（报告出品方/分析师：华泰证券申建国周敦伟）
1.1硅料是流程型行业，品质是基础，成本是核心
多晶硅是光伏产业的基础，多晶硅生产是以纯度为98%~99.5%的工业硅为原料，经过一系列化学反应提纯至99.9999%以上的高纯多晶硅，然后用于下游拉制单晶或者铸锭，最终加工成可以发电的电池组件。多晶硅是工业应用中纯度最高的物质之一，其纯度以主体物质的含量多少来表示，通常用几个N(Nine)表示，太阳能级多晶硅纯度在6N~9N，即99.9999%~99.9999999%。多晶硅纯度对太阳能电池的能量转换效率有非常重要的影响，随着新一代N型电池的推广，对多晶硅纯度的要求也在持续提升。
根据硅业分会数据，2021年全球多晶硅总产量约约59万吨，其中半导体级多晶硅需求约3万吨，太阳能级多晶硅已占到硅料总需求的95%以上。目前多晶硅主要的生产工艺是改良西门子法，西门子法自1950年代被开发以来，已经发展到第三代，始终是多晶硅最主流的生产工艺，份额占比达95%以上，光伏硅料具备大宗商品属性，高品质是基本要求，成本是硅料企业竞争的关键。
1.2资本和技术密集性行业，竞争格局好
从投资回报角度看，硅料属于资本和技术密集性行业，资产周转率低，正常年份固定资产周转率低于1，项目投资回报主要取决于盈利能力和财务杠杆。
价格方面，硅料是同质化原材料，合格品不会有明显差价，但次品不得不折价出售，低质量产品甚至根本无法使用，此外，目前单晶料占比达到市场总需求的90%以上，因此单晶料的比例也对产品综合售价有显著影响；成本方面，多晶硅的折旧成本较高，现金成本主要取决于物料单耗（硅粉、电耗、蒸汽、水等）以及要素价格。
因此，硅料企业的技术能力是最重要的竞争力，对硅料的相对售价和物料单耗都有决定性的影响，要素价格尤其是能源价格也是拉开成本差距的重要因素，过去5年里，产能新、规模大、电价低的成熟硅料产能牢牢占据着行业优势地位。
目前有两类主流的生产多晶硅方式，分别是改良西门子法制取棒状硅和硅烷流化床法制取颗粒硅。根据CPIA数据，2021年改良西门子法市占率约95%。
多晶硅生产是精细重化工行业，产品品质受工艺、设备、环境控制等多个因素影响，工艺点繁多，新进入者很难快速掌握成熟工艺，事实上，多晶硅的供应历来呈现稳定的寡头垄断格局，2005年以前海外的7大硅料企业把持行业近30年，2014年以后，突破了冷氢化技术的四大国内龙头稳步提升份额。
只有在2次价格泡沫期间（2006-2010年和2021年至今），出现了大量新进入者。我们根据公司公告汇总，2021年国内前5大硅料企业产能的市占率达到66%，远高于下游的市场集中度，且过去三年稳步提升。
2021年，硅料行业形成了协鑫科技、通威股份、大全能源、新特能源四大龙头并驾齐驱的局面，市占率分别为20%、14%、12%、11%，其中协鑫科技约22%的产能为颗粒硅，其余为棒状硅。追赶者中东方希望、亚洲硅业还保持着一定竞争力，但在成本和品质上与第一集团存在些许差距。
2.1改良西门子法生产原理：高温低得率，能耗高，配套装置多
目前第三代改良西门子法仍然是多晶硅生产的主流工艺，其原理是利用高温硅芯（硅棒）作为载体，气化的三氯氢硅（SiHCl3）和氢气（H2）在硅芯表面、1050~1100℃下发生还原反应（气相沉积反应），生成晶体硅沉积在硅芯表面，反应副产物或未发生反应的原料从底部排出，经回收、分离、提纯后，重新返回相应生产工序中，当发热体生长至一定尺寸时，停炉将多晶硅料取出。
针对西门子法，大体上，一次投入45吨三氯氢硅，可生成1吨多晶硅、20吨四氯化硅，还有近25吨未发生反应的三氯氢硅，还原SiHCl3多晶硅转化率为12%左右，因此西门子工艺中需要配套大量的尾气分离、处理和精馏装置。
西门子法问世至今已经经历的三代改良，主要是围绕尾气回收再利用。西门子法生产过程中会产生大量的SiCl4，需要通过氢化工序，将大量副产物SiCl4转化成作为多晶硅生产原料的SiHCl3，从而实现闭环生产，以提高硅粉利用率，降低生产成本。
早期的氢化方法称为“热氢化法”，其原理是将SiCl4与H2按照一定配比混合，混合气在反应炉中和高温条件下进行反应，H2将SiCl4还原后得到三氯氢硅，同时生成HCl。该反应的操作温度高达1250℃，综合电耗达2~3kWh/kg-TCS，约合50kWh/kg-Si，而且一次转化率仅有18-24%，工艺成本高昂。
2004年冷氢化法的专利保护限制失效之后，冷氢化工艺逐渐成为主流。冷氢化法利用硅粉和SiCl4反应，反应温度约500~600℃，综合电耗约0.6~1kWh/kg-TCS，约合11kWh/kg-Si，不到热氢化法的四分之一，电耗显著降低，近年来随着冷氢化装置规模快速增大，冷氢化环节的电耗已降至5kWh/kg-Si以内，多晶硅的生产成本也随之大幅下降。
我国的多晶硅产业在2006年起步，落后海外近30年，由于硅料价格偏高，到2010年国内一度有近百家企业进入硅料行业，但技术落后，多数企业只掌握热氢化工艺，电耗一度达到200kWh/kg-Si，成本远高于国外对手。2011年，协鑫科技在国内率先突破冷氢化工艺，一举将综合电耗降至70kWh/kg-Si以下，成本降至20美元/kg以内，随后大规模扩产成为全球龙头。
随着冷氢化技术逐渐扩散，2014年以后，通威股份、大全能源、新特能源等国内企业相继掌握冷氢化工艺，并凭借低电价优势实现对协鑫科技的超越。
