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单晶的故事:从高端军功到遍地开花,从盛极而衰到峰回路转

北极星光伏会展网 来源:北极星太阳能光伏网(独家) 2020-08-31 09:56:21

  • 2020综合能源服务专题培训第八期,9月10-11日,郑州

  • 北极星太阳能光伏网讯:女版钱学森与中国第一颗单晶

    单晶的历史与半导体产业的发展密不可分,早在5、60年代就已经种下了种子。

    1956年,周恩来发起“向科学进军“的口号,国家发布《1956-1967科技发展远景规划》,半导体作为国家生产与国防紧急发展领域,至此打开了单晶硅发展的序幕。

    就在这一年之前,被誉为中国“半导体之母”的林兰英成功拿到了宾夕法尼亚大学的博士学位,成为了宾夕法尼亚大学历史上第一个女博士,更是第一个中国博士。

    而就在这一年之后,林兰英放弃美国巨额工资,突破了重重阻碍终于归国,她的全部积蓄已被美国当局扣押,自己已经身无分文,但她却冒险拿回了在当时价值20多万的500克锗单晶和100克硅单晶,无偿地赠给了中国科学院。

    1958年秋天,在林兰英和无数老一辈科学家的共同努力之下,中国第一根硅单晶终于诞生,这根长8厘米、直径5。08厘米的圆柱体,像一根小小的火把,点燃了中国半导体产业的希望。同年,天津市半导体材料厂成立,该厂便是现在中环的前身。

    然而好景不长。1959年中俄决裂,来自苏联的技术专家回国,刚刚生根发芽的半导体事业遭受了毁灭性的打击,但老一辈科学家的研究却没有因此而停滞,1961年深秋,由林兰英主持设计加工的中国第一台开门式硅单晶炉制造成功,并于1962年正式启动拉制工作,中国第一根无位错的硅单晶拉制成功!

    此时,国内单晶硅产品的纯度与设备水平,大体相当于美国1953年时的水平,换言之,中美在该领域的差距只相差7到8年。

    然而,5、60年代的半导体产业主要服务于军工,生产厂家最多时达到20多家,但由于生产技术难度大,生产规模小,工艺技术落后,环境污染严重,耗能大,成本高,绝大部分企业亏损而相继停产和转产。

    从高端军工到遍地开花

    1996年前后,国内单晶主要集中在老三厂进行拉制,即七三九(峨眉半导体)、七四零(洛阳中硅)、七四一(华山半导体)。这三大厂与前期国内的光伏产业千丝万缕,李振国1990年毕业时便被分配在国营七四一,晶科的研发总监尚伟泽就出自七三九。

    这些工厂都是军工厂,给人的印象一直都很神秘,他们工人的待遇都很好,而且都有着严格的岗哨管理车辆及人员出入,而且从来只见原料进,耗电量大得像黑洞,但从来看不到产品出,因为当时这些厂用的原料和辅材都很巨大,产品却‘娇小又金贵’,搬运的时候都是用轿车。

    97年,美国的太阳能屋顶计划初步点燃了世界的光伏市场,早一批光伏企业都是在这前后创建,比如高纪凡和他的天合光能,靳保芳和他的晶隆半导体厂,单晶也终于走出军工,开始蹒跚学步。1998年底,峨嵋半导体经316小时的运转,自行研制的节能型大还原炉产出国内第一炉Φ115x1500mm多晶硅棒,炉产达392.2kg。

    不过众所周知,光伏产业进入大热赛道,还要等到2005年,由施正荣、杨怀进等人引爆。

    施正荣的暴富神话给整个产业甚至整个中国的工业升级都带来了难以想象的激励,以前工业制造都是人工流水线安装制造及机床加工制造,真正的具有工业化制程概念由民企参股光伏开始的,光伏让民企知道了净化车间、工艺冷却水、温区控制,材料加工,晶体排列等等专业人士才会使用考虑的术语,这个行业使我们从单纯的机械加工行业到半导体行业有了过渡板,也有了产业升级新的突破点。

    从这个角度来看,光伏真的是功德无量。

    当时的光伏很热,随着国外欧洲市场政策补助波动及货币利率差,产业具有投资盈利回报周期短、回报高的特点,几个人合资,三个月甚至一个月就能收回成本,同时由于技术不透明及环保要求宽松等条件,一时也成为当地政绩的亮点,光伏产业园暴增。

    做电池就得有硅片,做硅片就得拉单晶,但市场上当时根本就没有多少专业人才,一时间三大厂的工作人员都成了香饽饽,据说,当时在老三厂工作仅一年的普通操作工到了江浙一带就可以摇身一变成为技术总监,稍微有过几年经验的技术员,那更是各家老板所依仗的大宝贝。

