光伏产业链及金刚石线的应用

光伏产业链及金刚石线的应用 一、 光伏产业链及金刚石线的应用 光伏产业链主要包括硅料、硅片、电池片、组件以及光伏系统应用产品等五个环节。其中，上游主要包括高纯多晶硅料的生产、多晶硅铸锭/单晶硅拉棒及切片；中游为电池片、组件的生产；下游为集中式/分布式光伏电站的建造与运营。 硅片环节的生产流程为晶硅拉棒/铸锭→开方、截断→磨面倒角→粘棒→切片→硅片脱胶→硅片清洗→检验分选→成品包装，其中拉棒/铸锭、切片是主要工序。作为硅片生产的重要切割耗材，金刚石线主要应用于晶硅的开方、截断、切片。 二、 金刚线行业下游发展概况 作为金刚线的主要下游，光伏需求高增叠加硅片环节加速扩产为金刚线行业带来巨大市场空间。根据观研报告网发布的《中国金刚线行业发展现状调研与未来投资分析报告（2023-2030年）》显示，2020年全球金刚线需求量达5595万公里，金刚线产值达26．66亿元。硅片细线化、大尺寸、薄片化发展趋势确定，有望带动线耗不断提升。预计2025年全球金刚线需求量达18010万公里，金刚线产值达48．52亿元。 金刚线制造与应用最早起源于美、日等发达国家。从早期全球范围来看，日本和美国的金刚线供应商具有国际竞争优势。日本旭金刚石工业株式会社（Asahi）、日本联合材料株式会社（ALMT）、美国DMT等国际知名企业在金刚线制造领域处于世界领先地位。2015年以来，中国企业生产规模及生产效率逐渐提高，生产成本逐渐下降，实现了反超。目前美畅股份、高测股份、恒星科技、三超新材、岱勒新材等中国企业已占据绝大部分市场份额。其中美畅股份金刚线出货量遥遥领先，2021年达4540．82万公里，行业呈现一超多强竞争格局。 三、 全球金刚石线行业概况 全球能源结构的转型持续推动光伏行业市场需求的增长，进而带动金刚线行业的发展。金刚线，按应用领域分，包括面向半导体行业、蓝宝石行业、磁性材料行业应用的金刚线，切割对象分别为半导体硅片、蓝宝石材料及磁性材料。目前业界存在两种不同类型的金刚线树脂金刚线和电镀金刚线。 金刚线采用如电镀或树脂等特殊技术手段，将坚硬的金刚石均匀的固定在钢线上，利用镶嵌有金刚石的钢线和待切割材料之间的相互摩擦作用对硬脆材料进行切割。相对于传统砂浆切割，具有切割速度快、切片品质高、切割损耗小、切割液更环保等优点。 四、 金刚石线行业市场现状分析 随着电镀金刚石线的制造成品的降低和规模化效应的显现，树脂金刚石线的成本优势也将不复存在。特别是MCCE技术（金属催化化学腐蚀法，即湿法黑硅技术）成功解决了多晶电池表面反射率高的难题，为电镀金刚石线在多晶切片领域大面积推广铺平了道路。 金刚线把金刚石的微小颗粒固结在切割钢线上制成的切割线，使用时将金刚线安装于切割机上，启动切割机使金刚线高速转动，固结于其上的金刚石颗粒进行切割，用于硅棒截断、硅锭开方及硅片切割，其切割性能直接影响硅片质量及组件光电转换性能。据统计，金刚线占单晶硅片的成本比重仅1%，占非硅成本仅6．51%。 目前金刚线的母线材料为高碳钢，高碳钢丝线径进一步降低可能出现力学性能不足的等问题，实验室证实钨丝线径可以更细、承受更大拉力，是未来金刚线母线材料可能的发展方向之一。531新政后，光伏行业降本增效动力更强，单晶PERC电池转换效率不断提高，金刚线细线化持续推进，单晶较多晶的优势进一步拉大，单晶组件在终端占比不断提升，2020年基本完成对多晶的替代。从发展历史来看，金刚线对切片的降本优势，拉开了单晶替代多晶的序幕，助推光伏行业技术迭代。 2021年以来，随着硅料价格不断上涨，光伏硅片、电池片、组件等下游环节硅成本压力持续增加，迫使下游各环节进一步降本。在此背景下，硅片薄片化与金刚线细线化加速推进。 金刚线直径及微粉粒度同硅片切割质量及切削损耗量相关，较小的线径和微粉粒度有利于降低切削损耗和生产成本，符合硅片生产环节大尺寸及薄片化的发展趋势。目前受材料特性限制，碳钢母线线径逐步接近其材料的物理极限，进一步细线化存在困难。 