2.2西门子法流程介绍：还原反应转化率低，精馏、中间产物处理配套多
西门子产线是一套流程复杂的精细化工装置，粗略可分为五大系统，即氯氢化、精馏提纯、还原、尾气处理、产品整理，以及其他辅助装置。
1）氯氢化：氯氢化工段主要是合成三氯氢硅（TCS）。
四氯化硅（STC）综合利用氯氢化转化为三氯氢硅（TCS），是由传统西门子法过渡到改良西门子法的重要标志之一，使高纯晶硅厂的大部分物料实现了封闭循环运转，并得到了最有价值的利用。根据最大四氯化硅生成量18.3kg/kg-Si计算，年产多晶硅50000吨，生成STC约91.5万吨/年，需配套百万吨级别的氢化装置。
目前国内普遍选择冷氢化工艺处理四氯化硅，冷氢化是相对热氢化（1250℃）而言的，利用四氯化硅在高温（450~500℃）、催化剂（金属氯化物）作用下发生热分解、加氢反应得到三氯氢硅。其产生的副产物氯化氢再与硅粉发生连锁反应，生成三氯氢硅和四氯化硅，同时还原尾气分离出的氯化氢也返回该系统，与硅粉进行反应，四氯化硅转化率约25%。
2）精馏提纯：精馏系统包括合成精馏、回收精馏和反歧化三个系统。
来自冷氢化、反歧化的粗三氯氢硅和外购三氯氢硅（纯度≥99%）进入合成精馏装置进行精馏，提纯得到高纯三氯氢硅。
正常生产下还原炉出来的尾气温度约600~700℃，组成为：H260.81%、TCS20%、SiCl415.19%、SiH2Cl23.8%、HCl0.2%以及少量的硅粉，经尾气换热器同部分循环水换热至约150℃后排出还原装置，进入还原尾气回收工段，还原工段尾气回收得到的氯硅烷进入回收精馏系统进行精馏、提纯得到三氯氢硅，回用于还原工段，分出的二氯二氢硅和四氯化硅去反歧化装置，剩余的四氯化硅去冷氢化装置。
反歧化装置利用精馏装置分离出的二氯二氢硅和四氯化硅进行反歧化反应，得到三氯氢硅，去合成精馏装置。精馏工段的三氯氢硅经树脂吸附除硼和金属杂质，然后进入还原工段。
回收精馏是精馏系统中最主要的部分。精馏系统要分离的氯硅烷主要是二氯氢硅、三氯氢硅和四氯化硅，三者分子量、熔沸点、密度都比较接近，因此分离难度较大，需要配备多级精馏塔，目前精馏系统的投入约2亿元/万吨。
三氯氢硅氢还原反应回收的还原氯硅烷、冷氢化系统副产四氯化硅反应生成的氯硅烷、外购的粗三氯氢硅以及副产二氯二氢硅反歧化反应生成的粗三氯氢硅均需要设置精馏系统进行分离和精制。粗三氯氢硅中的硼、磷氯化物等杂质与三氯氢硅的沸点非常接近，因此外购粗三氯氢硅及冷氢化粗三氯氢硅精制的难度很大，需要的精馏塔较多，相应能耗也高。
3)还原：单套还原炉是周期性间歇操作，整个还原系统为连续操作。
来自精馏装置的高纯三氯氢硅，将其送入三氯氢硅汽化器，通过流量计控制调节三氯氢硅气体和氢气的进料摩尔比，混合气经过进气加热器被蒸汽加热至150℃后由喷嘴进入还原炉，还原炉内安装有硅芯，在炉内通电的高温硅芯（硅棒）的表面，温度1050~1100℃，三氯氢硅被氢气还原成晶体硅沉积于硅芯（硅棒）表面，使硅棒直径不断长大，直至达到规定的尺寸。
还原炉是还原工段最主要的装置，单台还原炉的功率高达几十kW，还原炉在反应过程中需持续向硅芯通入电流，电耗较高(占装置耗电量50%以上)。还原炉的发展历程主要是实现国产化、规模化的探索，根据CPIA数据，目前国内硅料企业基本实现设备国产化，普遍采用40对棒的还原炉，单炉年产量达到650吨，还原电耗降至45kWh/kg-Si以内，单价降至300万元/台左右。
4）尾气处理：尾气回收装置主要是将还原装置送来的含有四氯化硅（STC）、三氯氢硅、氯化氢、二氯氢硅、硅粉的还原尾气进行分离、净化、回收。三氯氢硅还原炉内反应过程较复杂，副反应及逆反应较多，转化率比较低，因此设置了还原尾气回收系统以分离氯硅烷、氯化氢及氢气，分离过程比较复杂。回收的氯硅烷要循环回精馏系统分离处理，回收的氯化氢送冷氢化工序，回收的氢气循环回还原系统。
由于氯硅烷、氢气和氯化氢的物理性质差异较大，尾气分离相对简单。还原尾气依次经过硅粉过滤器、热量回收、循环水冷却、冷量回收换热器、7℃水冷却、-10℃采用R404A制冷剂，绝大部分氯硅烷冷凝后进入氯硅烷缓冲罐后送入氯化氢精馏塔，不凝气被还原尾气复热后送入氢气压缩机压缩。
5）产品整理：破碎工序作业人员将硅棒进行出库，设立独立洁净间预处理掉石墨尖上部50mm或石墨底座上部150mm处含碳硅料后，将硅料运输到千级自动硅料破碎间进行硅料破碎，按市场需求进行粒径破碎，最终包装满足10kg/袋、600kg/箱、1200kg/托的终端客户需求产品。
目前主流的破碎方式是人工用金属锤敲碎，棒状硅出炉时直径达到200mm左右，长度近3米，下游填充料的尺寸约50-70mm，复投料尺寸要求30-50mm，人均破碎量从几百kg到3吨不等，整理破碎过程容易引入杂质，并且会有1%左右的粉尘损失掉。
也有部分企业引进自动破碎设备，如颚式破碎机，但设备破碎引入的杂质更难控制。值得一提的是，目前头部企业西门子工艺上差距不大，反而是在破碎环节各有特色，很大程度上决定了交付产品的品质，因此破碎整理反而成为棒状硅企业保密程度最高的一环。
2.3西门子法成本解析：折旧、电耗、硅粉占比高
西门子工艺有几个特点：一是主反应反应温度高，但一次转化率低；二是副反应众多，尾气成分非常复杂；三是尾气成分的沸点比较接近，分离难度较大。
