硅片切割用金剛石線現狀及用鋼分析

王 可

一、光伏產業概述

自我國提出“雙碳”目標以來，可再生能源發展勢不可擋，其中太陽能以其清潔、安全、取之不盡、用之不竭等顯著優勢，已成為發展最快的可再生能源。大力發展光伏產業，對調整能源結構、推進能源生產和消費革命、促進生態文明建設具有重要意義。

經過十幾年的發展，光伏產業已成為我國少有的形成國際競爭優勢、實現端到端自主可控、并有望率先成為高質量發展典范的戰略性新興產業，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備、中游電池組件到下游發電系統的健全產業鏈，在制造業規模、產業化技術水平、應用市場拓展、產業體系建設等方面均位居全球前列。

1.光伏產業鏈

光伏行業產業鏈上游主要是硅料、硅片等原材料生產；中游主要是電池片、組件、逆變器、匯流箱、光伏支架、線纜、輔材等光伏系統零部件制造；下游主要是太陽能光伏電站建設、運營及維護等光伏電站應用。近20年來，中國企業憑借低成本和規?；瘍瀯荩谛黍寗有彤a業逐步占據領先地位，尤其在光伏行業競爭力最為突出。我國已建立起由光伏上游硅材料及設備、中游電池組件到下游發電系統的健全產業鏈，年產值超5000億元，占全球70%以上。

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

2.國內外光伏產業規模

近幾年，全球光伏產業呈現爆發性增長，不僅在歐美日等發達地區，中東、南美等地區國家也快速興起。2020年，全球光伏新增裝機達130GW，創歷史新高。

光伏發電現已在很多國家成為清潔、低碳、同時具有價格優勢的能源形式，光伏發電增量占全球總發電量增量中的比例逐步提高。在多國“碳中和”目標、清潔能源轉型及綠色發展的推動下，“十四五”期間，中國光伏行業協會預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將在70～90GW之間。

二、硅片產業現狀及發展趨勢

1.硅片概述

硅片主要應用于半導體和光伏兩大領域，二者差異主要體現在硅片類型、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域均作為基底材料，為滿足相應的電學特性，半導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構可分為單晶硅片和多晶硅片。硅片企業利用單晶硅生長爐生產單晶硅棒，利用多晶硅鑄錠爐生產多晶硅錠，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。

2.硅片產業規模

太陽能光伏發電是中國未來長期的戰略性新興產業.太陽能硅片在整個光伏產業鏈中是承上啟下的關鍵中間環節。2019年中國硅片產量為134.6GW，2020年中國硅片產量為161.3GW，同比增長19.84%（見圖1）。

圖1 2015-2020年我國硅片產量 GW

3.硅片發展趨勢

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于多晶硅片，但由于多晶硅片技術簡單、成本低，我國光伏企業以前以生產制造多晶硅片為主。近幾年隨著技術進步，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，具有穩定性強、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、降低污水排放等優點，可以大幅降低硅片生產成本，現已成為硅片切割的主流技術（見表1）。

表1 金剛石線切割與傳統砂漿切割對比

金剛石線最早是由日本廠商率先研發并生產的新型切割工具，日本旭金剛石于2007年6月推出了成熟的金剛石線產品。最初，金剛石線應用于玻璃、陶瓷等傳統硬脆材料的切割加工，之后引入到單晶、寶石以及光學玻璃等貴重硬脆材料加工上，2007年規模應用于藍寶石切割，單晶硅切割始于2010年。2015年以前，日本企業在硅切片線(細線)領域擁有領先的技術優勢，國內對金剛石線的需求基本依靠進口。

國內單晶硅切割應用金剛石線的先驅是天津中環公司，最早真正實現規?；a業化的是隆基股份。2012年隆基股份就在全行業率先完成了直徑為130μm金剛石線切割硅片的試驗，并通過不斷地技術創新和設備改造，于2013年率先實現了單晶硅片用金剛石線切割的產業化。

