光伏系列报告:金刚线切割快速普及,显著降低光伏发电成本
2019-12-02 14:28:35
电新产业研究
作者:游家训团队

金刚线由于其极其明显的成本、效率、环保优势,自从金刚线国产化以来,在光伏硅片制造领域就体现出了碾压式的优势,并以这样一个细分产业,为光伏发电成本的下降做出了突出贡献。2015年率先在单晶领域使用并带来了显著的成本下降,后续单晶金刚线切片可能进一步细线化。近一年多来,多晶硅片企业也成功导入金刚线切割并开始规模推广。光伏对金刚线切片需求在2017-2018年处于高增长期,但金刚线企业也在快速扩产,预计将很快供需平衡。未来,单、多晶的竞争重心,可能从硅片逐步走向电池片环节。

摘要

1.金刚线在光伏硅片切割中,较传统的砂浆切割体现出碾压式优势:金刚线切割能够数倍的提高切割速度、比较显著的减低耗硅量,且生产过程更加环保,自从近几年光伏硅片切片用的金刚线国产化以来,就体现出了极显著的优势。

2. 单晶硅片领域率先普及金刚线切片,通过细线化等改进还能继续降成本。单晶行业2014年左右率先在切片等环节成功导入金刚线切割,进而实现了成本的快速下降,目前,主要单晶企业已基本普及了金刚线切割,随着未来细线化、省线化、快切化等技术改进,单晶硅片成本还有望有所下降。

3.多晶硅片领域的金刚线切割+黑硅组合正在快速推广。过去金刚石线切割多晶硅片面临断线风险和制绒困难两大问题,近几年,主要的多晶硅企业通过金刚线+黑硅等组合技术成功解决了两大难题。目前,多晶硅行业正在规模推广金刚线切割技术,预计有望在2018年基本完成金刚线切割的普及,在显著降低多晶硅成本的同时,也将造成金刚线需求的集中涌现。

4.金刚线生产企业快速扩产,预计将很快实现供需平衡。金刚线需求随着其在多晶领域的快速推广以及单晶行业的增长而高速增长,但近几年金刚线供应商均在大幅扩产,预计2018年金刚线供需将从供不应求转向供需平衡,金刚线企业将很快从总量竞赛走向品质竞争。

5.单多晶竞争的重心可能从硅片走向电池环节。单、多晶硅片先后应用金刚线,成本都实现了比较显著的下降,预计后续单晶与多晶的竞争,可能会更多的在电池片、组件等领域展开。

风险提示:金刚线行业提前价格战,光伏装机量增长或不及预期,海外贸易保护政策影响全球光伏市场。


一、金刚线在光伏硅片制中具有巨大优势

1.1 金刚线产业介绍

金刚线即金刚石切割线,是通过一定的方法,将金刚石微粉颗粒以一定的分布密度均匀的固着在高强度钢线基体上制成,通过金刚石线切割机,金刚石切割线与物件间形成高速的磨削运动,从而实现切割的目的。金刚线相较于传统的游离磨料式切割方式,金刚石线切割具有环保、高效、稳定、经济等诸多优势。

金刚石线主要用于太阳能光伏用晶硅片、LED 用蓝宝石衬底片等的切割。金刚线规模应用于蓝宝石切割始于2007 年,而应用于晶体硅片的切割2010 年才刚刚开始。从目前金刚石线需求最大的两大下游行业分析,蓝宝石切割与晶体硅切割对金刚石线的技术规格要求不尽相同。


 


2. 金刚线切割较传统砂浆切割体现出碾压式优势

光伏制造的切割应用情况。光伏产业链主要包括晶体硅材料制备、晶硅片生产、太阳能电池制造、组件及系统封装与应用四个环节。其中:第二环节晶硅片生产,晶硅片切割是光伏产业链中的重要生产环节。

晶硅片约占太阳能电池组件生产成本的40%,晶硅片切割设备是太阳能电池晶硅片生产的通用设备,其质量是影响切割工艺的重要因素。其中:硅开方和硅片切割约占太阳能电池组件生产成本的10%-15%,可见,晶体硅原料的利用率及加工成本在很大程度上影响了光伏的全系统成本,降低晶硅片的切割成本是降低晶硅片成本的关键点之一。


金刚线体现出了巨大的优势:在电镀金刚石线切割工艺出现以前,绝大部分单晶硅和多晶硅厂商均采用砂浆切割,随着金刚线进一步国产化,从2014年开始,金刚线切割开始逐步被引入到光伏硅片制造环节。

