硅片切割用金刚石线现状及用钢分析

王 可

一、光伏产业概述

自我国提出“双碳”目标以来，可再生能源发展势不可挡，其中太阳能以其清洁、安全、取之不尽、用之不竭等显著优势，已成为发展最快的可再生能源。大力发展光伏产业，对调整能源结构、推进能源生产和消费革命、促进生态文明建设具有重要意义。

经过十几年的发展，光伏产业已成为我国少有的形成国际竞争优势、实现端到端自主可控、并有望率先成为高质量发展典范的战略性新兴产业，也是推动我国能源变革的重要引擎。目前我国已建立起由光伏上游硅材料及设备、中游电池组件到下游发电系统的健全产业链，在制造业规模、产业化技术水平、应用市场拓展、产业体系建设等方面均位居全球前列。

1.光伏产业链

光伏行业产业链上游主要是硅料、硅片等原材料生产；中游主要是电池片、组件、逆变器、汇流箱、光伏支架、线缆、辅材等光伏系统零部件制造；下游主要是太阳能光伏电站建设、运营及维护等光伏电站应用。近20年来，中国企业凭借低成本和规模化优势，在效率驱动型产业逐步占据领先地位，尤其在光伏行业竞争力最为突出。我国已建立起由光伏上游硅材料及设备、中游电池组件到下游发电系统的健全产业链，年产值超5000亿元，占全球70%以上。

截至2020年末，中国多晶硅产能达39.2万吨，全球占比69.0%，连续10年位居全球首位；硅片产能达173.7GW，全球占比93.7%；电池片产能达163.9GW，全球占比77.7%；组件产能151.4GW，全球占比69.2%，连续14年位居全球首位。

2.国内外光伏产业规模

近几年，全球光伏产业呈现爆发性增长，不仅在欧美日等发达地区，中东、南美等地区国家也快速兴起。2020年，全球光伏新增装机达130GW，创历史新高。

光伏发电现已在很多国家成为清洁、低碳、同时具有价格优势的能源形式，光伏发电增量占全球总发电量增量中的比例逐步提高。在多国“碳中和”目标、清洁能源转型及绿色发展的推动下，“十四五”期间，中国光伏行业协会预测全球年均新增光伏装机约210～260GW，我国光伏年均新增装机或将在70～90GW之间。

二、硅片产业现状及发展趋势

1.硅片概述

硅片主要应用于半导体和光伏两大领域，二者差异主要体现在硅片类型、纯度、平整度、光滑度及洁净度等特性上。硅片在集成电路制造和太阳能电池领域均作为基底材料，为满足相应的电学特性，半导体级硅晶圆都是单晶硅，而太阳能电池用的硅晶圆则单晶硅与多晶硅皆有。

光伏用硅片按照材料结构可分为单晶硅片和多晶硅片。硅片企业利用单晶硅生长炉生产单晶硅棒，利用多晶硅铸锭炉生产多晶硅锭，再将其切割成单晶硅片或者多晶硅片，最终用于太阳能电池片及光伏组件生产。

2.硅片产业规模

太阳能光伏发电是中国未来长期的战略性新兴产业.太阳能硅片在整个光伏产业链中是承上启下的关键中间环节。2019年中国硅片产量为134.6GW，2020年中国硅片产量为161.3GW，同比增长19.84%（见图1）。

图1 2015-2020年我国硅片产量 GW

3.硅片发展趋势

单晶硅片近几年逐渐替代多晶硅片，其市场占比由2016年的19.5%提升至2020年的90.2%。单晶硅片各方面性能都优于多晶硅片，但由于多晶硅片技术简单、成本低，我国光伏企业以前以生产制造多晶硅片为主。近几年随着技术进步，单晶硅片成本不断下降，各方面性能更好的单晶硅片则成为市场主流。

2 0 2 0 年，单 晶 硅 片(P 型+N 型)市 场 占 比 为90.2%，其中P型单晶硅片市场占比由2019年的60%增长到86.9%，N型单晶硅片约3.3%。随着下游对单晶产品需求增大，单晶硅片市场占比也将进一步增大，且N型单晶硅片占比将持续提升。多晶硅片的市场份额由2019年的32.5%下降至2020年的9.3%，未来呈逐步下降趋势，但仍会在细分市场保持一定需求量。

三、硅片切割用金刚石线

1.金刚石线概述

金刚石线是电镀金刚石切割线的简称，是把金刚石的微小颗粒固结在切割钢丝上，用电镀的方法在金属线上沉积一层金属镍，用沉积的金属镀层来固结金刚石磨料制成的金刚石线，用于切割玻璃、陶瓷、硅、宝石等硬脆材料。

