2014年中国单晶硅生长炉产业竞争格局及产品发展趋势展望

单晶硅生长炉游志高 2014-06-16 08:22 来源：智研咨询

目前国内外用于太阳能级单晶硅生长的设备主要是单晶硅生长炉。当前制备单晶硅主要有两种技术，根据晶体生长方式不同，可分为悬浮区熔法（FZ法）和直拉法（CZ法）。这两种方法制备的单晶硅具有不同的特性和不同的器件应用领域。区熔法主要应用于大功率器件方面，只占国际市场的约10%；而直拉法主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方面，是制备单晶硅锭的主体，其生产的单晶所占份额超过80%。

智研咨询发布的《2013-2018年中国太阳能光伏设备产业深度研究及投资前景评估报告》指出目前，我国太阳能电池单晶硅锭生产厂家绝大部分采用直拉法。90%以上的太阳能级单晶硅通过该种方法进行生产。直拉法的原理是利用旋转的籽晶从熔硅中提拉制备单晶硅。单晶硅生长炉一般可分为炉体、晶体、气氛及炉压控制、电气系统和热场五部分组成。直拉法生长单晶硅的制备步骤一般包括：多晶硅的装料和熔化、引晶、缩颈、放肩、等颈和收尾。

区熔法——FZ法

区熔法（FZ法）是先利用线圈将原料硅棒局部加热熔化，熔区因受到磁托浮力而处于悬浮态，然后从熔区下方利用旋转着的籽晶将熔硅拉制成单晶硅。此法由于生长过程中熔区始终处于悬浮状态，不与任何物质接触，生长过程中的杂质分凝效应和蒸发效应显著等原因，因此产品纯度高，各项性能好。

区熔法相对于直拉法而言，可以生产出高质量的高纯度单晶，但其对原料、设备和技术的要求较为苛刻。此外，FZ法对于多晶硅原料的尺寸要求较高，其生产的晶体尺寸也较小，导致其生产成本较高。目前主要应用于对硅片有较高要求的集成电路，整流器和探测器等，较少用于光伏领域。

直拉法与区熔法比较

	直拉法（CZ）	区熔法（FZ）
直径	可达18英寸	可达8英寸
原料要求	要求不高，可以块状	需要外径较好的多晶棒
纯度	氧、碳含量较高	纯度较高
生产成本	低	高
主要用途	光伏产业	集成电路，整流器等

资料来源：智研咨询整理

直拉法——CZ法

衡量CZ法单晶硅生长炉技术水平的重要指标主要有晶棒尺寸、投料量、自动化程度和单晶硅棒成品品质等，其中，投料量和尺寸是主要的衡量标准。一般而言，投料量和晶棒尺寸越大，生产的成本也就越低，技术难度也越大。目前国内市场单晶硅生长炉的投料量一般在60~150kg，尺寸一般在6~8英寸。当前只有少量几家公司能够生产150kg和8英寸以上的单晶硅生长炉。

国内外主要单晶硅炉生产厂商的先进产品

	厂商	型号	投料量	尺寸	研发阶段
国外	德国PVA TePla AG公司	EKZ3500	200kg	12英寸	量产
	美国Kayex公司	Vision300	300kg	12~16英寸	量产
	日本Ferrotec 公司	FT-CZ2408BZ	150kg	8英寸	量产
国内	晶盛电机	TDR130A-ZJS	300kg	12~16英寸	小批量生产和销售
	晶盛电机	γ商业机型		18英寸	研发验收
	京运通	JD-1100	最大170kg	≤10英寸	研发升级
	天龙光电	DRF-95B	120~150kg	8~10英寸	量产
	七星电子	HG9001	90kg	6~8英寸	量产

资料来源：智研咨询整理

可以看出，国内厂商的设备水平已经接近甚至赶超了国外厂商的先进水平，这对于提升国内厂商产品的竞争力有极大的好处。但是目前很多国内厂商的先进设备尚处于试验阶段，尚需一定的时间进行量产准备。未来国内先进设备的投产状况如何，是需要关注的一个市场动向。