在晶体硅材料切割加工过程中,砂浆钢线切割是将碳化硅磨料加入到金属线和加工件之间产生切削作用,即边切割边向金属线送带有碳化硅磨料的浆液,存在切割效率低、锯口损耗大、表面粗糙度和面型精度难以控制、砂浆污染环境和回收困难等缺点。相比之下,金刚线具有巨大的优势。

首先,金刚线切割较之砂浆切割,单位产能耗硅量大幅减少。使用金刚线切片技术后,首先能够带来的是单位产能耗硅量的减少,从而较大程度地减少了硅片的硅成本和折旧等,这也是金刚线切片代替砂浆切片最重要的驱动因素。耗硅量的减少主要由两个方面的原因带来:刀缝损失的减少和硅片薄片化趋势。

砂浆切片带来的硅材料的损失主要由钢线的直径、碳化硅砂浆构成,砂浆切割所使用的钢线线径目前一般在110μm 左右,加上碳化硅砂浆带来的磨损60μm,整体的刀缝损失在170μm 左右。而金刚线目前的主流线径在70μm,而且已经有60μm 的金刚线实现在量产中的使用。整体的刀缝损失可以做到90μm。相比砂浆切片,金刚线切片的刀缝损失降低了47%。按硅片厚度180μm、装载量650mm 计算,使用砂浆切片的话单次理论出片数为1,767 片,而采用金刚线切片后单次出片数提到2,287 片以上。

同时,电池技术的发展,拓展了更薄的硅片的应用空间。目前砂浆切割的硅片主流厚度是180μm,最薄一般也只能做到160μm,并且会带来良率下降等问题。采用金刚线切硅片目前可以做到140μm 甚至更低,从而可以进一步摊薄硅片的硅成本和折旧。


其次,金刚线切割提升了硅片产能,从而摊薄切片的折旧、电费和人工成本,带来硅片非硅成本的快速下降。产能提升由两个因素带来:单次切割的出片数量的增加和单次切割耗时的缩短。砂浆切片机的线网速度为580-900m/min,而金刚线切片机的线网速度可以达到1000-1500m/min,是传统的砂浆切片机的两三倍。以多晶切片为例,单刀次时间从9-11 小时可以降至2.5 小时,大大提升了切片的效率。单台砂浆切片机(多晶)年产能为7MW 左右,而金刚线切片机(多晶)的产能可以达到29MW。从目前的技术发展阶段来看,砂浆切割的非硅成本约为1.5 元/片,而从行业来看金刚线切割的非硅成本目前在0.8 元/片水平,未来还有望进一步大幅下降。

最后,金刚线切割较之砂浆切割,还带来了辅材成本的减少。砂浆切片的辅材主要有钢线、碳化硅和PEG 悬浮液,目前价格较为稳定。而金刚线切割的辅材有金刚线和冷却液,其中金刚线成本占比更大。得益于近年来国产化替代进口,金刚石线的价格迅速下降。未来随着金刚线国产化趋势的增强,金刚石线的切割成本还将进一步降低。


 


 


 


二、单晶产业率先普及金刚线切割,多晶硅片金刚线切割当前正在加速推广

1、单晶硅片制造率先普及了金刚线切割,显著降低了成本

单晶行业率先推广金刚线切割。单晶硅因晶粒一致性更好使其具有较好的力学性质、电学性质,单晶硅棒的原料纯度要求更高,材料的物理特性也更好,因此更有利于切割薄硅片。从2014 年开始,单晶硅龙头企业隆基股份开始加速推广金刚线切片技术(其投资的“银川隆基年产2GW 切片建设项目”已全部采用金刚线切片工艺)。2014-2015 年间,其他单晶硅大型厂商如日本东洋、中环股份、卡姆丹克、台湾友达也开始金刚石线切单晶硅片的规模应用,正式开启了光伏太阳能行业对金刚石线巨大需求的新纪元。

目前,单晶硅片行业已普遍采用金刚石线切单晶硅,完成了切割工艺从游离式砂浆切割向金刚石线切割的转变(部分企业选择应用电镀金刚线切割前,还过渡性试验了树脂金刚石线切割工艺,但由于树脂金刚石线不具有成本及效率优势,最终单晶硅厂商在克服各种技术障碍后,全面转向电镀金刚线切割工艺)。

应用金刚线切割后,显著降低了成本。在单晶硅片采用金刚线切割之前,单、多晶硅硅片成本差别接近20-30%,在2015-2016年单晶硅片普及金刚线切割以后,单多晶成本差别迅速缩减,进而推动了单晶硅片的渗透率快速提高。