五、 金刚石线的优势 金刚石线最早主要用在蓝宝石领域，在2015年开始应用在光伏领域，之前光伏采用砂浆切割。当国人把砂浆切割技术开发到极致的时候，已无降本空间，金刚石线这种工艺走进光伏人视野。对于光伏行业来说，降本增效是永恒话题，尤其是在近两年硅料价格大涨吞噬下游利润，如何降低切割损耗、降低硅片成本是硅片企业迫切要解决的。硅片薄片化是近两年硅片行业降低单片成本努力的方向。伴随着硅片薄片化的是金刚石线的细线化。金刚石线细化可以减少切割对硅的损耗。切片过程中，硅片碎片率降低从而提高硅片良品率。硅料价格的高位推动金刚石线直径降低，减少硅耗这是最直接有效的好处。金刚石线细化后能够切更薄的硅片。就像用斧头切菜和用菜刀切菜一个道理。这两个原因都有助于将同样长度的硅棒切成更多数量的硅片。金刚石线细化后母线材料用量会大幅减少。由于线的直径变小，截面积变小，母线质量也就变小，可见材料上有节约。 金刚石线本身也面临钨丝的挑战。虽然相对于钨丝线，钢丝线的成本低，但是问题是破断力不及钨丝线，现在的38-42微米已经接近钢丝线的极限。钨丝替代成为新方向。 从使用寿命的角度对钢丝和钨丝金刚石线进行比较，钨丝金刚石线的使用次数是钢丝的10-20倍。但是缺点在于：一是钨的价格高于钢丝价格，同等长度的钨丝价格是钢丝价格的数倍；二是钨丝的绕线长度最多100km，而钢丝能够达到300km，因此运输和使用中的成本也高于钢丝；三是目前的钨丝母线的成材率较钢丝低，因而增加了钨丝线的成本。所以，金刚石线细线化和母线替代都有弊有利，需要权衡取舍。 从历史发展来看，金刚石线门槛相对较低，也造成了一段时间内金刚石线竞争较为激烈。当下时点，金刚石线的技术与生产正在全面提升。细线化加速发展，同时在传统高碳钢丝细线化出现瓶颈下，母线材料面临替换的可能。加上硅片持续的大尺寸与薄片化趋势，金刚石线技术壁垒有望加强。生产制造上，头部企业加大一机多线改造力度，大幅提升生产效率。 六、 金刚线下游光伏行业发展概况 金刚石线在光伏产业链中的应用:光伏产业链主要包括硅料、硅片、晶硅电池片、光伏组件、光伏发电系统5个环节。上游为硅料的采集、硅片的生产环节；中游为晶硅电池片、光伏组件的生产环节；下游为光伏发电系统的集成与运营环节。其中，硅片切割是切片生产环节的主要工序，金刚石线可用于硅棒截断、硅锭开方、硅片切割，其切割性能直接影响硅片的质量及光伏组件的光电转换性能。 从晶体硅切割技术的发展历程来看，硅片切割方法经历了内圆锯切割、游离磨料砂浆切割、金刚石线切割的技术升级路线，其中每一步改进都带来了原材料利用率、切割效率的提升和硅片单位切割成本的降低。目前，主要的单、多晶硅片生产厂商已全面采用金刚石线切割工艺。 金刚石线切割工艺相较上一代游离磨料砂浆切割工艺具有巨大优势，主要体现在：1）大幅降低线耗成本；2）提高材料利用率，大幅降低切割磨损；3）提高切割速度，大幅提升切片效率；4）摒弃游离磨料砂浆切割所使用的昂贵且不环保的碳化硅等砂浆材料。因此，最近几年金刚石线快速取代游离磨料砂浆线成为光伏行业晶硅切片的主流切割工艺。 金刚石线在蓝宝石产业链中的应用：蓝宝石产业链包括上游的长晶设备制造商、原材料及耗材提供商、蓝宝石晶体生产企业，中游的蓝宝石衬底生产企业、蓝宝石窗口片（消费电子行业用于光学材料）生产企业，以及下游针对不同的应用行业进行深加工的制造企业。 在蓝宝石切割领域，因蓝宝石材料的硬度较大，电镀金刚石线已成为蓝宝石材料切割的主流工具，主要用于蓝宝石衬底、窗口片的开方和切片等。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，蓝宝石切割用电镀金刚线市场的需求主要取决于蓝宝石材料的市场需求。 蓝宝石行业基本情况：蓝宝石晶体是一种氧化铝单晶，具有高硬度、高强度等优质性能；具有耐雨水、沙尘、盐雾等腐蚀的稳定化学性能；具有高表面平滑度、高电阻率及高介电性能。