2021年中國單晶硅產業鏈分析：硅片大尺寸化成為趨勢

近年來,各種晶體材料,特別是以單晶硅為代表的高科技附加值材料及其相關高技術產業的發展,成為當代信息技術產業的支柱,并使信息產業成為全球經濟發展中增長最快的先導產業。單晶硅作為一種極具潛能,亟待開發利用的高科技資源,正引起越來越多的關注和重視。

目前,我國已成為全球最大的單晶硅生產國。隨著我國單晶硅生產技術的迭代未來我國單晶硅將在能夠提高組件功率、降低成本的大尺寸硅片方向發展。

單晶硅產業主要上市公司:目前國內單晶硅行業的上市公司主要有隆基股份(601012)、中環股份(002129)、上機數控(603185)、眾合科技(000925)、京運通(601908)、晶澳科技(002459)等。

本文核心數據:單晶硅產量,單晶硅產能,單晶硅下游需求,單晶硅市場規模,單晶硅區域競爭格局,單晶硅企業競爭格局,單晶硅發展趨勢

產業概況

1、定義:晶體材料的重要組成部分

單晶硅是單質硅的一種形態。熔融的單質硅在凝固時硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核,如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒,則這些晶粒平行結合起來便結晶成單晶硅。單晶硅具有準金屬的物理性質,有較弱的導電性,其電導率隨溫度的升高而增加;有顯著的半導電性。

超純的單晶硅是本征半導體,在超純單晶硅中摻入微量的ⅢA族元素,如硼可提高其導電的程度,而形成P型硅半導體;如摻入微量的ⅤA族元素,如磷或砷也可提高導電程度,形成N型硅半導體。

它在不同的方向具有不同的性質,是一種良好的半導體材料。由于單晶硅具有顯著的半導電性,作為一種比較活潑的非金屬元素晶體,是晶體材料的重要組成部分,處于新材料發展的前沿。高性能單晶硅的純度要求達到99．9999%,甚至達到99．9999999%以上,可用于制造半導體器件、太陽能電池、芯片等。

2、產業鏈剖析:硅片尺寸是關鍵

單晶硅片從上游原材料到中游制造到應用主要分為直拉、區熔、破方規、線鋸等步驟。

首先將多晶硅原料在加入氬氣等特氣環境的條件下,通過直拉或者區熔的方法獲得單晶硅晶棒,然后通過單晶硅拉晶爐等設備再經過破方規形成方錠。再通過線切、研磨、刻蝕、拋光等流程最后得到光伏級單晶硅片和半導體級單晶硅片。

對于單晶硅片,又可進一步精密加工成太陽能單晶硅電池片、功能性電子元器件、機械器件、集成電路等多種下游材料,最后被廣泛應用于風力發電、新能源汽車、醫療器械、航空航天、計算機、智能制造及光伏行業等。

此外,由于單晶硅片的尺寸大小直接決定了半導體應用中芯片的成本,硅片尺寸越大,將來在制成的每塊晶圓上就能切割出更多的芯片,單位芯片的成本也就更低,因此大尺寸單晶硅的發展的趨勢。

目前,我國多晶硅原材料供應主要由保利協鑫、新特能源、中能科技等企業完成。單晶硅產業鏈中游硅片制造的主要企業有隆基、中環、晶科、晶澳、上技術控等企業。下游應用市場可分為光伏產業和集成電路產業應用。

產業發展歷程:進入產能規劃火熱進行階段

單晶硅片已滲透到國民經濟和國防科技中各個領域,當今電子通信半導體市場中95%以上的半導體器件及99%以上的集成電路需要用使用單晶硅片。

縱觀單晶硅片的發展,我國經歷了從無到有,從落后到不斷追趕再到接近,不斷實現產業和技術上的雙突破。

上游供給情況: 產量逐年上升,CR5格局逐漸穩定

隨著科技不斷進步,多晶硅的使用范圍也不斷擴大,不僅成為了信息產業中不可缺少的基礎材料,并且也是太陽能轉化為光能的理想介質。國家十分重視硅產業的發展,2005年國家發改委將6英寸以上的單晶硅、多晶硅和晶片列為國家重點鼓勵發展產業項目,極大推動了中國光伏產業和電子信息工程的發展速度,使中國硅材料生產進入新的蓬勃發展階段。

根據中國光伏行業協會的數據顯示,2015-2020年中國多晶硅產量不斷增加;2020年,全國多晶硅產量達39．2萬噸,同比增長14．6%。其中,排名前五企業產量占國內多晶硅總產量87．5%,其中4家企業產量超過5萬噸。2021年隨著多晶硅企業技改及新建產能的釋放,產量預計將達到45萬噸。

