带您打开“硅”界大门
主要观点
金属硅又称工业硅，经碾碎后的硅石和碳质还原剂在电热炉中由碳还原二氧化硅而制得。下游应用上将工业硅划分为冶金极和化学级两类，化学级用为生产有机硅、多晶硅、以及少量耐火材料的起始原料，冶金级即如铝合金为主的非铁基合金添加剂。产业的终端应用涉及建筑、电力、电子电器、汽车、航空航天等各个国民经济基础领域。
作为制备单晶硅的原料，多晶硅终端需求主要集中于太阳能电池，半导体成为多晶硅需求的重要补充部分。光伏硅片分单晶和多晶两种类型，多晶占比达到60%，而半导体芯片为了保证硅片各个位置电学特性统一性，全部使用单晶硅。两者对于多晶硅需求最大的区别在于对原料纯度要求。
有机硅因其优异的综合性能覆盖8000多个应用领域，有着“工业味精”的称誉，是工业硅下游需求占比最大的板块。通过将工业硅粉与甲烷气体混合反应，生成有机硅单体，再加工成硅橡胶、硅油、硅树脂来生产其余化工品，广泛应用在建筑、汽车、纺织、医疗、电子等各个领域。
当前中国主导全球工业硅供应格局，企业整体集中度不高，因占据较为明显的成本优势，国内工业硅生产供应量基本集中在龙头企业间，且由于市场规模较小，行业利润率长期处于低位等原因，国有资本并未广泛涉足工业硅领域，除去永昌硅业、三新硅业、国贸硅业等，大部分工业硅生产企业为民营企业。
有机硅企业行业集中度较高，2020年全球耗硅量排名前五的有机硅企业占全球有机硅耗硅量的72%。多晶硅企业大部分集中在中国。2020年全球耗硅量前五的多晶硅企业占全球多晶硅耗硅的68%。铝合金企业数量众多，行业集中度极低，2020年全球耗硅量前五的铝合金企业均分布于海外仅占全球合金硅耗硅的14%。
全球将进入“碳基时代”向“硅基时代”转型的过程，作为工业硅第一大细分产品，随着体量不断扩大，成本降低，多数有机硅材料与石油基材料类似，有望在部分领域替代石油基材料，未来也仍将承担着工业硅需求端的筑基者角色。
工业硅是光伏、半导体等新兴产业链的源头，与当下全球倡导的碳减排和新能源概念紧密相关，同时作为广期所即将推出上市的焦点品种，未来也将置于市场交易和企业套保的焦点位置上。光期研究将通过“聚焦硅宝”系列报告带您全面观察工业硅的基础特征属性、成本结构、上下游产业链以及广期所即将上市的工业硅期货设计的整体概况。
本期将从基础出发，旨在还原工业硅上下游全部冶炼过程以及其产成品应用分布。
一、工业硅——新兴产业之源
图表1：工业硅产业链概况
资料来源：公开资料整理，光大期货研究所
金属硅又称工业硅，生产流程分为选矿、材料石以及冶炼三大部分。其中选矿和采石是整个冶炼过程中基础也是最重要的一部分，硅石纯度质量将直接影响成品工业硅质量，对于考察合适矿床以及开采精度矿石提出一定要求。
图表2：硅石工业特点及应用特点
资料来源：公开资料整理，广州期货交易所，光大期货研究所
图表3：工业硅生产工艺流程
资料来源：公开资料整理，广州期货交易所，光大期货研究所
工业硅冶炼部分的主要原料为经碾碎后的硅石SiO2和碳质还原剂C(主要成分为精煤、石油焦、木炭、木片等)两种原料，在电热炉中由碳还原二氧化硅而制得（还原反应式：SiO2+2C→Si+2CO），其中生产1吨工业硅需消耗2.7-3吨硅石，2-2.5吨左右的还原剂以及0.08-0.13吨电极。粗炼得到的液体硅经精炼、铸锭、冷却以及破碎包装后的成品即为我们所称的工业硅。
图表4:工业硅牌号
资料来源：公开资料整理，广州期货交易所，光大期货研究所
我国按工业硅所含的铁、铝、钙三种主要杂质的含量分为553、441、411、421、3303、3305、2202、2502、1501、1101等牌号，以Si5530为例，其含义为硅含量≥98.7%、铁含量≤0.50%、铝含量≤ 0.50%、钙含量≤0.30%。
在应用方面，Si4210需求量最大，Si5530应用最广泛。
1)铝合金：使用553#工业硅、441#、3303#，等外硅，对钙含量要求较高。
2)有机硅：使用421#、411#、521#等，对铝含量要求较高，一般在0.2%以下。
3)多晶硅：本质上是硅的提纯，对于牌号没有严格的界限要求。由最开始使用421#、411#，演变成以421#为主，521#、441#、553#、99硅为辅。
下游应用上将工业硅划分为冶金极和化学级两类，化学级用途是作为生产有机硅、多晶硅、以及少量耐火材料的起始原料，冶金级即为如铝合金为主的非铁基合金添加剂。工业硅下游需求分布整体呈4:3:3的三足鼎立之势，2021年下游消耗工业硅消费占比为有机硅37%，铝合金27%，多晶硅26%。产业的终端应用涉及建筑、电力、电子电器、汽车、航空航天等各个国民经济基础领域。
