硅片切割用金剛石線現(xiàn)狀及用鋼分析

王 可

一、光伏產(chǎn)業(yè)概述

自我國提出“雙碳”目標以來，可再生能源發(fā)展勢不可擋，其中太陽能以其清潔、安全、取之不盡、用之不竭等顯著優(yōu)勢，已成為發(fā)展最快的可再生能源。大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、推進能源生產(chǎn)和消費革命、促進生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

經(jīng)過十幾年的發(fā)展，光伏產(chǎn)業(yè)已成為我國少有的形成國際競爭優(yōu)勢、實現(xiàn)端到端自主可控、并有望率先成為高質(zhì)量發(fā)展典范的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，也是推動我國能源變革的重要引擎。目前我國已建立起由光伏上游硅材料及設(shè)備、中游電池組件到下游發(fā)電系統(tǒng)的健全產(chǎn)業(yè)鏈，在制造業(yè)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)水平、應(yīng)用市場拓展、產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)等方面均位居全球前列。

1.光伏產(chǎn)業(yè)鏈

光伏行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上游主要是硅料、硅片等原材料生產(chǎn)；中游主要是電池片、組件、逆變器、匯流箱、光伏支架、線纜、輔材等光伏系統(tǒng)零部件制造；下游主要是太陽能光伏電站建設(shè)、運營及維護等光伏電站應(yīng)用。近20年來，中國企業(yè)憑借低成本和規(guī)?；瘍?yōu)勢，在效率驅(qū)動型產(chǎn)業(yè)逐步占據(jù)領(lǐng)先地位，尤其在光伏行業(yè)競爭力最為突出。我國已建立起由光伏上游硅材料及設(shè)備、中游電池組件到下游發(fā)電系統(tǒng)的健全產(chǎn)業(yè)鏈，年產(chǎn)值超5000億元，占全球70%以上。

截至2020年末，中國多晶硅產(chǎn)能達39.2萬噸，全球占比69.0%，連續(xù)10年位居全球首位；硅片產(chǎn)能達173.7GW，全球占比93.7%；電池片產(chǎn)能達163.9GW，全球占比77.7%；組件產(chǎn)能151.4GW，全球占比69.2%，連續(xù)14年位居全球首位。

2.國內(nèi)外光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模

近幾年，全球光伏產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)爆發(fā)性增長，不僅在歐美日等發(fā)達地區(qū)，中東、南美等地區(qū)國家也快速興起。2020年，全球光伏新增裝機達130GW，創(chuàng)歷史新高。

光伏發(fā)電現(xiàn)已在很多國家成為清潔、低碳、同時具有價格優(yōu)勢的能源形式，光伏發(fā)電增量占全球總發(fā)電量增量中的比例逐步提高。在多國“碳中和”目標、清潔能源轉(zhuǎn)型及綠色發(fā)展的推動下，“十四五”期間，中國光伏行業(yè)協(xié)會預(yù)測全球年均新增光伏裝機約210～260GW，我國光伏年均新增裝機或?qū)⒃?0～90GW之間。

二、硅片產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.硅片概述

硅片主要應(yīng)用于半導(dǎo)體和光伏兩大領(lǐng)域，二者差異主要體現(xiàn)在硅片類型、純度、平整度、光滑度及潔凈度等特性上。硅片在集成電路制造和太陽能電池領(lǐng)域均作為基底材料，為滿足相應(yīng)的電學(xué)特性，半導(dǎo)體級硅晶圓都是單晶硅，而太陽能電池用的硅晶圓則單晶硅與多晶硅皆有。

光伏用硅片按照材料結(jié)構(gòu)可分為單晶硅片和多晶硅片。硅片企業(yè)利用單晶硅生長爐生產(chǎn)單晶硅棒，利用多晶硅鑄錠爐生產(chǎn)多晶硅錠，再將其切割成單晶硅片或者多晶硅片，最終用于太陽能電池片及光伏組件生產(chǎn)。

2.硅片產(chǎn)業(yè)規(guī)模

太陽能光伏發(fā)電是中國未來長期的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè).太陽能硅片在整個光伏產(chǎn)業(yè)鏈中是承上啟下的關(guān)鍵中間環(huán)節(jié)。2019年中國硅片產(chǎn)量為134.6GW，2020年中國硅片產(chǎn)量為161.3GW，同比增長19.84%（見圖1）。