國內產能方面,硅料行業C5格局漸穩固,中國多晶硅市場集中度不斷提高,2019年中國多晶硅行業前五企業市場占有率為69．30%;2020年中國多晶硅行業前五企業市場占有率為87．5%,較2019年提升了18．20%;市場集中度進一步提高。

下游發展情況:光伏產業發展迅速

1、太陽能光伏發電在我國呈現爆發式增長

我國太陽能光伏行業雖起步較晚,但發展迅速,尤其是2013年以來,在國家及各地區的政策驅動下,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,2020年,全國光伏新增裝機4820萬千瓦,同比增長59．50%。

截至2021年Q1,全國光伏發電新增裝機5．56GW,相對于2020年一季度疫情影響下的極低值、四季度搶裝潮下的極高值,已回歸多年平均水平。

由于擁有較為有利的生產成本優勢,我國已經成為全球最大的太陽能電池片和電池組件生產制造基地。2013年以來,我國太陽能電池片產量規模穩步提升,帶動光伏產業對單晶硅需求穩步增長。據中國光伏協會統計數據,2020年,我國電池片產量約為134．8GW,同比增長22．2%。

2、集成電路制造行業市場規模不斷提升

在我國政策的促進下,我國集成電路行業主要代表企業不斷突破技術壁壘,促進我國集成電路行業的發展,其中中芯國際目前已能夠生產n+1  nm的集成電路,雖不能完全替代7nm的芯片,但也能在短時間內解決我國機場電路短缺的問題。

根據中國半導體行業協會數據顯示,2015-2020年我國集成電路市場規模呈逐年增加趨勢。2020年我國集成電路市場規模為8848億元,較2019年增加17．00%。

目前我國消費電子、汽車電子、人工智能、5G、物聯網等行業的新需求導致半導體芯片應用領域快速擴張。以智能手機為例,隨著手機雙攝像頭、指紋識別、人臉識別、無線充電等新功能的普及,單臺手機所需的芯片數量快速增加。

同時,汽車電子、人工智能、物聯網行業近年來呈現快速發展的趨勢,對各類控制芯片和管理芯片的需求呈現高速增長態勢,為半導體芯片的需求帶來了新的增量空間。

據中國半導體行業協會統計,2015-2020年中國芯片市場規模逐年增長,2020年為8848億元,同比增長17%。

產業發展現狀

1、供給:2020年產量和產能均出現大幅增長

單晶硅片的應用滲透到國民經濟和國防科技中各個領域,當今電子通信半導體市場中95%以上的半導體器件及99%以上的集成電路需要用使用單晶硅片。隨著中國半導體產業的快速發展,中國單晶硅片產能的擴張迅速。

據中國有色金屬工業協會硅業分會統計數據,截至2019年底,我國單晶硅片產能為115GW,占全球的97．6%。2020年隨著我國單晶硅項目的建成,我國單晶硅片產能顯著增加,據各公司公報統計得到2020年,我國單晶硅片產能約為235．3GW。

截至2019年底,我國單晶硅片產量為90GW,同比增長63．6%。前瞻根據中國光伏協會公布的2020年我國硅片產量161．3GW及我國單晶硅片占硅片市場占比測算得到2020年我國單晶硅產量約為146GW。

2、需求:2020年半導體單晶硅消費規模達到19．8億元

據中國有色金屬工業協會硅業分會統計數據,截至2019年底,我國單晶硅片產量為90GW,同比增長63．6%,2020年我國單晶硅產量約為146GW。根據單晶硅行業龍頭企業的產銷率為98．9%估算,2020年我國單晶硅銷量約為144．39GW。

根據前瞻測算,2019年我國單晶硅行業市場規模達到234．43億元,2020年初步估計市場規模上升至380．29億元。

3、價格:2021年以來價格連續十次向上跳漲

2021年以來多晶硅價格的持續上漲,一方面是硅料供應基本無增量的同時,硅片擴產增量陸續釋放,供需階段性不匹配支撐價格持續上漲;另一方面是市場對于全年硅料供不應求現狀可能持續的預判,使下游更加堅定地及時采購硅料。  由于多晶硅的價格上漲國內各類型單晶硅片的平均價格均實現不同程度的上漲。

以國內單晶硅的龍頭企業隆基為例,5月25日,隆基股份公布6月硅片價格,M10、M6、G1全面上漲。其中M10由5．39元/片上漲至5．87元/片,漲價0．48元/片;M6硅片由4．49元/片上漲至4．89元/片,漲價0．4元/片;G1硅片由4．39元/片上漲至4．79元/片,漲價0．4元/片。