金刚石线切割作为新的切割技术，具有稳定性强、均匀性好、精度高、强度高等特点，同时具有提高切割出片率、降低硅片损耗、降低污水排放等优点，可以大幅降低硅片生产成本，现已成为硅片切割的主流技术（见表1）。

表1 金刚石线切割与传统砂浆切割对比

金刚石线最早是由日本厂商率先研发并生产的新型切割工具，日本旭金刚石于2007年6月推出了成熟的金刚石线产品。最初，金刚石线应用于玻璃、陶瓷等传统硬脆材料的切割加工，之后引入到单晶、宝石以及光学玻璃等贵重硬脆材料加工上，2007年规模应用于蓝宝石切割，单晶硅切割始于2010年。2015年以前，日本企业在硅切片线(细线)领域拥有领先的技术优势，国内对金刚石线的需求基本依靠进口。

国内单晶硅切割应用金刚石线的先驱是天津中环公司，最早真正实现规模化产业化的是隆基股份。2012年隆基股份就在全行业率先完成了直径为130μm金刚石线切割硅片的试验，并通过不断地技术创新和设备改造，于2013年率先实现了单晶硅片用金刚石线切割的产业化。

目前，国内企业依靠技术创新快速实现行业领先，在产品质量性能及价格方面均占有优势，推动了我国光伏行业的降本增效和快速发展。

2.金刚石线发展趋势

太阳能硅片切割已经全面步入金刚石线割切时代，随着光伏行业的爆发式增长，金刚石线的市场需求也在呈现快速增长态势。国内众多金刚石线制造企业已经打破了国外企业在这一领域的垄断，无论是产能规模、技术水平还是产品质量正在逐步领跑整个行业，极大地推动了行业整体技术水平的进步和产品质量的提升。

展望未来，光伏硅生产企业为进一步降低生产过程中的非硅成本，追求光伏发电的平价上网，就需要硅片不断减薄，降低切割损耗，更多出片，更少线损。提升光伏硅片行业的产能，降低总的切割成本，改进总的厚度偏差，减少翘曲度，确保切割表面更加平整及良好的切割精度，环境友好等都是金刚石线生产企业需要解决的重大技术问题。

目前，金刚石线行业正朝着“五化”方向发展，即：“细线化”、“省线化”、“快切化”、“低TTV(薄片)化”、“切割高稳定化”，进一步提升金刚石线的质量、成本节约和使用效率。见表2。

表2 金刚石线“五化”技术路线

3.金刚石线用钢

金刚石线用钢集中在金刚石线母线。金刚石线母线是用于生产金刚石线的钢丝，作为固结金刚石的基体。金刚石线母线以高碳钢丝为主，其表面质量及性能直接影响金刚石线成品质量。母线是由专业的拉丝厂商将盘条拉制成黄丝，再进一步拉制成微米级的钢丝（见图2）。

图2 钢丝的质量要求

由于用于生产微米级钢丝的盘条质量要求较高，2018年以前，国内所有金刚石线厂家的母线上游原材料盘条均来自于日本企业。目前，国内金刚石线企业通过与国外企业合作研发，打破了上游原料只能由日本厂商供应的局面，成功实现部分替代。

随着技术不断进步，2021年主流的金刚石线母线直径已降低至45μm，且呈不断下降趋势，但降幅趋缓（见图3）。金刚石线母线直径及研磨介质粒度同硅片切割质量、切削损耗量相关，较小的线径和介质粒度有利于降低切削损耗和生产成本，因此金刚石线朝着细线化方向发展。随着线径越来越细，对钢丝的力学性能也相应提出了巨大挑战，上游钢厂能否供应合格性能的盘条至关重要。

图3 2016-2025年金刚石线母线直径变化趋势 μm

4.金刚石线用钢测算

金刚石线作为切割硅片的主要耗材，其需求量取决于硅片产量。2020年全国硅片产量约为161.3GW，全球产量167.7GW，中国占全球硅片产量96.2%，可以判断金刚石线需求主要集中在中国。

4.1 未来五年硅片产量预测

硅片产量主要由多晶硅产量、硅片产能和光伏装机量三方面决定，其中多晶硅产量和硅片产能伴随着光伏行业景气度不断提高、产能不断扩充，完全可以满足硅片生产需求，因此硅片产量主要由光伏装机容量决定。