这导致2个后果，一是还原电耗和综合电耗消耗较大，二是尾气回收和处理（精馏）成为重要的资本投入。体现在成本结构里，就是折旧和能耗成本占比高。
根据大全能源的数据，2020年大全的生产成本为41.4元/kg，在行业内处于领先水平。其中，直接材料（硅粉、硅芯及其他材料）占比41.2%，制造费用（折旧、能耗、水耗、其他）占比51.7%，人工成本占比7.1%。
2.3.1折旧：设备基本国产化，降低空间不大
目前西门子法产线的投资强度大约为8-10亿元/万吨，其中占比较高的部分主要是冷氢化、精馏、还原、尾气回收等，4工段合计占比达到84%，核心工段还原车间在capex的占比仅有30%。
从产线占地面积来看，不考虑公辅设施，目前每万吨西门子产线的占地面积大约3-5万平米，其中冷氢化、精馏、还原、尾气回收、产品整理合计占到87%以上。
值得注意的是，随着连续加料技术的普及，下游对于硅料尺寸的要求日益严苛，复投料要求破碎到30-50mm的粒径，因此破碎整理环节成为西门子产线上比较大的投入。
降低系统投资的路线主要由两条：
一是提高单线规模，摊薄各种配套设施的成本。随着系统集成水平提高，国内多晶硅企业通过多年的运营，已成功地将还原、回收、精馏、氢化等系统有效整合，充分发挥单体装置的能力，现已基本掌握单线万吨级多晶硅生产技术。特别是随着一线厂商陆续掌握冷氢化处理能力，产线的规模已达3-5万吨。由于产线规模的增大，公用工程、尾气残液处理系统等模块和工艺可以公用，也降低了企业的投资成本。
二是提高设备的国产化率。早期国内新上项目的还原炉部分基本上都是以引进为主，包括俄罗斯9对棒、德国12对棒、美国18对棒、24对棒等加压还原炉，2008年一台12对棒的进口还原炉价格超过1000万元。目前还原炉基本上已经实现国产化，多晶硅生产线设备基本上可实现90%以上的国产化覆盖率，生产成本也在不断下降，以通威股份的产能为例，早期的24对棒还原炉，每台价格在500万元以上，而新型的36对棒还原炉，单台年产能提高20%以上，价格反而下降20万元。最新的40对棒还原炉，每台价格更是降至400万元左右。
从历史来看，早期多晶硅产能的初始投资较大，2008年千吨投资成本约为7~10亿元，到现在多晶硅生产线投资成本已大幅降低，2013年大全新能源在新疆的5000吨投资综合约为20亿元，约合4亿元/千吨，2015年在新疆建设的新工厂，投资额已下降至1.5亿元/千吨，2017年通威股份、大全能源、新特能源以及协鑫科技等国内一线大厂的扩产潮里，千吨投资额都位于1.2~1.6亿元/千吨之间。
2021年以来新建产能的单线规模已经达到5万吨甚至10万吨，投资强度进一步下降至1亿元/千吨左右。随着规模红利和国产化红利挖掘殆尽，我们预计多晶硅产线的投资强度降至8-10亿元/万吨将遇到瓶颈。
2.3.2电耗/能耗：还原电耗到达瓶颈，综合电耗还有少量下降空间
多晶硅的能耗由电耗、蒸汽消耗、水耗三部分组成，其中电消耗占多晶硅总能耗的95%左右，是多晶硅生产能耗的最主要构成部分。
多晶硅的电耗构成中三氯氢硅还原工序所消耗的电能达到了总电耗的75%~80%，尾气干法回收工序占比5%~7%，三氯氢硅合成工序占比5%~6%。
根据CPIA发布的《中国光伏产业发展路线图》（2021年版），2021年我国多晶硅行业的平均电耗为63kWh/kg-Si，较上一年度下降3.5kWh/kg-Si；其中还原电耗46kWh/kg-Si，较上一年度下降3kWh/kg-Si，冷氢化电耗4.7kWh/kg-Si，较上一年度下降0.6kWh/kg-Si。其中，头部企业的综合电耗已降至50kWh/kg-Si左右，主要得益于规模优势和能量回收带来的公辅能耗的降低。
还原电耗主要由反应原理决定，其次受还原炉设备影响。
影响还原电耗的因素很多，主要包括单炉产量、生产周期、还原炉状况、产品质量要求、工艺控制水平等。在实际生产过程中，规格大的还原炉单炉产量高，利于电耗的降低，因此大还原炉成为多晶硅生产的发展趋势；从设备投资的角度来看，还原炉硅棒对数越多，投入越大。尽管设备商开发出了48对、72对、96对、144对棒的设备，但龙头企业多数选择了40对棒还原炉。
其他方面的电耗随着产线规模上升进一步被摊薄。目前冷氢化装置的单套规模已从50万吨增加至100万吨左右，冷氢化电耗从2017年的近8kWh/kg-Si降至5kWh/kg-Si以下，但进一步下降的空间有限。
因此，综合电耗降至50kWh/kg-Si后将遇到明显的瓶颈。蒸汽消耗占多晶硅总能耗的3%~5%，其中三氯氢硅提纯工序占蒸汽总消耗的35%~40%，尾气干法回收工序占蒸汽总消耗的25%~30%，四氯化硅氢化、还原工序分别占蒸汽总消耗的15%~20%。
西门子法的还原工序反应温度需要保持在1080-1100摄氏度，产生大量热能，通过热量回收装置，现在西门子法硅料已经可以大幅减少外购蒸汽量。根据光伏协会统计，2020年企业蒸汽耗量均值为23kg/kg-Si左右，在新疆等寒冷地区蒸汽耗量较其他地区高，2030年企业蒸汽耗量将降至18kg/kg-Si。
根据新特包头项目的环评文件，不考虑余热回收，整个厂区的年总消耗量超过60万吨，约合60kg/kg-Si，增加余热回收装置后，每万吨硅料每年净消耗4万吨蒸汽，约合4kg/kg-Si。随着热量回收的进一步完善，已经有蒸汽净零消耗的工厂出现。