產業競爭格局

1、區域競爭:多集中在西部和北部區域,尤其是云南地區和內蒙古

從單晶硅規模較大的幾家企業2021年規劃產能分布的情況來看,我國單晶硅產業多集中在西部和北部區域,尤其是云南地區和內蒙古,多家龍頭企業在這兩個地區有單晶硅規劃產能項目布局,其次是四川地區,也受到單晶硅企業產能投資建設的青睞。

2、企業競爭:CR5高達88．1%,隆基和中環呈現雙寡頭競爭格局

中國企業在硅片制造領域占據絕對優勢。憑借規模制造優勢和不斷提高的技術水平,硅片已經成為中國企業占有份額最高的主要光伏產業環節。隨著硅片制造技術和工藝不斷進步,硅片的價格不斷下降,這較大程度的降低了光伏行業的發電成本,促進了光伏行業的發展。

我國硅片產量總體呈逐年增長態勢,2020年硅片產量為161．3GW,主要以156．75mm和158．75mm硅片為主,大硅片已成發展趨勢。我國硅片行業代表企業主要有隆基股份、晶澳科技和億晶光電等,行業市場集中度較高且不斷提升,2020年行業CR5為88．1%。

具體到單晶硅行業來看,就目前整個競爭格局而言,隆基、中環和晶科從產能來看在國內市場份額合計達到72．2%,而且目前處于第一梯隊的隆基產能優勢明顯,中環股份雖聚焦大硅片近年來產能有所增加,但是短期內超越隆基較為艱難,其他公司還需要一定的時間爬坡,所以目前單晶硅片的寡頭格局已經清晰,前瞻產業研究院認為未來5年內單晶硅行業寡頭格局還將保持。

產業發展前景及趨勢預測

未來我國單晶硅的發展呈現以下三種主要的趨勢。在需求和政策的雙重鼓勵之下,我國單晶硅的產能將進一步增長,企業將進一步擴增產能。第二是單晶硅中,N型單晶硅片的發展份額將逐年增大,同時大尺寸硅片也將成為各單晶硅公司的未來發展重點。

1、產能進一步擴增

近些年,受日本、美國、德國等發達國家需求影響,單晶硅銷售市場火爆,帶動國內外單晶硅制造企業銷量激增。在國際上,從2014年開始,光伏制造商龍頭便紛紛試探性布局高效單晶產品。

2016年2月,韓國LG公司斥資4．35億美元擴大其電池生產線,宣稱計劃到2020年,將其N型單晶硅電池生產產能翻三倍。

2020年,環球晶圓宣布中德分公司擴建12英寸硅晶圓產能,預計2年內完成廠房建設、機臺安裝和量產。同時,國內光伏產品制造商龍頭布局單晶產品,單晶產品供應商也是銷售火爆。

2、N型單晶硅片的市場份額將逐年增大

據中國光伏行業協會預測,隨著下游對單晶產品的需求增大,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提升。未來多晶硅片的市場份額呈逐步下降趨勢,但仍會在細分市場保持一定需求量。鑄錠單晶市場占比未來市場份額保持平穩。結合中國光伏行業協會預測結構,預計2026年單晶硅(P型和N型)市場份額有望達98%。

3、硅片大尺寸化成為趨勢

在摩爾定律的驅動下,硅片尺寸呈現從4寸→6寸→8寸→12寸的路徑變化,參考半導體發展經驗,光伏硅片和半導體類似,都是朝著大尺寸方向演變。因為總面積相等的情況下,單個硅片尺寸越大,電池片數量越少,焊帶、遮光面積越少,轉換效率越高。

1981年—2012年:以100mm、125mm為主;2012年—2018年:以156mm(M0)、156．75mm(M2)為主;2019年,隆基以存量電池產線能接受的極限尺寸為邏輯,推出166mm(M6)硅片,比M2面積大出12．2%;同年中環參考半導體經驗,繼續推出210mm(M12,G12)硅片,表面積比M2硅片提升了80．5%;2020年七家企業聯合發布標準尺寸倡議,提議將182mm(M10)硅片作為標準。

“大尺寸”硅片有助于提高組件功率、降低成本已成行業共識?！按蟪叽纭惫杵梢栽诓辉黾宇~外工藝、設備和人力消耗的情況下,增加設備的產能和單塊組件的功率,進而降低上游、中游單瓦組件所需要攤銷的人力、折舊、管理等成本,同時降低下游系統BOS成本。因此未來大尺寸的硅片將成為單晶硅企業的“兵家必爭之地”。