圖1 2015-2020年我國硅片產(chǎn)量 GW

3.硅片發(fā)展趨勢

單晶硅片近幾年逐漸替代多晶硅片，其市場占比由2016年的19.5%提升至2020年的90.2%。單晶硅片各方面性能都優(yōu)于多晶硅片，但由于多晶硅片技術(shù)簡單、成本低，我國光伏企業(yè)以前以生產(chǎn)制造多晶硅片為主。近幾年隨著技術(shù)進步，單晶硅片成本不斷下降，各方面性能更好的單晶硅片則成為市場主流。

2 0 2 0 年，單 晶 硅 片(P 型+N 型)市 場 占 比 為90.2%，其中P型單晶硅片市場占比由2019年的60%增長到86.9%，N型單晶硅片約3.3%。隨著下游對單晶產(chǎn)品需求增大，單晶硅片市場占比也將進一步增大，且N型單晶硅片占比將持續(xù)提升。多晶硅片的市場份額由2019年的32.5%下降至2020年的9.3%，未來呈逐步下降趨勢，但仍會在細分市場保持一定需求量。

三、硅片切割用金剛石線

1.金剛石線概述

金剛石線是電鍍金剛石切割線的簡稱，是把金剛石的微小顆粒固結(jié)在切割鋼絲上，用電鍍的方法在金屬線上沉積一層金屬鎳，用沉積的金屬鍍層來固結(jié)金剛石磨料制成的金剛石線，用于切割玻璃、陶瓷、硅、寶石等硬脆材料。

金剛石線切割作為新的切割技術(shù)，具有穩(wěn)定性強、均勻性好、精度高、強度高等特點，同時具有提高切割出片率、降低硅片損耗、降低污水排放等優(yōu)點，可以大幅降低硅片生產(chǎn)成本，現(xiàn)已成為硅片切割的主流技術(shù)（見表1）。

表1 金剛石線切割與傳統(tǒng)砂漿切割對比

金剛石線最早是由日本廠商率先研發(fā)并生產(chǎn)的新型切割工具，日本旭金剛石于2007年6月推出了成熟的金剛石線產(chǎn)品。最初，金剛石線應(yīng)用于玻璃、陶瓷等傳統(tǒng)硬脆材料的切割加工，之后引入到單晶、寶石以及光學(xué)玻璃等貴重硬脆材料加工上，2007年規(guī)模應(yīng)用于藍寶石切割，單晶硅切割始于2010年。2015年以前，日本企業(yè)在硅切片線(細線)領(lǐng)域擁有領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢，國內(nèi)對金剛石線的需求基本依靠進口。

國內(nèi)單晶硅切割應(yīng)用金剛石線的先驅(qū)是天津中環(huán)公司，最早真正實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化的是隆基股份。2012年隆基股份就在全行業(yè)率先完成了直徑為130μm金剛石線切割硅片的試驗，并通過不斷地技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)備改造，于2013年率先實現(xiàn)了單晶硅片用金剛石線切割的產(chǎn)業(yè)化。

目前，國內(nèi)企業(yè)依靠技術(shù)創(chuàng)新快速實現(xiàn)行業(yè)領(lǐng)先，在產(chǎn)品質(zhì)量性能及價格方面均占有優(yōu)勢，推動了我國光伏行業(yè)的降本增效和快速發(fā)展。

2.金剛石線發(fā)展趨勢

太陽能硅片切割已經(jīng)全面步入金剛石線割切時代，隨著光伏行業(yè)的爆發(fā)式增長，金剛石線的市場需求也在呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢。國內(nèi)眾多金剛石線制造企業(yè)已經(jīng)打破了國外企業(yè)在這一領(lǐng)域的壟斷，無論是產(chǎn)能規(guī)模、技術(shù)水平還是產(chǎn)品質(zhì)量正在逐步領(lǐng)跑整個行業(yè)，極大地推動了行業(yè)整體技術(shù)水平的進步和產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

展望未來，光伏硅生產(chǎn)企業(yè)為進一步降低生產(chǎn)過程中的非硅成本，追求光伏發(fā)電的平價上網(wǎng)，就需要硅片不斷減薄，降低切割損耗，更多出片，更少線損。提升光伏硅片行業(yè)的產(chǎn)能，降低總的切割成本，改進總的厚度偏差，減少翹曲度，確保切割表面更加平整及良好的切割精度，環(huán)境友好等都是金剛石線生產(chǎn)企業(yè)需要解決的重大技術(shù)問題。