 


细线化、低TTV化可以进一步降低单晶切片的成本。金刚线使用中,金刚线的线径大小、切割速度、金刚线消耗量、TTV情况是主要影响要素。目前,单晶硅片切割已基本普通,后续继续降低切片成本的主要影响可能在于进一步细线化、快切化、省线化,由于单晶更好的物理性能,线径有希望从目前65-70um的主流情况降低到55um左右(每降低10um有希望降低3%的硅成本)。


2、黑硅+金刚线切割组合,在多晶硅片制造中进入规模推广时期

多晶的金刚线应用存在2大难点。相比之下,金刚线在多晶领域的应用没有那么顺利,因为金刚石线切割多晶硅片会面临断线风险和制绒困难两大问题:1)、铸锭晶体中存在的硬点可能会在切割过程中造成断线;2)、金刚石线固结切割方式导致切割后的硅片表面损伤程度较浅、表面划痕密,从而导致了更高的反射率损伤层浅,沿用现行酸性湿法制绒后依然存在较高的反射率,制成电池后效率比砂浆切割硅片低了将近0.4 个百分点。

金刚线+黑硅的组合技术能基本解决这一问题。近几年,主要多晶硅企业开始探索解决的办法,一种比较受认可的途径是,在多晶硅电池片环节采用黑硅技术。黑硅在常规的酸制绒后,又增加的一道工艺,从而解决了金刚线切多晶硅片的反射率过高问题,还能附带一定电池效率的提升(转换效率能提高0.4-0.6个百分点)。

目前,比较成熟的黑硅技术技术路线主要有干法(RIE)和湿法(MCCE)两种。干法黑硅技术相比而言效果更好,但由于需要新增设备和工序,成本高昂;而湿法黑硅(及其改进的混合路线)技术不需新增设备,只需在原有设备进行一些改动、添加一些化学试剂,前期投入很少,但同时也带来了环评等后期投入,稳定性略逊于干法黑硅技术。

主要多晶硅企业开始大规模推广金刚线+黑硅技术推广,预计2018年将基本完成对砂浆切割的替换。但无论如何,在多晶硅行业技术升级和成本下降的巨大压力推动下,金刚线切割技术通过叠加黑硅技术在多晶领域已经开始获得规模化应用。考虑到原有砂浆切割资产投入较大,而金刚线改造成本较低,大部分多晶硅企业可能采用对原有设备进行改进的方式。

2016-2017年,主要的多晶硅企业,纷纷开始推广金刚线+黑硅技术,预计到2018年,主要的多晶硅企业,将基本完成金刚线技术对砂浆切割的替换。


 


 


三、金刚线制造大幅扩产,竞争将很快从总量走向质量

1、金刚线需求将在2017-2018年集中涌现

全球光伏市场规模持续保持增长。全球太阳能光伏产业在 2013 年逐渐走出低谷,市场规模进一步扩大。根据中国光伏行业协会发布《2016 年中国光伏产业发展形势展望》,2015 年,全球光伏市场强劲增长,新增装机容量预计将超过50GW,同比增长16.3%,累计装机容量超过230GW。2015 年我国新增装机容量15.13GW,与2014 年指标相比,增长了42.73%,继续位居全球首位。

与此同时,中国光伏产业在经历了 2011 年的低谷后走上新一轮增长周期。据国家能源局统计,截止2015年底,我国光伏发电累计装机容量43.18GW,与2014 年同类指标相比增长53.94%;截至2016 年底,我国光伏发电新增装机容量3454 万千瓦,累计装机容量7742 万千瓦,新增和累计装机容量均为全球第一。2017年,由于补贴退坡引发的抢装、扶贫项目于分布式快速发展,预计2017年国内新增装机将超过47GW。

多晶硅金刚线切割正在推广时期,需求集中涌现。由于金刚线+黑硅技术的成功应用,多晶硅的金刚线切割从2017年开始进入快速推广时期,预计2017-2018年,大部分多晶硅企业将完成金刚线切割的普及,从而带来切片环节的金刚线需求集中涌现,预计全球单晶、多晶硅片切片环节的金刚线市场需求在2018年可能达到2600万公里以上,对应市场容量将超过50亿元。


 