2.3.3硅粉：单耗下降空间不大，硅粉价格是变数
目前西门子工艺对硅粉的消耗大约是1.05-1.1kg/kg-Si，其中20%左右用于氯氢化阶段SiHCl3的合成，80%用于冷氢化阶段与SiCl4反应。损失掉的硅粉主要是各工序废气、废液的流失，我们预计硅耗的改善空间比较有限。
硅粉价格有很大的上涨压力，主要是能源价格上涨和环保压力所致。工业硅生产能耗较高，电耗强度达到12-13kWh/kg，此前多年里，工业硅的价格中枢大约在1.1-1.6万元/吨，2021年年中开始，在能耗“双控”的限制下，主产地云南的工业硅产能利用率大幅下降，导致3季度出现了罕见的供应紧张，硅粉现货价格一度高达10万元/吨，能耗“双控”政策调整后价格回落至2万元/吨左右。
中长期来看，随着成本上涨，硅粉中枢价格或将永久性抬升。2021年之前，硅粉头部企业成本大约7000元/吨，行业平均水平大约9000元/吨。我们的测算模型显示，随着电价、环保和原材料成本的上升，目前工业硅的生产成本已经上涨至1.6万元/吨，预计工业硅粉的中枢价格至少上浮0.5-1万元/吨，未来中枢价格会落在2-2.5万元/吨左右。
2.3.4其他：人工、硅芯成本占比不高，降本空间有限
其他比较大的成本项还有人工、硅芯、石墨电极等。人工成本可以从单位产能配备的员工数来测算，根据CPIA的统计数据，2017年以来，西门子产线每万吨的工人数量从435人降低到250人左右，尤其在2017-2018年降幅显著，原因是当时恰逢上一轮扩产周期，新产能单线规模达到2-3万吨，此前单线多在5000吨左右。
在最新的扩产潮里，新产能的单线规模已经达到5-10万吨，我们预计人员可以降至150人/万吨左右。
根据大全能源的数据，自2018年以来，公司硅料的人工成本总体呈下降趋势，近2年维持在3元/kg左右。
硅芯成本各家有所不同，部分企业自配硅芯生产产能，部分企业选择外加工，行业平均大约1-2元/kg，根据大全的招股说明书，2020年公司硅芯外加工成本约1.34元/kg。
2.4小结：改良西门子法进步空间有限，技术降本边际效应减弱
改良西门子法经过近半个多世纪的发展，在国际上已经是一种成熟的技术，没有突破性进展，主要还是要围绕精细化管理进行节能减排和提高产品质量。
综合来看，目前改良西门子法生产多晶硅的工艺已经趋于成熟，短期内在这条路线上通过升级大幅降低能耗及成本的难度很大，新进入者凭借技术革新实现弯道超车的概率已大幅降低。
我们测算了原料和能源成本上涨后西门子工艺的成本，按照优质企业55kWh/kg-Si的电耗，目前业内第一梯队的西门子产能成本约52.47元/kg-Si，其中现金成本约45元/kg，较2020年有明显上涨，主要原因是电价从0.25元/kWh上涨至0.3元/kWh，硅粉价格从15元/kg上涨至25元/kg。折旧年限按照12年计。
3.1原理介绍：低反应温度，高转化效率，连续性生产
颗粒硅是用流化床工艺生产出的颗粒状多晶硅，流化床路线从20世纪60年代开始研发，由于早期硅料需求主要来自半导体行业，对纯度要求更高，而且需求总量有限，因此未能挑战西门子的统治地位。20世纪70年代，石油危机迫使下游开发低能耗技术，但直到光伏需求爆发，美国REC和德国Wacker才尝试流化床工艺的大规模生产。
流化床法的主要原理是将硅烷或氯硅烷等作为原料，以氢气作为载体，从流化床炉的底部注入反应器后上升加热区，籽晶从反应器顶部注入或预先放置在反应器中，从底部注入的气体流速足以将籽晶沸腾起来，处于悬浮状态，注入的原料和氢气在加热区发生反应，沉积在硅籽晶上，随着悬浮的籽晶颗粒不断外延生长,长大到足够重量的硅颗粒沉降到反应器的底部，而反应的副产物从底部管路排除。流化床反应器的特点是可以持续地上下加料，反应气从底部注入，籽晶从顶部加料，生产的硅颗粒从底部排出，可以连续生产，反应可以持续运行几千个小时，与西门子工艺的批量生产相比，籽晶在悬浮状态可以提供充足的反应面积，从而获得较高的反应效率，能耗较低。
另一方面，由于籽晶在沸腾状态时，会不断与反应器内部接触，产物中存在大量微米尺度的粉尘，且粒状多晶硅表面积大，易被污染，产品含氢量高，须进行脱氢处理。
目前，协鑫科技和美国REC成功利用硅烷气作为原料实现了流化床法的商业化运营，该方法被称为硅烷流化床法。德国Wacker公司利用三氯氢硅为原料实现了流化床法生产，被称为TCS流化床法。亚洲硅业在2018年也曾经试验过用TCS为原料生产颗粒硅。
其中硅烷法的产业化进度更领先，目前国内协鑫科技、天宏瑞科（与REC合作）各有3万吨、2万吨产能在运营，在建产能分别达30万吨、8万吨，REC在韩华新能源入股后，也已重启在美国的硅烷流化床（FBR）产线，颗粒硅有望动摇西门子的统治地位。
硅烷流化床生产多晶硅时，将高纯的多晶硅细颗粒（0.2-0.5mm）作为生产用的晶种加入流化床反应器内，从反应器底部通入SiH4和H2的混合气，随着气体流率的增大，颗粒床层由固定床转变为流化床，在外部加热器的作用下，硅烷在600～800℃的温度下在硅晶种表面发生化学气相沉积（chemicalvapordeposition，简称CVD），使硅晶种长成尺寸较大的近球形颗粒（1~5mm）。在操作中采取同步取出大尺寸颗粒产品和加入硅晶种的方法以实现连续化生产。