目前，金剛石線行業(yè)正朝著“五化”方向發(fā)展，即：“細線化”、“省線化”、“快切化”、“低TTV(薄片)化”、“切割高穩(wěn)定化”，進一步提升金剛石線的質(zhì)量、成本節(jié)約和使用效率。見表2。

表2 金剛石線“五化”技術(shù)路線

3.金剛石線用鋼

金剛石線用鋼集中在金剛石線母線。金剛石線母線是用于生產(chǎn)金剛石線的鋼絲，作為固結(jié)金剛石的基體。金剛石線母線以高碳鋼絲為主，其表面質(zhì)量及性能直接影響金剛石線成品質(zhì)量。母線是由專業(yè)的拉絲廠商將盤條拉制成黃絲，再進一步拉制成微米級的鋼絲（見圖2）。

圖2 鋼絲的質(zhì)量要求

由于用于生產(chǎn)微米級鋼絲的盤條質(zhì)量要求較高，2018年以前，國內(nèi)所有金剛石線廠家的母線上游原材料盤條均來自于日本企業(yè)。目前，國內(nèi)金剛石線企業(yè)通過與國外企業(yè)合作研發(fā)，打破了上游原料只能由日本廠商供應(yīng)的局面，成功實現(xiàn)部分替代。

隨著技術(shù)不斷進步，2021年主流的金剛石線母線直徑已降低至45μm，且呈不斷下降趨勢，但降幅趨緩（見圖3）。金剛石線母線直徑及研磨介質(zhì)粒度同硅片切割質(zhì)量、切削損耗量相關(guān)，較小的線徑和介質(zhì)粒度有利于降低切削損耗和生產(chǎn)成本，因此金剛石線朝著細線化方向發(fā)展。隨著線徑越來越細，對鋼絲的力學(xué)性能也相應(yīng)提出了巨大挑戰(zhàn)，上游鋼廠能否供應(yīng)合格性能的盤條至關(guān)重要。

圖3 2016-2025年金剛石線母線直徑變化趨勢 μm

4.金剛石線用鋼測算

金剛石線作為切割硅片的主要耗材，其需求量取決于硅片產(chǎn)量。2020年全國硅片產(chǎn)量約為161.3GW，全球產(chǎn)量167.7GW，中國占全球硅片產(chǎn)量96.2%，可以判斷金剛石線需求主要集中在中國。

4.1 未來五年硅片產(chǎn)量預(yù)測

硅片產(chǎn)量主要由多晶硅產(chǎn)量、硅片產(chǎn)能和光伏裝機量三方面決定，其中多晶硅產(chǎn)量和硅片產(chǎn)能伴隨著光伏行業(yè)景氣度不斷提高、產(chǎn)能不斷擴充，完全可以滿足硅片生產(chǎn)需求，因此硅片產(chǎn)量主要由光伏裝機容量決定。

通過近幾年數(shù)據(jù)可以看出，硅片年產(chǎn)量比光伏裝機量多10%～20%，這是由于硅片需先加工成電池片，再并聯(lián)封裝后形成組件，最后裝機，這一過程中，一是會造成硅片損耗；二是裝機相對硅片生產(chǎn)有所滯后，導(dǎo)致每年硅片產(chǎn)量大于光伏裝機量。因此判斷硅片年產(chǎn)量比光伏裝機量多10%～20%較為合理（見表4）?；谥袊夥鼧I(yè)協(xié)會2021年最新預(yù)測數(shù)據(jù)，推斷出未來五年硅片年產(chǎn)量（見表3）。

表3 2017-2020年全球光伏年裝機量和硅片產(chǎn)量 GW

4.2 未來五年金剛石線需求預(yù)測

測算方式一：據(jù)中國某企業(yè)2020年報公布的數(shù)據(jù)測算，其2020年金剛石線銷量2484萬千米，全球市占率約60%，則2020年全球金剛石線銷量在4140萬千米左右，2020年全球硅片產(chǎn)量167.7GW，推算出1MW硅片需要金剛石線246.8千米。

