求成長。待到技術基本穩後，開始主動將生產線外搬，採用委外代工的模式將資本密集和勞動密集的環節轉移出去，而核心技術和盈利最強的環節—— IC 設計和半導體設備領域則保留在國內。
歷史上半導體產業的轉移發了兩次。第一次發生在20世紀70年代，半導體產業從美國轉移到了日本。這一階段日本半導體崛起，造就了富士通、日立、東芝、NEC 等世界頂級的集成電路製造商。第二次發生在20世紀80年代中後期，以韓國、台灣為集成電路產業的主力軍，這一時期半導體生產巨頭三星、台積電等企業誕生。
在半導體的轉移和發展過程中，全球半導體的主要參與者美國、日本、韓國和中國的台灣，每一個國家的發展模式都不相同。
美國因為先發優勢，掌握著優秀的技術，把控著全球半導體產業鏈中附加值最高的環節，在每個時代都產生了全球最頂尖的半導體公司：如軍工時代的德州儀器、PC時代的英特爾和智能手機時代的高通。
日本是直接受益於美國半導體行業轉移的國家，看準了行業周期的輪動，是很強的後發崛起模式。日本半導體產業發展的黃金時期是1980 年-1990年，憑藉對DRAM的大力發展，日本半導體產業快速壯大。從1980至1986年期間，美國的半導體市場從61%下降到43%，而日本由26%上升至44%。日本半導體公司一直採用著IDM模式，但進入20世紀90年代後，Fabless+Foundry模式成為了半導體產業的主流生產模式。同時，這一時期日本產業地位開始下滑，但仍在半導體材料、生產設備領域佔據領先地位。
韓國模式最顯著的特點是抓住利基市場、集國家力量充分發揮競爭力。韓國在日本衰退時期，抓住機遇，由大財團、大企業主導，優點在於集中力量辦大事，打造出知名品牌。但資本過於集中於存儲器，韓國半導體產值80%以上來自存儲型半導體，非存儲型半導的國產化率只有20%左右，這導致產品結構單一，抗風險能力弱。
台灣半導體工業的發展起始60年代後期， 開始主要從事簡單集成電路封裝業務。70年代中期，台灣引進美國技術生產集成電路， 使台灣半導體產業進入一個新階段； 此後， 台灣半導體廠商紛紛成立，產業規模迅速擴大。進入90 年代後， 台灣半導體工業在集成電路工業的帶動下進入高速增長期。這一時期，台積電及聯華電子為代表的台廠開創晶圓代工模式，成為美國乃至全球半導體產業鏈不可或缺的一個環節。台灣模式實現產業鏈利益重配，從全球的半導體市場中分一杯羹，並培育出實力不容小覷的代工廠、封測廠和設計商，形成獨特競爭力。
3.2全球半導體行業迎來景氣周期
全球半導體行業市場呈周期性波動，2017年開始進入新一輪行業景氣周期。第一輪周期在1998年，因手機的普及和互聯網的興起全球半導體行業走勢不斷上升。然而在2001年由於互聯網投機泡沫破滅導致半導體行業迅速下滑32%，整個科技行業陷入低谷。直至2002年微軟公司推出了Windows XP系統，贏得廣泛的市場且電腦換機率大幅提升，全球半導體行業迎來新的上升周期。
2008年由於金融危機半導體行業收到重挫。而後又因2013年智能手機的迅猛發展收到提振，這一輪周期持續約兩年，而後半導體行業回落。直至2017年，人工智慧的火熱、5G晶元的推出、汽車電子的需求、物聯網的興起給全球半導體行業注入新的生命力，半導體市場逐漸回暖，進入新一輪景氣周期，並且本輪半導體周期有望超越上一輪智能手機周期，景氣度持續力度及時間都將超過以往。
截止2017年11月，半導體銷售額已連續14個月超過300億美元，不斷刷新歷史記錄。2017年1-11月全球半導體銷售總額已經達到3671億美元，同比增21%。SEMI認為全年銷售額突破4000億美元大關基本沒有懸念，到2019年則有望達到5000億美元。
3.3半導體矽片的技術壁壘和發展趨勢
半導體矽片生產對於純凈度、加工精度有極高的要求，行業具有很高的技術和資金壁壘。半導體矽片必須進行高度提純，在得到高純度的多晶硅後，還要在單晶爐中熔煉成單晶硅，以後切片後供集成電路製造等用。
目前，半導體矽片的生產企業壟斷程度較高，全球的半導體矽片生產幾乎集中在五家企業，分別是日本信越半導體、日本勝高科技、台灣環球晶圓、德國Siltronic和韓國LGSiltron/SK Group，合計佔到全球半導體矽片產量的92%。尤其是在技術壁壘更高的大尺寸矽片製造上，五家企業合計佔到全球產量的近98%。