从方程式可以看出，硅烷的稳定性很差，非常容易分解，该分解反应呈弱放热效应。
因此，与三氯氢硅的反应不同，硅烷分解过程的能耗很低，而且一次转换率非常高。硅烷流化床中硅烷存在两种反应方式，即均相热分解和非均相沉积，其中非均相沉积是指烷热分解生成的多晶硅沉积在硅晶种颗粒上，使晶种颗粒逐渐长大,又称为CVD过程；均相热分解是硅烷热分解生成一系列中间产物（Si2H6、Si2H4、Si2H6），最终生成大量硅粉（Si2）。反应温度对于反应方式有明显影响。
当反应温度达到420℃时，硅烷便开始分解，但此时生成的硅难以形成晶体结构，只有温度达到610℃以上时，生成的多晶硅才有稳定的晶体结构。当温度升高时，均相热分解反应速率上升较快，因而硅粉产生量增加。
当温度高于800℃时，硅烷流化床产生大量的硅粉尘，不再适合生产多晶硅。因此，硅烷流化床的操作温度为600～800℃，优选650～700℃。
以硅烷作为生产多晶硅的原料气体的优点在于:
1）硅烷的沸点低于所有氯硅烷和杂质如硼、磷、砷的氯化物和氢化物的沸点，因此更容易提纯硅烷，可提纯至比任何氯硅烷更高的纯度；
2）在一个单程转化中，硅烷可以实现完全分解成高纯硅和氢气，由于在单程操作中硅烷转化为硅，受污染的可能性最小；
3）硅烷分解尾气组分较单一，只有未反应的硅烷及氢气，不像三氯氢硅还原反应尾气复杂，通过深冷即可分离，不需要配置复杂的尾气分离系统，也不会产生需精馏处理的大量的物料循环。
硅烷流化床法生产颗粒多晶硅的优点又在于：
1）硅烷热分解反应的副产物为氢气；2）硅烷的沉积温度比三氯氢硅低，可以把多晶硅的还原电耗从改良西门子法的45kWh/kg降低到约4kWh/kg，从而大幅降低成本；3）沉积速率快、可实现单程百分百转化；4）可实现连续操作；5）流化床具有良好的等温特性，使得硅的沉积均匀性好；6）在铸锭生产过程中，可提高单次坩埚装料重量，提高铸锭生产过程中的效率。
3.2历史回顾：十年磨一剑，硅料技术革命厚积薄发
硅烷流化床（FBR）工艺的先行者是联合碳化合物公司（REC前身），于20世纪70年底末期开始研发，但进度较慢，到2000年中研制成功第三代FBR-A型示范炉，产能150吨/年，此后继续推进产业化，到2010年REC颗粒硅总产能达到10500吨/年，主要产地是美国Mose湖，2012年推出第三代流化床反应器FBR-B，单炉年产能达900吨。
FBR工艺很快体现出成本上的巨大竞争力，早在2012年，REC的颗粒硅现金成本就已降至10美元/kg，并且在行业内保持了相当长的一段成本领先，比同期的西门子同行成本至少低2-3美元/kg。
但从2015年开始，REC逐渐陷入困境，海外的FBR技术发展开始停滞，主要原因如下：
1）2014年中国对美国多晶硅双反，征收57%的双反税，这是导致REC衰落的根本原因；
2）品质，REC早期的产品只能满足多晶需求，2016年后单晶渗透率快速提升，REC仅存的产能也无法生产高品质的单晶料；
3）资本开支高，且连续生产能力存疑，导致折旧成本偏高，即使在双反前，FBR工艺的折旧成本也高达5-8美元/kg，比西门子法高出一倍，原因是REC早期的流化床单炉产能太小，而且连续生产周期偏短，导致产量波动大，双反之后产能利用率大幅下降，现金成本和折旧成本均大幅上涨。
此外，MEMC也在该领域也钻研了超过30年，到2008年MEMC在美国的工厂颗粒硅产能已达6000吨，金属杂质含量低于50ppm，后来MEMC与韩国三星合作，在三星建设年产1.5万吨的颗粒硅产线，供应半导体级硅料，后来项目没有成功，MEMC在2017年被协鑫科技收购，所有专利权也随之转让。
国内走FBR路线的主要是协鑫科技和陕西天宏瑞科，天宏瑞科是陕西有色和REC的合资公司，双方2014年在榆林投资建了1.8万吨产能，配备了16台1200吨/年的流化床，由于成本和品质问题，一直到2020年才逐渐投产，天宏瑞科的技术全部来自REC。
协鑫科技2010年前后开始布局硅烷流化床工艺，2012年江苏中能的硅烷气首期装置调试成功，并顺利产出合格的高纯度硅烷气，为FBR产业化迈出一大步。但直到2019年，协鑫科技的颗粒硅才初步达到单晶料的使用标准。在此期间，协鑫科技主要解决了产品品质和连续生产的一系列问题，扫清了颗粒硅大规模生产的主要障碍。
硅烷流化床法生产颗粒多晶硅在工艺上存在很多困难：
3.2.1纯度：床内撞击易引入金属杂质，增加内衬可大幅改善产品质量
硅烷提纯的难度较小，理论上可以得到纯度非常高的硅烷气，因此流化床工艺有潜力制备很高纯度的硅料。
硅烷流化床生产的粒状多晶硅产品的污染主要来自两个方面：
一是颗粒与反应器内金属器壁或金属内部构件的摩擦使颗粒内带入大量金属杂质，影响产品纯度，金属杂质偏高会导致硅片少子寿命下降，进而影响电池转换效率，是颗粒硅产业化需要突破的生死关；二是在非均相沉积过程中，副产物氢气会夹带进入硅颗粒中，同时颗粒硅表面包含少量硅-氢键。
此外，作为原料的硅烷提纯也需要得到保证，特别是循环利用的氢气，在后端分离和重新提纯的环节中需要确保纯度。颗粒硅表面吸附的氢在推广初期对下游造成了一定困扰，原因是在化料过程中氢气从颗粒硅表面逸出，导致硅颗粒飞溅，一旦落到冷水屏或者副室，会导致拉棒过程出现断棒。