通过近几年数据可以看出，硅片年产量比光伏装机量多10%～20%，这是由于硅片需先加工成电池片，再并联封装后形成组件，最后装机，这一过程中，一是会造成硅片损耗；二是装机相对硅片生产有所滞后，导致每年硅片产量大于光伏装机量。因此判断硅片年产量比光伏装机量多10%～20%较为合理（见表4）。基于中国光伏业协会2021年最新预测数据，推断出未来五年硅片年产量（见表3）。

表3 2017-2020年全球光伏年装机量和硅片产量 GW

4.2 未来五年金刚石线需求预测

测算方式一：据中国某企业2020年报公布的数据测算，其2020年金刚石线销量2484万千米，全球市占率约60%，则2020年全球金刚石线销量在4140万千米左右，2020年全球硅片产量167.7GW，推算出1MW硅片需要金刚石线246.8千米。

测算方式二：硅片市场占比为单晶硅片90%、多晶硅片10%，根据行业经验，每片4.5W单晶硅切割需耗用金刚石线约1米，每片4.5W多晶硅切割需耗用金刚石线约1.6米，则单片硅片平均耗用金刚石线1.06米，可推算出1MW硅片需要236千米金刚石线。

两种测算方式差别不大，可判断生产1GW硅片需要约24千米金刚石线。若未来五年硅片切割技术不产生重大突破，金刚石线需求也将加大（见表4）。

表4 2021-2025年全球光伏金刚石线需求预测 万千米

4.3 未来五年金刚石线用钢需求预测

金刚石线母线是由专业的拉丝厂商将盘条拉制成黄丝，再进一步拉制成微米级的钢丝。通过对比金刚石线上市公司招股书和年报可知，绝大部分公司母线都是通过购买所得，没有用钢量相关资料。仅有某股份公司通过购买黄丝再拉制成母线，因此用钢量可根据该股份公司公开的数据进行测算。

2019年该公司单吨黄丝可拉拔55μm母线37717千米，可推算生产1万千米金刚石线需黄线0.265吨。考虑到盘条拉制成黄丝损耗比例在30%左右，则推算出1万千米需0.379吨盘条。

更细的线径意味着更小的切割损耗，随着近几年金刚石线技术不断进步，金刚石线母线越来越细，预计到2025年主流线径将降低至40μm。母线直径越细，拉拔过程中钢材损耗越大，预计直径45μm母线损耗比例将较直径55μm母线提升30%。未来五年母线直径越来越细，但总体变化不大。由于技术进步，因此判断每年损耗比例较直径55μm母线能够保持在30%左右（见表5）。若未来五年金刚石线切割技术不产生重大突破，则金刚石线用钢需求也将增长（见表6）。

表5 2021-2025年万千米金刚石线耗钢量趋势 吨

表6 2021-2025年全球光伏金刚石线用钢需求预测 吨

4.4 金刚石线用钢测算结论

通过对国内金刚石线生产龙头企业研究，再结合文献调研，可以初步得出以下结论：

（1）按乐观预测，金刚石线用钢量将由2021年的1600吨左右提升到2025年2500吨左右。

（2）由于更细的线径意味着更低的切割损耗，金刚石线将朝着细线化方向发展，线径越细对钢丝的力学性能要求越高，对钢厂生产出的盘条质量要求越高。目前国内钢厂生产的盘条离金刚石线生产厂家要求还有一定差距。

（3）随着光伏景气度不断提高，虽然金刚石线需求将不断攀升，但由于线径越来越细，因此用钢量需求将低于光伏装机容量增长速度。

四、结语

近几年我国光伏产业实现快速发展，已成为在国际竞争中取得领先优势的产业之一，在制造业规模、产业化技术水平、应用市场拓展、产业体系建设等方面均位居全球前列。截至2020年末，中国多晶硅产能达39.2万吨，全球占比69.0%，连续10年位居全球首位；硅片产能达173.7GW，全球占比93.7%；电池片产能达163.9GW，全球占比77.7%；组件产能151.4GW，全球占比69.2%，连续14年位居全球首位。我国是世界最大的硅片生产国，也是硅片切割用金刚石线最大的消费国。乐观预计，到2025年金刚石线用钢量将从2021年的约1600吨增加至约2500吨。

细线化、省线化、快切化、低TTV(薄片)化、切割高稳定化是金刚石线的发展方向。我国是世界最大的金刚石线生产国，但金刚石母线用盘条还有相当一部分依靠进口。