    盛极而衰,给多晶让路

    单晶的疯狂并没有持续多久,根本原因在于人才无法拔苗助长,单晶硅拉制非常复杂,人才供应又严重不足,这就导致单晶成本压缩过慢,而与此同时,多晶产业却在迅猛发展,很快就将单晶踢出了主流市场之外。

    制约单晶成本的主要原因是设备利用率和设备产出率,由于单晶炉生长过程中的速度和温度必须稳定,因而要求单晶炉要有精密、稳定的上、下部分运行、转控制系统及温度自动调节系统。虽然直拉单晶生长设备尽管型式不同,但总体由炉体、电气部分、热系统、水冷系统、真空系统和氩气供给装置六部分组成。整个拉晶过程包括装炉前准备工作和装炉、熔化硅、引晶、缩颈、放肩和转肩、等晶生长和收尾还有后期停炉工作,生产过程中还要二次加料。

    另外,能耗、人工、原料、辅材,单晶成本都大于多晶许多。

    多晶铸锭则简单得多,工艺上大体分为装料、融化及生长、定向生长、冷却几个步骤,如果粗暴一点理解的话和金属行业很像,类似于把一堆碎料放在炉子里烧,融化成一大坨之后定向生长再冷却。

    工艺简单,从成本降低自然就快,设备国产化速度也快,规模效应起来之后又可以以量来平摊成本。因此,至2015年时单晶已经跌至产业的谷底,主要存活在东北、西北、西南等电费和人工成本低廉的地区,各大厂逐步关闭原有单晶厂,转生产多晶产业。

    峰回路转,技术革新与政策扶持双管齐下

    单晶技术后来者居上,不止是因为金刚线切割技术和perc电池技术。人工、能耗、效率、原料,单晶的追赶是全方面的。

    在多晶的挤压下,单晶企业主要集中到了西部低电价区域,这就使得单晶在能耗成本上逐渐缩小差距;经过多年的发展,技术人员逐渐成熟,且自动化发展迅速,对工人的要求也大幅度降低,人工成本大幅度拉近;硅料成本降低,拉近了原料成本,包括磁场技术、水冷套技、连续投料技术、金刚线切割技术等新技术和新配套设备的发展,则大大提升了单晶的拉制速度,现在每次单晶一炉可拉60小时以上甚至更多。

    云南快乐十分这些技术为单晶的反超打下了基础。

    2016年上半年及之前,单多晶组件价差显著大于合理价差,单晶组件没有竞争优势,但在2016年下半年以后,单晶成本下降使实际价差逐渐拉近,单多晶组件功率差逐渐拉开,单晶与多晶的性价比已经开始反转,这意味着使用单晶产品将使终端电站获得更低度电成本。

    然而从市场数据来看,市场并未转向单晶产品,2016年单晶市占率与2015年几乎持平,2017年时,单晶与多晶甚至接近平价,虽然市占有了一定的提升,但却牺牲了自身的合理利润,效率带来的溢价有限。

    李振国曾经在回忆时说,他曾经到处去跟人说单晶性价比会更高,单晶终将替代多晶等,但是没人信他,于是他只能一咬牙,自己干。

    面对市场上普遍对单晶产品认可度不高,且光伏业主和epc企业对度电成本概念认识不够的大环境,光伏领跑者计划在能源局的推动下,像长着一双翅膀的小天使缓缓飞来。

    领跑者计划引导产业发现单晶价值,大部分单晶产能可轻松满足领跑者技术指标要求,而多晶难度较大,因此首批领跑者中单晶产品占比就超过60%,在第二、三批领跑者中达到85%左右,推动单晶在国内市场认可度的提升,同时也进一步释放了单晶的规模,使单晶的成本进一步得以降低。

    2017年底单多晶组件几乎同价,这是一个十分关键的市场节点,至此,单晶的优势不再需要通过多各种参数假设和复杂计算来证明,对市场形成直观、强烈的冲击,单晶组件的价值才逐步被市场认可。此后不仅单晶市占率快速提升,其相对多晶组件理应享有的产品销售溢价也逐步得到恢复,唯一制约单晶发展的,反而是单晶的产能。

    随着新建产能的逐步释放,目前,单晶产品已经重新成为了市场的主流选择。

    参考材料:

    《探寻光伏行业“确定性”系列之二:观单晶替代多晶之史推双面双玻渗透提速》国金证券研究所

    《光伏产业-单晶发展》老家伙

    《光伏晶体技术-单晶技术发展》老家伙

    《单晶峥嵘岁月》光伏新闻

    《半导体材料之母林兰英:我国半导体材料科学的奠基人与开拓者》物理

    原标题:单晶的故事:从高端军功到遍地开花,从盛极而衰到峰回路转


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