3.2.2连续运行：器壁沉积是制约瓶颈，目前已可连续运行6个月以上
器壁沉积及流化床反应器结构设计是流化床技术最核心最关键的问题，也是该技术长周期稳定运行的瓶颈所在。
由于硅烷流化床不属于传统的流化床，底部使用喷嘴的形式将硅烷气和氢气的混合气喷入流化床中，随着在反应器内气泡的生长，部分反应气体会与气泡合并，产生较大的气泡，当气泡的大小接近反应器的直径，气泡会推动大量床层整体上升，最后在床层顶部释放，这种现象称为腾涌。
腾涌产生的较大气体压力会将反应器顶部内插件的沉积物料冲击后掉落，影响产品质量，同时尾气会将部分粒状硅夹带至下游，大幅降低产品收率。反应器底部喷嘴位置分布的不合适会使反应器内气体分布不易控制，导致在反应器运行过程中会出现粒径分布的较大偏差，即粒径偏析。
之后部分较大的颗粒在喷嘴附近不断循环流化不断生长且不能及时采出，粒径超过一定范围后可堵塞采出管道，最终导致反应器无法正常运行。
对于以上这种腾涌和粒径偏析是硅烷流化床反应器中普遍存在的现象，需要通过调整反应器底部的喷嘴位置分布和结构来降低粒径偏析的发生，同时需要调节不同喷嘴的气体分布，使乳化相中的气体不会聚集在大气泡中产生腾涌。对于腾涌和粒径偏析的解决方法目前仍在不断的研究过程中，但在实践中已经取得了显著进展。
3.2.3单床规模：协鑫科技6代床产能达4000吨，业内遥遥领先
现有或曾经的几家颗粒硅厂商，REC的FBR炉年产能仅1200吨，瓦克的三氯氢硅FBR炉年产能650吨，只有协鑫科技掌握了大流化床的设计和运营工艺。经过多年研发，协鑫科技自主设计的流化床已经开发到第六代，年生产能力达到4000吨，并且能够平稳运行。
因此，协鑫科技开始逐步放大产能，并采用模块化设计，每个模块有6台4000吨的流化床，设计为2万吨，并以此为单位复制，截止到2022年一季度末，已有30000吨产能投运，在建产能近30万吨。
3.3成本解析：系统性降低成本，能耗较传统工艺有显著优势
3.3.1建设成本：较西门子产线降低20-30%
以外购三氯化硅、硅粉为原料，采用硅烷流化床法生产颗粒硅，主要包括电解水制氢、冷氢化、硅烷气，颗粒硅、盐酸解析、浆渣回收、工艺废气处理等工段。
与西门子产线相比，冷氢化系统可以通用，减少了精馏、还原和尾气处理装置，产品整理车间也有较大节约，增加硅烷发生装置和流化床。
公辅方面，多晶硅产线的公辅装置主要是给排水和电路设施，颗粒硅产线的电耗仅有西门子工艺的1/3，水消耗下降30%，因此公辅成本也有所下降。
我们梳理了大全能源规划的10万吨产线各工段投资强度（仅包含建筑工程、设备购置和安装费用），并以此为基础测算颗粒硅产线投资强度，所得结果如下：
根据现有的公告，颗粒硅资本开支大约在6-7亿元/万吨，与测算结果相吻合，较西门子产线低20-30%，考虑到颗粒硅技术仍在产业化初期，我们预计后期随着生产规模进一步扩大，可以进一步摊薄设备投资，颗粒硅的投资强度有望降至5-6亿元/万吨。
颗粒硅的能耗主要包括电耗和蒸汽两部分。电耗主要在流化床、冷氢化、公辅等环节，由于硅烷的分解温度低（600-700℃），且一次转化率非常高，可以连续生产，因此流化床工段尽管是核心，但电耗只有3kWh/kg-Si左右，其他冷氢化、公辅等环节电耗不高于西门子工艺，约10-15kWh/kg-Si，综合下来颗粒硅的电耗约15-20kWh/kg-Si，协鑫科技2021年报披露其生产电耗已降至14.8kWh/kg-Si，预计未来随着规模效应增加，可以降至10-15kWh/kg-Si，但进一步下降空间有限。
蒸汽方面，颗粒硅的蒸汽净消耗略高于西门子法。西门子法对蒸汽的总消耗约60kg/kg-Si，其中三氯氢硅提纯工序占蒸汽总消耗的35%~40%，尾气干法回收工序占蒸汽总消耗的25%~30%，四氯化硅氢化、还原工序分别占蒸汽总消耗的15%~20%。颗粒硅对三氯氢硅纯度的要求低于西门子，而且没有尾气干法回收装置，主要消耗工段在冷氢化环节。
因此，颗粒硅的蒸汽需求实际少于西门子法。但是，西门子法的还原工序反应温度需要保持在1080-1100摄氏度，产生大量热能，通过热量回收装置，现在西门子法硅料已经可以大幅减少外购蒸汽量，甚至不必外采蒸汽。颗粒硅的反应温度大约650摄氏度，而且不是吸热反应，耗电量很低，不会产生蒸汽副产物。
乐山环评文件数据显示，颗粒硅的蒸汽消耗为20kg/kg-Si；另一方面，如果企业自建工业硅产能，工业硅在生产过程也能产生大量蒸汽副产物，因此包头基地将不再外购蒸汽。
此前有市场观点认为颗粒硅节能效果不突出，理由是饱和蒸汽的热值约为650kcal/kg，电能的热值相当于861kcal/kWh，如直接用热值计算，颗粒硅能耗强度降低50%左右，因此有观点认为颗粒硅实际节能效果不强。
事实上，在能源序列里，电能属于高品位能，热能属于低品位能，由于电可以100%转换成热能，而热能转换成电能的效率约35%，同等热值的电能与热能定价大约差3倍，因此以蒸汽消耗为由质疑颗粒硅的节能效果有失偏颇。
因此，综合对比下来，充分考虑能量回收，西门子法的电耗约为60kWh/kg-Si，蒸汽净耗量最低可降至0；颗粒硅产能电耗约为15kWh/kg-Si，蒸汽净耗量约为15kg/kg-Si，未来可以通过自建工业硅产能获得副产物蒸汽，业务协同后蒸汽净耗量有望降至10kg/kg-Si以下，成本粗略估计相当于4kWh的电费，因此颗粒硅的总能耗仍低于20kWh。