优良的光学、力学、热学、化学及电学性能决定了蓝宝石在民用领域中的重要地位和作用。由于蓝宝石属硬脆材料，其莫氏硬度达到8．5，仅次于金刚石、碳化硅等，其切割加工较为困难。传统砂浆线及金刚石结合力较弱的树脂金刚石线都难以有效完成蓝宝石的切割，因此，电镀金刚石线在蓝宝石切割领域得到推广并大范围应用，目前已替代了传统砂浆线和树脂金刚石线。蓝宝石晶体在微电子及光电子产业是极为重要的基础材料，其市场需求主要为LED行业的蓝宝石衬底材料需求和消费电子行业光学蓝宝石材料需求；蓝宝石有超过80%比例系用于LED衬底材料。 LED行业蓝宝石衬底切割用的金刚石线需求稳定增长：LED是指将电能转化为光能的固态半导体器件，与普通白炽灯、节能灯相比LED具有寿命长、高效节能的优点，是未来照明领域的发展趋势。LED产业链分为上游的衬底制备、外延片制造，中游的芯片生产和下游的封装、应用。目前，LED产品所用的衬底材料主要分为3类：蓝宝石衬底、碳化硅衬底和硅基衬底，其中蓝宝石是目前的主导衬底材料，占LED衬底的95%左右。 蓝宝石作为LED衬底材料的主要生产流程为：由蓝宝石坯料（主要为高纯度的Al2O3，一般纯度要求99．996%以上）经过熔融长晶成蓝宝石晶锭，再通过定向、掏棒等工序加工成蓝宝石晶棒，晶棒经切片、研磨、抛光、清洗等工序制成蓝宝石基片，对于采用了图形化衬底（PSS）技术的衬底，还需在蓝宝石基片的基础上进行PSS工艺。其中，金刚石线主要应用于晶棒的切片环节，其切割质量直接影响蓝宝石基片及LED产品的质量及性能。 目前，全球半导体照明技术正从追求光效向提升品质、光质量和多功能应用等方向发展，产业从技术驱动逐渐转向应用驱动，市场应用领域不断拓宽，市场渗透率不断提升，从照明、显示逐步向汽车、医疗、农业等领域拓展。特别是进入2013年以来，随着各国鼓励政策的实施和LED照明产品价格的下降，LED照明市场的渗透率不断提升。根据LEDinside的数据显示，2016年全球LED照明市场规模达296亿美元，2017年同比增长12%，达331亿美元，光源在照明市场渗透率达到52%。随着中国LED厂商大幅度扩充产能及车用照明、户外景观照明领域快速增长，加上新型态的Micro&MiniLED出现，未来LED照明的应用将更趋多元，LED的渗透率将持续攀高，而LED照明渗透率每增加1%，将直接拉动蓝宝石衬底约107万片的增长需求3，进而带动蓝宝石衬底切割用金刚石线需求的增长。从我国来看，目前我国已成为全球最大的半导体照明产品生产、消费和出口国。根据发改委数据，我国半导体照明产值平均年增长率约30%。 2015年，我国半导体照明产业整体产值达4，245亿元人民币；LED照明产品产量约60亿只；2017年半导体照明产业整体产值约6，538亿元，同比增长25．34%4。根据《半导体照明产业发展规划》，到2020年，我国半导体照明产业整体产值要突破1万亿元，LED照明产品渗透率要达到70%，拓展LED照明产品的应用范围，推动LED在智慧照明、农业照明、健康医疗照明、汽车照明、文化旅游、水处理、可见光通信等领域的应用，满足不同应用需求。可见，期间我国将实现从LED照明产业大国向强国转变，将极大地带动蓝宝石衬底市场的持续发展，进而推动蓝宝石衬底切割用金刚石线需求的不断增长。 消费电子领域蓝宝石切割用金刚石线需求快速增长：自苹果公司在iPhone5中首次使用高透光性的双抛光蓝宝石作为手机镜头保护盖以来，蓝宝石在消费电子行业中得到了广泛的应用。近几年，智能手机生产企业纷纷使用蓝宝石作为摄像头保护玻璃、指纹识别保护镜片，甚至是整块屏幕的保护玻璃。 从消费电子产品应用需求来看，苹果公司作为智能手机的领军企业，其发展方向时常会成为整个行业的发展方向。短期来看，鉴于高品质大尺寸蓝宝石材料有效供应有限，因而苹果公司短期内无法在AppleWatch、iPhone主屏幕上全部使用蓝宝石材料。若苹果公司全线产品使用蓝宝石，必将推动全球智能设备领域蓝