目前矽片供應商主要以日係為主，信越化學(Shin-Etsu)和三菱住友(Sumco)兩家的合計市佔率接近60%，寡頭壟斷特徵明顯。不過，市場格局有所改變，2016年環球晶圓6.83億美元收購了SunEdision，兩家合計市佔率將達15.5%，也使環球晶圓成為全球第三大半導體矽片供應商；另外是SKGroup收購了LG Siltron。總體來說，寡頭壟斷的趨勢在2017年稍有緩解，且我們預計未來壟斷的局面會漸漸化解。
在可預見的未來，矽片尺寸逐步加大是矽片發展的主要方向。矽片尺寸越大，後期每塊晶元的加工和處理時間都會相應減少，這是出於規模效應的考慮。首先，更大直徑的矽片可以減少邊緣晶元，提高生產成品率；其次，在同一工藝過程中能一次性處理更多的晶元，設備的重複利用率提高了。
從現在的狀態已經能看到，大尺寸矽片市場正在持續擴大，擠壓8寸及以下市場空間。近年來12寸矽片佔比持續提升，從2014年的61.1%上升到2020年的68.4%，6寸和8寸矽片的市場將被逐步擠壓。
目前，我國僅少部分企業可以供應8寸的半導體矽片，4-6寸的矽片基本實現100%自給率，而12寸的矽片供應處於空白。2016年我國生產的8寸矽片數量僅為120萬片，只滿足了12.5%的國內需求，2017年產能利用率有所提高，但即使產能全開也僅能實現30%的自給率，12寸矽片的國內需求則達到約50萬片/月，完全依賴進口來滿足需求。
在本輪的矽片漲價中，台積電等主要的晶圓代工廠商為了保證未來的擴產計劃不受影響，紛紛傾向與矽片供應商簽訂長期的保量不保價合約。
而一些規模較小的半導體新進入者，只能通過溢價的方式來爭搶貨源，包括合肥晶合、合肥睿力等，都提出20%的溢價來和台積電爭搶矽片原材料。矽片作為半導體產業發展的基礎材料，而我國要大力發展新興科技，需要保證矽片材料的自主可控，否則將時刻面臨材料短缺、產業鏈斷裂的威脅。主要的半導體矽片生產商都與半導體生產巨頭長期合作，因此在產能有限的情況下，矽片巨頭會優先給台積電等廠商供貨。
這一方面是由於科技發展大勢的推動，另一方面也是當前供需格局而倒逼我國必須進行半導體矽片國產化。而行業格局的轉變，中國大陸將作為未來全球新增產線的重點區域，迎來千億量級的設備採購需求。
3.4半導體矽片漲價趨勢已現，未來供需缺口仍在
正因為半導體行業的再次景氣，矽片行業從中收益，供不應求的態勢使得矽片的價格一路攀升。日本信越、SUMCO 等全球半導體矽片主要供應商已經連續多次調漲12英寸矽片價格，SUMCO 的12英寸矽片簽約價已提高到每片120 美元，相比2016年底的75美元上漲幅度達到60%，且漲價趨勢正快速從12英寸的大尺寸矽片向8英寸、6英寸的矽片蔓延。
雖然大尺寸矽片是行業發展趨勢，但是由於全球半導體行業高度景氣，目前主流300mm和200mm矽片均屬於供不應求狀態。此外，下游半導體企業庫存逐步下降，根據SUMCO預計，其客戶的庫存指數從2017年開始逐步下降，庫存目前已達到近幾年的最低水平，行業較低的庫存水平也會加劇產品價格的向上波動程度。
消費電子、汽車電子、人工智慧、5G、物聯網等行業的新需求導致半導體晶元應用領域快速擴張，對應的是12寸矽片需求的快速增加。SUMCO預計2016-2020年期間，12寸矽片的月總需求將從530萬片增長至640萬片，增長除了消費電子以為，還主要來自於邏輯晶元、DRAM 和NADA，此外區塊鏈技術的發展也使得比特幣等虛擬貨幣的挖礦需求不斷上升，比特幣挖礦晶元進而帶來12寸矽片的新增需求。
從各家擴產計劃公布情況來看，12寸片目前僅有SUMCO與Siltronic初步發布2019年擴產計劃。2017年Q2起，半導體矽片市場就已經出現了供不應求的情況，因半導體的供應彈性小，擴產需要一定的時間，產能釋放預計也要等到2019年，未來兩到三年內半導體矽片的供不應求將是常態化現象，且供需缺口有不斷擴大的趨勢。SUMCO 預測2018 年12寸矽片的供需缺口將達到80-90萬片/月。
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