3.3.3硅粉：直通率低于西门子法，副产硅粉价值量高，净消耗无明显差异
与西门子法相比，颗粒硅产品会产生一定量的高纯硅粉，这是由硅烷分解的机理决定的。
硅烷的分解基于两种不同机理：异相反应和均相反应。在异相机理中，硅烷在多晶硅颗粒表面分解，固体硅沉积到颗粒表面而放出氢气；在均相机理中，硅烷气相分解，放出氢气及气溶胶硅颗粒。
一部分气溶胶硅颗粒被多晶硅颗粒吸附，而另一部分气溶胶硅颗粒彼此相互连接形成颗粒硅或变为硅粉，部分硅粉会从流化床反应器的顶部随尾气一起排出，并收集作为副产品，少量的硅粉会附着于粒状硅表面。
一般情况下，硅烷流化床法生产1kg颗粒硅需投入约1.25kg工业硅粉，并产生0.2kg的高纯硅粉副产物。
但是副产物并不是成本，目前副产物有3个去向：
一是直接出售给锂电负极企业，这部分需求价值量很高，但目前用量不大；
二是熔铸后作为块状料出售，纯度相当于太阳能一级料，熔铸成本约10元/kg，但售价可达100-150元/kg，价值很高；
三是回炉作为工业硅粉原料。
因此，颗粒硅对硅粉的表观高单耗是源自较低的直通率，其真实单耗仅有1.05kg/kg-Si，我们认为外界质疑颗粒硅硅粉单耗过大、导致成本上升的说法并不成立。
另一方面，颗粒硅表面附着的硅粉在制备单晶的下游工况中会出现浮灰，导致拉晶过程中出现断线现象，降低生产效率，这确实是颗粒硅产品的一大问题。过去2年里，协鑫科技已经开发出低成本的除粉工艺，近期下游反馈硅粉对于生产的影响已经不再明显。
与棒状硅相比，内衬成本是颗粒硅的一个额外增加项。
内衬材料是颗粒硅企业的核心机密之一，虽然有市场观点认为满足要求的材料可选范围不大，一般认为是石墨件或者SiC内衬。
3.3.5其他：人工成本大幅减少
颗粒硅产线集约布局，且连续化生产，后期也无需破碎整理，因此颗粒硅产线对工人数量的需求较西门子产线也有明显节约，颗粒硅产线的工人数量仅需约70人/万吨，而目前西门子产线的平均人员需求还在200人/万吨以上。按人均工资10万元/年计算，颗粒硅的人工成本可节约1元/kg以上。
3.3.6小结：系统性降低成本，同等要素价格下比西门子低12元/kg以上
整体来看，与西门子工艺相比，流化床法除了增加一些内衬成本外，系统性的降低了成本，我们测算了西门子比较理想状态下的成本、颗粒硅成本以及自备硅粉的颗粒硅成本进行对比，在要素价格相同（电价0.35元/kWh）的情况下，颗粒硅在成本端约有11.6元/kg的优势，假如自备硅粉，蒸汽成本可以省略、且硅粉成本更低，成本优势可进一步拉大到18.3元/kg。同时，电价每上涨0.1元/kWh，颗粒硅成本优势将放大3.2元/kg。
3.4应用端表现：节约破碎成本，提高单产，为下游带来5-7元/kg收益
多晶硅料的下游是拉棒/铸锭用户，对硅料品质方面的要求是，应用颗粒硅之后，不能影响硅片的各项性能指标，最终不影响电池和组件的能量转换效率。
高效电池片对硅片性能的要求主要是两大核心指标，少子寿命和电阻率：
只考虑金属杂质含量，热场中的杂质、破碎清洗、工艺控制等人工干预过程也极容易引入金属污染，因此，硅料中金属含量降到一定程度，就不再是硅片品质的主要影响因素。
2）体电阻率，半导体材料要求一定的导电性，主要依靠掺杂施主、受主杂质实现，但掺杂浓度过高，会导致少子寿命下降，因此硅片往往要求在一定的电阻率范围内，少子寿命越高越好。
原料纯度只是影响少子寿命的诸多因素之一，而且在实际生产中，热场、坩埚及环境的洁净度影响更甚于硅料，尤其是N型硅片生产过程，环境因素影响更大。
比较颗粒硅产品与各类硅料等级标准，目前协鑫科技的主流产品（ZN900、ZN901A）已经达到太阳能1级品以上，部分指标已经好于特级品标准。
对于P型料，达到太阳能级即能满足需求；对于N型料，太阳能特级或电子三级能满足需求。
此外，现行标准会产生一定误导，导致外界高估颗粒硅与棒状硅的杂质含量差异：
1）西门子法纯度测试的样品是取硅棒靠近硅芯位置的样品，样品长度不小于100mm，直径15-20mm，经去污、酸洗、清洁、干燥后，用区熔工艺做成单晶硅棒，再测试电学参数，实际交付的产品是人工用金属锤（钨钼锤）破碎的30-50mm粒径的块状料，破碎过程会引入很多杂质，COA文件中的承诺纯度远低于测试纯度，而颗粒硅的测试样品与交付产品并无区别，不存在类似误差。
2）西门子法的金属杂质不完全，目前国标仅检测Fe、Cr、Ni、Cu、Zn5种元素，西门子法破碎带入大量钨钼（W、Mo）等元素，在颗粒硅中含量很低。
从实际使用效果来看，目前颗粒硅的高比例使用不会影响硅片的品质，已有多家厂家尝试过高比例应用颗粒硅拉棒，验证结果显示硅片电学性能并未受到负面影响，但会影响硅片的单产，从而导致长晶成本上升。硅片的非硅成本包括3部分，即拉棒成本、机加工成本和切片成本，应用颗粒硅主要影响拉棒成本。
单晶拉棒是个批次型的冶炼过程，单一批次（炉）时长由坩埚寿命决定，单炉成本主要包括耗材（坩埚、热场）、水电、人工、折旧等，单炉总成本相对固定，可以认为单炉产出与拉棒成本呈反比例关系，通过提高单炉产出可以摊薄拉棒成本。
1）坩埚寿命的延长，从低于200小时到高于400小时；
2）一炉多棒技术，从早期的1炉1根硅棒到现在1炉8-10根硅棒；
3）快速长晶技术，以9英寸硅棒为例，生长速度从几年前1.4mm/min提高到2mm/min以上；
