本文来自光大期货，作者光期有色研究团队

一、工业硅——新兴产业之源

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1：工业硅产业链概况

图表2：硅石工业特点及应用特点

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3：工业硅生产工艺流程

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%。

图表4：工业硅牌号

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

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

图表7：半导体生产工艺流程

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

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

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。

图表10：2020年国内工业硅前10大供应企业市场分布