二、多晶硅——高速发展
多晶硅本质上是硅的提纯，原料工业硅的规格没有严格的界限要求，生产工艺以工业硅和氯化氢为原料，还原生成多晶硅；收集生成三氯氢硅、提纯三氯氢硅和生成多晶硅过程产生的尾气，加压和冷却所述尾气，以便使所述三氯氢硅和四氯化硅变为液态而所述氢气、氯化氢、二氯二氢硅保持为气态，并进行气液分离。当前多晶硅原料以化学级工业硅为主，但随着生产工艺的进步和成本控制的需要，部分冶金级工业硅逐渐成为多晶硅产业的主流消费规格，成为国家重点鼓励发展的产品和产业。
图表5：多晶硅生产工艺流程
资料来源：公开资料整理，光大期货研究所
作为制备单晶硅的原料，近5年国内光伏硅料需求占据多晶硅总需求的31.4%-59.5%，其余电子级多晶硅主要用于半导体芯片生产。光伏硅片分单晶和多晶两种类型，多晶占比达到60%，而半导体芯片为了保证硅片各个位置电学特性统一性，全部使用单晶硅。两者对于多晶硅需求最大的区别在于对原料纯度要求，其中光伏生产所需的多晶硅规格（99.9999999%，7个9纯度），高温去除氧后的半导体级多晶硅规格要求更为严苛（99.999999999%，11个9纯度）。
图表6：光伏生产工艺流程
资料来源：公开资料整理，光大期货研究所
图表7：半导体生产工艺流程
资料来源：公开资料整理，光大期货研究所
两者硅片制作工艺大体较为相近，但光伏来说流程相对简单；半导体成片芯片将用于信息产业板块中集成电路、分立器件、光电器件和传感器组成部分，最终实现运算和记忆两大功能，因此对于成片精细度更为严苛。
以光伏单晶硅电池片为例，大体流程为先将多晶硅料磨圆、拉晶、抛光得到单晶硅棒，通过酸洗去除表面杂质，再由切割机切片得到单晶硅片。最后将单晶硅片用超声波清洗，最后监测，比如表面光滑度，电阻率等等参数；半导体芯片先将高纯度多晶硅块敲小，放进由石英锅炉里加热熔化，然后用缆线吊起小的晶种棒旋转上拉形成单晶硅晶锭。将晶锭切成1mm的圆片，经反复打磨、抛光、腐蚀、清洗等工艺形成表面像镜面一样光滑的硅晶圆片，可做半导体电子器件的衬底材料同样要经过反复点测。
图表8：光伏及半导体原料构成
资料来源：公开资料整理，光大期货研究所
在碳中和长线逻辑加持下，不断助力光伏等清洁能源成为当下高景气产业，未来也将顺时代潮流一道迎来蓬勃发展前景，为工业硅需求贡献持久性的高增速。
三、有机硅——重要基石
有机硅因其优异的综合性能覆盖8000多个应用领域，有着“工业味精”的称誉，是工业硅下游需求占比最大的板块。通过将工业硅粉与甲烷气体混合反应，生成有机硅单体，再加工成硅橡胶、硅油、硅树脂来生产其余化工品，广泛应用在建筑、汽车、纺织、医疗、电子等各个领域。
图表9：有机硅生产工艺流程
资料来源：公开资料整理，光大期货研究所
硅铝合金的生产工艺较为简单，90%以上原料为铝，其他微量元素金属元素为添加剂，如铝硅合金、铝硅铜合金、铝硅镁合金等通过加入工业硅来提高金属流动性及韧性和耐腐蚀性。因此产成品可用作汽车、航天、船舶等零部件。
四、产业企业分布
当前中国主导全球工业硅供应格局，2021年中国产能高占比达78.96%。国内工业硅当前市场整体集中度不高，因占据较为明显的成本优势，国内工业硅生产供应量基本集中在龙头企业间，且由于市场规模较小，行业利润率长期处于低位等原因，国有资本并未广泛涉足工业硅领域，除去永昌硅业、三新硅业、国贸硅业等，大部分工业硅生产企业为民营企业。
有机硅企业行业集中度较高，2020年全球耗硅量排名前五的有机硅企业共消耗96万吨工业硅，占全球有机硅耗硅量的72%。多晶硅企业大部分集中在中国，行业集中度较高。2020年，全球耗硅量前五的多晶硅企业大部分来自中国，耗硅量总计42万吨，占全球多晶硅耗硅的68%。铝合金企业数量众多，行业集中度极低。2020年，全球耗硅量前五的铝合金企业均分布于海外，耗硅量总计17万吨，仅占全球合金硅耗硅的14%。
图表10：2020年国内外下游市场代表企业市场
资料来源：公开资料整理，广州期货交易所，光大期货研究所
我们对于“硅能源”的理解，不应仅近局限于以多晶硅为原料的光伏产业，也包括有机硅产业链。我国石油资源稀缺，经过度开采后储量日益减少，同时伴随一系列环境污染困扰，在绿色发展的大趋势下，全球将进入“碳基时代”向“硅基时代”转型的过程，作为工业硅第一大细分产品，随着体量不断扩大，成本降低，多数有机硅材料与石油基材料类似，有望在部分领域替代石油基材料，未来也仍将承担着工业硅需求端的筑基者角色。
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