4）大炉台和大热场技术，单晶炉直径从90cm提高到160cm，热场尺寸从22英寸提高到36英寸，硅棒主流规格从9英寸提高至10英寸、12英寸。
在各方进步的推动下，拉棒单炉投料量从2015年的300kg左右提升至现在近3吨，单炉日单产从80kg/天提高到180kg/天，带动硅棒长晶成本从80元/kg降至17元/kg（圆棒）。
此外，棒状硅的产品尺寸主要是70-200mm（占比65%），投料时需破碎至30-50mm，破碎主要靠人力，成本约2元/kg，而且易引入杂质，颗粒硅规避了该项成本和风险。
目前行业内第一梯队的厂家圆棒成本可以做到16-17元/kg，对应方棒成本24-26元/kg，1%的单产即影响0.2-0.3元/kg，对非硅成本影响很小。
3.4.2应用现状：颗粒硅品质改善明显，使用比例快速提升
考虑到两种技术路线的良品率差异，根据大全能源2021年报，公司棒状硅产品中单晶料产出比例达99%以上；根据协鑫科技公告，公司颗粒硅产品中单晶料占比约90%，低于棒状硅。
下游硅片厂对颗粒硅的使用主要考虑2个维度:
一是不能影响硅片品质，从而导致电池性能下降，这主要取决于硅料的金属、碳等杂质含量；二是不能引起非硅成本的下降，这主要是担忧由于氢跳、硅粉等会影响拉晶单产。目前较多硅片厂开始试用颗粒硅。
4.1行业：供需格局一年内逆转，能源价格上涨推高价格中枢
4.1.1需求：平价上网打开需求空间，政治危机加速能源革命
光伏步入平价时代，下游装机需求旺盛。过去光伏行业发展缺乏内生增长动力，主要原因是光伏发电度电成本显著高于其他能源，因此光伏终端装机需求依赖于补贴政策，当补贴退坡速度大于产业链成本下降速度时，例如2018年中国“531”时，需求量就会快速下降。
伴随光伏产业链整体降本增效，光伏发电投资成本逐步下降、经济性逐步提升。同时，2021年中国颁布多项利好政策，包括新能源项目融资优惠、整县推进、沙漠戈壁荒漠地区大型风光基地建设等。
在全球双碳目标的背景下，我们预计2022年中国及全球光伏新增装机分别为77.9GW和230.0GW，2025年分别达130.0GW和421.2GW，CAGR分别为18.6%和22.3%。按照1.2:1容配比、2.8g/W硅耗，假设光伏级多晶硅需求占总需求的95%，计算得22/25年全球多晶硅需求分别为81.3和149.0万吨。
4.1.2供给：行业迎来扩产热潮，未来一年重回过剩时代
硅料的高价格吸引了大量厂家扩产，除了通威股份、协鑫科技、大全能源、新特能源、亚洲硅业、东方希望六大传统巨头外，还有大量新进入者纷纷宣布入局。
据PVTech统计，2021年以来，各厂家规划的产能达到310万吨，其中六大巨头规划的产能只占40%左右，主要新产能来自新进入者。
考虑供需情况，我们预计未来1年内硅料的供需情况将彻底逆转，硅料的定价机制将重新回到边际产能定价时代。
4.1.3定价机制：供给端成本曲线陡峭，过剩阶段由边际产能现金成本定价
根据经济学原理，长期价格会落在成本最高厂商的边际成本处，我们选择以生产成本考量厂商的边际成本，即硅料价格取决于行业的成本曲线，即将各厂商产能按成本由低到高排列。
按照上文测算得，2023年全球多晶硅需求约99.3万吨，对应边际成本最高企业的现金成本约42元/kg，假设折旧约7.5元/kg，我们预计2023年多晶硅行业竞争加剧后价格下限约49.5元/kg。
4.2壁垒利润高：成本应用两端均有优势，碳减排收益空间大
成本优势：颗粒硅生产综合电耗更低，相较改良西门子法节约36KWh/kg-Si，产生超额利润11.15元/kg-Si，占总壁垒利润的64%；另外，颗粒硅生产节约了硅芯、人工、折旧，在内衬和蒸汽成本上稍有增加。
碳减排价值：每生产1千克颗粒硅的碳足迹数值仅为37kg二氧化碳当量，相较西门子法减少44.8kg，目前国内碳价格约60元/吨，欧洲高达50欧元/吨，对应碳减排价值分别为2.7和15.6元/kg。
预计颗粒硅技术扩散期至少3年以上。协鑫科技对颗粒硅技术具有完全自主知识产权，早在2011年初，公司决定启动相较于西门子法更具技术与成本优势的硅烷流化床项目；次年9月30日，公司中试装置调试成功，顺利产出达标硅烷气。
装备和材料国产化，在体系内形成技术闭环，对手不易仿制。工艺难度大，技术参数复杂。硅烷流化床法制取颗粒硅的难点在于制备高纯硅烷和流化床运营，与西门子法路线差异大，现有产能转身难度高；由于竞争对手普遍不看好FBR工艺，过去十年里国内没有其它龙头在该方向有所布局，因此我们判断FBR工艺的扩散期至少在3年以上。
颗粒硅工艺改进不及预期。颗粒硅在突破量产瓶颈后，持续研发改进工艺，致力于提高单晶料占比，从而改善产品结构、提高销售均价。如果颗粒硅工艺改进不及市场预期，其发展速度可能放缓。
出现新的硅料制备技术。光伏产业链的核心是降本增效，硅烷流化床法通过技术变革，获得相较于改良西门子法显著的能耗、成本优势，但其它硅料企业的研发创新可能会削弱这一优势，新的硅料制备技术可能对颗粒硅市占率产生不利影响。
竞争者在颗粒硅技术上也取得突破。目前仅有协鑫科技和REC（及其合资子公司天宏瑞科）掌握颗粒硅量产技术，但有诸多竞争对手正在进行研发，部分已进中试阶段。如果其他硅料厂商在颗粒硅技术上取得突破，可能会影响行业竞争格局。