目前，國內企業依靠技術創新快速實現行業領先，在產品質量性能及價格方面均占有優勢，推動了我國光伏行業的降本增效和快速發展。

2.金剛石線發展趨勢

太陽能硅片切割已經全面步入金剛石線割切時代，隨著光伏行業的爆發式增長，金剛石線的市場需求也在呈現快速增長態勢。國內眾多金剛石線制造企業已經打破了國外企業在這一領域的壟斷，無論是產能規模、技術水平還是產品質量正在逐步領跑整個行業，極大地推動了行業整體技術水平的進步和產品質量的提升。

展望未來，光伏硅生產企業為進一步降低生產過程中的非硅成本，追求光伏發電的平價上網，就需要硅片不斷減薄，降低切割損耗，更多出片，更少線損。提升光伏硅片行業的產能，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，環境友好等都是金剛石線生產企業需要解決的重大技術問題。

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

表2 金剛石線“五化”技術路線

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金剛石線的鋼絲，作為固結金剛石的基體。金剛石線母線以高碳鋼絲為主，其表面質量及性能直接影響金剛石線成品質量。母線是由專業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 鋼絲的質量要求

由于用于生產微米級鋼絲的盤條質量要求較高，2018年以前，國內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。目前，國內金剛石線企業通過與國外企業合作研發，打破了上游原料只能由日本廠商供應的局面，成功實現部分替代。

隨著技術不斷進步，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粒度同硅片切割質量、切削損耗量相關，較小的線徑和介質粒度有利于降低切削損耗和生產成本，因此金剛石線朝著細線化方向發展。隨著線徑越來越細，對鋼絲的力學性能也相應提出了巨大挑戰，上游鋼廠能否供應合格性能的盤條至關重要。

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量。2020年全國硅片產量約為161.3GW，全球產量167.7GW，中國占全球硅片產量96.2%，可以判斷金剛石線需求主要集中在中國。

4.1 未來五年硅片產量預測

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

通過近幾年數據可以看出，硅片年產量比光伏裝機量多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有所滯后，導致每年硅片產量大于光伏裝機量。因此判斷硅片年產量比光伏裝機量多10%～20%較為合理（見表4）?；谥袊夥鼧I協會2021年最新預測數據，推斷出未來五年硅片年產量（見表3）。

表3 2017-2020年全球光伏年裝機量和硅片產量 GW

4.2 未來五年金剛石線需求預測

測算方式一：據中國某企業2020年報公布的數據測算，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%，根據行業經驗，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1GW硅片需要約24千米金剛石線。若未來五年硅片切割技術不產生重大突破，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測 萬千米

4.3 未來五年金剛石線用鋼需求預測

金剛石線母線是由專業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，因此用鋼量可根據該股份公司公開的數據進行測算。

2019年該公司單噸黃絲可拉拔55μm母線37717千米，可推算生產1萬千米金剛石線需黃線0.265噸?？紤]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不斷進步，金剛石線母線越來越細，預計到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不產生重大突破，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測 噸

4.4 金剛石線用鋼測算結論

通過對國內金剛石線生產龍頭企業研究，再結合文獻調研，可以初步得出以下結論：

（1）按樂觀預測，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展，線徑越細對鋼絲的力學性能要求越高，對鋼廠生產出的盤條質量要求越高。目前國內鋼廠生產的盤條離金剛石線生產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、結語

近幾年我國光伏產業實現快速發展，已成為在國際競爭中取得領先優勢的產業之一，在制造業規模、產業化技術水平、應用市場拓展、產業體系建設等方面均位居全球前列。截至2020年末，中國多晶硅產能達39.2萬噸，全球占比69.0%，連續10年位居全球首位；硅片產能達173.7GW，全球占比93.7%；電池片產能達163.9GW，全球占比77.7%；組件產能151.4GW，全球占比69.2%，連續14年位居全球首位。我國是世界最大的硅片生產國，也是硅片切割用金剛石線最大的消費國。樂觀預計，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、切割高穩定化是金剛石線的發展方向。我國是世界最大的金剛石線生產國，但金剛石母線用盤條還有相當一部分依靠進口。