蓝宝石的市场平稳增长,金刚线需求也有望平稳增长。2016 年,大约有 80%的蓝宝石用于 LED衬底材料,其余 20%的蓝宝石用于非衬底材料。近几年,随着 LED产品价格下跌以及政策扶持,LED照明市场的渗透率持续提升,2015年 LED照明产品国内市场份额达到 32%,比 2014年上升约 15个百分点。2015年LED用蓝宝石量上升了 16%, 2015-2020年间,LED用蓝宝石晶片的增长率可达到约28%。因蓝宝石材料的硬度较大,传统砂浆线及金刚石结合力较弱的树脂金刚线都难以有效完成蓝宝石的切割,电镀金刚线基本已完全替代传统砂浆线。根据经验值,电镀金刚线市场与下游蓝宝石片耗用量直接相关,切割一片2英寸的蓝宝石片需要耗用电镀金刚线 2米。经中国产业信息网测算,2013-2016 年下游蓝宝石行业对金刚石线的市场容量分别为31,222.80 万米,44,196.50 万米、55,635.45 万米、55,635.45万米,呈现稳步增长态势。

2、金刚线供给快速增加,2018年金刚线总体供需将趋平衡

参与企业较多。目前国内外生产电镀金刚线产品的企业主要有美畅新材、岱勒新材、浙江东尼、瑞翌新材、开封恒锐新、恒星科技、青岛高测、江苏亿荣、贝卡尔特、盛利维尔、旭金刚、中村超硬、Read、DMT等。

主要企业快速扩产中,预计2018年供需将很快平衡甚至趋于过剩。金刚线生产企业的资产比较轻,扩张需要的资本开支并不太大,主要的金刚线企业毛利率均在40-60%。随着近几年需求的持续高增长,国内主要的金刚线企业均已开始快速扩产。并且,其中的岱勒新材、三超新材、东尼电子均已上市,后续资本开支能力会更强。

从过去几年来看,主要金刚线企业的产能利用率非常高,在2017年甚至出现了供应紧张、“一线难求”的情况,但预计到2018年,金刚线行业总体供给可能开始平衡甚至略有过剩,企业竞争可能体现为品质的竞争。


 


 


3、行业走向品质竞争,细线化、快切化仍将是主要方向

短期发展方向可能先以细线化、快切化为主。预计后续细线化、快切化会是主要方向,省线化、低TTV化会也会逐步优化。其中,细线化在单晶切片中改进的空间还比较大,省线化、快切化都还有一定改进空间,而低TTV在薄片中也有比较大的意义。


 


 


电镀金刚线可能在更多场合替代树脂金刚线:电镀金刚石线和树脂金刚石线均可以用于硅片切割。在切割工艺升级初期,电镀金刚线售价高企,但树脂金刚线单片耗线量高、

切割效率较低,电镀金刚线国产化以后,硅片企业全面转向电镀金刚线切割工艺。在金刚石线细化发展的趋势下,电镀金刚石线更具优势。


四、单、多晶竞争的重心,可能从硅片走向电池片环节

金刚线应用显著降低单晶、多晶硅片环节成本。单晶硅片切割在2015-2016成功导入金刚线以后,单晶硅片成本获得了显著降低,也对多晶硅片产业形成了较大的挤压。

而在2016年开始,多晶硅片主要企业采用金刚线+黑硅电池技术成功解决之前多晶金刚线切割遇到的技术问题,多晶硅片主要企业在2017年也开始大力推动金刚线切片,并有望在2018年季报完成普及,因此,预计主要多晶硅片企业有望在2017下半年到2018年将获得一定程度的成本下降(预计硅片成本下降幅度达到10-15%)。

总来看,金刚线作为一个并不太大的产业,却对硅片环节成本下降的做出了极其突出的贡献。后续,单晶硅片在切割环节还可以通过进一步细线化、快切化等方式继续降低成本,但是其改进幅度,较刚进入金刚线切割时的幅度可能是相对比较有限的。

单、多晶产业的竞争重心,可能走向电池、组件领域。就终端客户而言,单多晶的差异最终反映在各自制成的组件上,各自的成本、发电效率对比下来的综合度电成本,是主导准绳。

“降低成本、提高转化效率”,是光伏制造行业的永恒主线。从目前组件各个环节的成本构成来看,电池的加工、组件封装可能都还有比较大的成本下降空间。从目前PERC、N型、黑硅等电池技术应用尝试来看,PERC已经趋于稳定,2017年相当数量的企业已经开始采用,且其转化效率一直在刷新纪录(目前已经有企业实验室转化率达到了23.26%)。我们预计,电池片等领域的技术进步,很有可能带来发电成本的显著下降。


 


风险提示

1、 金刚线行业提前价格战。

2、 光伏装机量增长或不及预期。

3、 海外贸易保护政策影响全球光伏市场。


 

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