值得一提的是2013年8月，大连连城数控机器股份有限公司（以下简称连城机器）发布公告称，其已经收购了美国Kayex公司和其在全球的业务，以及单晶硅生长炉设备的全部核心技术。大连连城数控机器股份有限公司目前主要生产硅料切方、切断、切片等多种型号多线切割设备，而美国Kayex公司在被收购前为美国500强企业——SPX公司的合作子公司，是目前全球领先的直拉法单晶硅生长炉设备供应商。连城机械在收购Kayex之后，宣布生长炉将在中国大连的连城机器工厂完成装配组装，同时将从美国罗切斯特派遣经验丰富的技术人员，参与单晶生长炉的设计，安装，调试的全部过程。目前连城机器尚未公布其单晶硅生产炉项目投产情况，根据此前其他公司的相关项目达产时间预计其投产尚需一段时间，目前暂时不会对现有国内的单晶炉市场造成大的冲击。但随着Kayex先进技术的引入，长期来看，国内单晶硅制造商的市场将会受到冲击，这也将驱使目前主要的单晶炉生产商加快技术升级。未来国内单晶硅厂商的技术升级值得期待。

现有单晶硅炉建造项目预计达产时间

公司	项目	预计达产时间
晶盛机电	年产400 台全自动单晶硅生长炉扩建项目	2年
天龙光电	年产1200台单晶硅生长炉建设项目	3年
京运通	大尺寸单晶硅生长炉项目	4年

资料来源：智研咨询整理

随着单晶硅太阳能电池需求的不断增加，市场竞争也日趋激烈，目前技术上一般从降低成本和提高光电转换效率两个方面入手，为了降低成本，必须扩大晶体直径，加大投料量和提高拉速；为了提高光电转换效率，需降低晶体中氧、碳含量和提高其分布的均匀性。因此，对单晶硅的生产和研究提出了新的要求，即向硅单晶大直径化、高完整性、高纯度、高均匀性方向发展。目前主要改进的方向主要有热场控制、磁场控制（MCZ法）、氧浓度控制和提高自动化控制水平等。其中磁场控制法即MCZ法目前应用较多，MCZ法就是通过对熔体施加磁场，提高晶体的纯度和均匀度。

CFZ法

CFZ法生长单晶硅的原理是利用直拉法将块状多晶制备成区熔设备能使用的直拉多晶棒（掺杂或不掺杂）, 然后使用区熔法脱出多晶棒中的高氧含量并制备成区熔单晶。CFZ法既生产出了传统区熔难于生产的掺固态元素单晶硅，又大幅度降低了普通区熔常规单晶的成本。

目前国内开始有厂商将区熔法（FZ法）与直拉法（CZ法）进行结合的CFZ法应用于太阳能级晶硅生长设备中。2014年3月19日，晶盛机电在上海新国际博览中心“Semicon China2014”展会上发布其“基于CFZ 技术的高效单晶生长设备”。据该公司消息，该设备利用直拉法将块状（或颗粒）多晶硅制备成直拉多晶硅棒，可供区熔炉生长成区熔硅单晶棒。其专用直拉炉的晶体平均拉速可达1.8mm/min，比常规炉的拉速提高35%，生产成本降低40%以上。同时，该公司成功研制的国产化定制区熔炉，可生产出高品质的单晶，预计电池光电转化率在24%~26%，已接近于30%的理论极限值，光伏组件效率有望达到20%以上，领先于目前绝大多数商业化单晶硅光伏组件。

目前使用CFZ 单晶综合生产成本比常规直拉法单晶要高。如果在未来能够进一步提升技术，降低成本，那么在未来的太阳能级单晶硅生长炉市场，CFZ法可能成为下一个主流的生产技术。

目前较高转换效率的商业化单晶硅组件

公司	产品型号	最高转换效率
SunPower	E20/333 SOLAR PANEL	20.40%
三洋电机	HIT-N240SE10	19.00%
晶澳太阳能	JAM5系列	17.23%
英利	PANDA系列	17.1%