測算方式二：硅片市場占比為單晶硅片90%、多晶硅片10%，根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗，每片4.5W單晶硅切割需耗用金剛石線約1米，每片4.5W多晶硅切割需耗用金剛石線約1.6米，則單片硅片平均耗用金剛石線1.06米，可推算出1MW硅片需要236千米金剛石線。

兩種測算方式差別不大，可判斷生產(chǎn)1GW硅片需要約24千米金剛石線。若未來五年硅片切割技術(shù)不產(chǎn)生重大突破，金剛石線需求也將加大（見表4）。

表4 2021-2025年全球光伏金剛石線需求預(yù)測 萬千米

4.3 未來五年金剛石線用鋼需求預(yù)測

金剛石線母線是由專業(yè)的拉絲廠商將盤條拉制成黃絲，再進一步拉制成微米級的鋼絲。通過對比金剛石線上市公司招股書和年報可知，絕大部分公司母線都是通過購買所得，沒有用鋼量相關(guān)資料。僅有某股份公司通過購買黃絲再拉制成母線，因此用鋼量可根據(jù)該股份公司公開的數(shù)據(jù)進行測算。

2019年該公司單噸黃絲可拉拔55μm母線37717千米，可推算生產(chǎn)1萬千米金剛石線需黃線0.265噸。考慮到盤條拉制成黃絲損耗比例在30%左右，則推算出1萬千米需0.379噸盤條。

更細的線徑意味著更小的切割損耗，隨著近幾年金剛石線技術(shù)不斷進步，金剛石線母線越來越細，預(yù)計到2025年主流線徑將降低至40μm。母線直徑越細，拉拔過程中鋼材損耗越大，預(yù)計直徑45μm母線損耗比例將較直徑55μm母線提升30%。未來五年母線直徑越來越細，但總體變化不大。由于技術(shù)進步，因此判斷每年損耗比例較直徑55μm母線能夠保持在30%左右（見表5）。若未來五年金剛石線切割技術(shù)不產(chǎn)生重大突破，則金剛石線用鋼需求也將增長（見表6）。

表5 2021-2025年萬千米金剛石線耗鋼量趨勢 噸

表6 2021-2025年全球光伏金剛石線用鋼需求預(yù)測 噸

4.4 金剛石線用鋼測算結(jié)論

通過對國內(nèi)金剛石線生產(chǎn)龍頭企業(yè)研究，再結(jié)合文獻調(diào)研，可以初步得出以下結(jié)論：

（1）按樂觀預(yù)測，金剛石線用鋼量將由2021年的1600噸左右提升到2025年2500噸左右。

（2）由于更細的線徑意味著更低的切割損耗，金剛石線將朝著細線化方向發(fā)展，線徑越細對鋼絲的力學(xué)性能要求越高，對鋼廠生產(chǎn)出的盤條質(zhì)量要求越高。目前國內(nèi)鋼廠生產(chǎn)的盤條離金剛石線生產(chǎn)廠家要求還有一定差距。

（3）隨著光伏景氣度不斷提高，雖然金剛石線需求將不斷攀升，但由于線徑越來越細，因此用鋼量需求將低于光伏裝機容量增長速度。

四、結(jié)語

近幾年我國光伏產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)快速發(fā)展，已成為在國際競爭中取得領(lǐng)先優(yōu)勢的產(chǎn)業(yè)之一，在制造業(yè)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)水平、應(yīng)用市場拓展、產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)等方面均位居全球前列。截至2020年末，中國多晶硅產(chǎn)能達39.2萬噸，全球占比69.0%，連續(xù)10年位居全球首位；硅片產(chǎn)能達173.7GW，全球占比93.7%；電池片產(chǎn)能達163.9GW，全球占比77.7%；組件產(chǎn)能151.4GW，全球占比69.2%，連續(xù)14年位居全球首位。我國是世界最大的硅片生產(chǎn)國，也是硅片切割用金剛石線最大的消費國。樂觀預(yù)計，到2025年金剛石線用鋼量將從2021年的約1600噸增加至約2500噸。

細線化、省線化、快切化、低TTV(薄片)化、切割高穩(wěn)定化是金剛石線的發(fā)展方向。我國是世界最大的金剛石線生產(chǎn)國，但金剛石母線用盤條還有相當一部分依靠進口。