导读：多晶硅期货预期今年在广州期货交易所上市。多晶硅不仅是工业硅主要的消费下游，也是光伏产业的核心原材料。为帮助投资者了解多晶硅基础知识，我们计划推出多晶硅专题系列报告，本文作为首篇，将重点阐述多晶硅的定义、性质以及其生产工艺。

　　多晶硅，又名硅料、高纯晶硅，是以纯度99%左右的工业硅(通常称为99硅)为原料，经过各种物理或化学方法提纯后，使得硅纯度达到99.9999%以上的高纯硅材料。

　　多晶硅有灰色金属光泽，熔点1410℃，沸点2355℃，加热至800℃以上即有延性，1300℃时显出明显变形。硬度介于锗和石英之间，室温下质脆，切割时易碎裂。

　　多晶硅在光伏产业中获得了广泛的应用，得益于硅的半导体属性。硅元素因其丰富的储量、低廉的成本、晶体热稳定性以及成熟的提纯技术，在第一代半导体材料中尤为突出。

　　目前，多晶硅生产技术主要有改良西门子法和硅烷流化床法两种，产品分别为棒状硅和颗粒硅。改良西门子法历史较长，硅烷流化床技术发展迅速，据光伏行业协会(以下简称CPIA)报告，2023年国内颗粒硅和棒状硅的市场份额分别为17.3%和82.7%。

　　多晶硅的西门子生产工艺，源于西门子公司所创，其过程将高纯度的三氯氢硅(SiHCl3，简称TCS)与氢气(H2)在高温条件下进行还原反应，以制得多晶硅棒。相较于传统西门子法，改良后的西门子法采用了大直径对棒节能型还原炉、封闭式干法回收还原尾气技术，这些改进在节约能源、降低物料消耗及减少环境污染方面具备更优秀的经济效益。

　　第一步：合成三氯氢硅(TCS)。电解饱和食盐水制氢气(H2)和氯气(Cl2)，氢气与氯气反应生成氯化氢(HCl)，氯化氢(HCl)与工业硅粉在合成流化床中反应，生成三氯氢硅(TCS)和副产物四氯化硅、二氯二氢硅、氢气(SiCl4、SiH2Cl2、H2)等。该步骤的主要反应式：Si+HCL=TCS+SiCL4+SiH2CL2+H2。

　　第二步：提纯三氯氢硅(TCS)。采用多级分馏塔，控制温度和压力，利用沸点差异分离杂质，即四氯化硅(SiCl4)、硼、磷等，以提高纯度。

　　第三步：还原三氯氢硅(TCS)。提纯后的三氯氢硅(TCS)与高纯氢气(H2)混合后，送入多晶硅还原炉。在炉内，三氯氢硅(TCS)在硅芯表面发生氢化还原反应，生成硅沉积在硅芯上，直径逐渐变大至规定尺寸。该步骤的反应式为：TCS+H2=Si+SiCL4+HCL+H2。

　　要注意的是，还原中产生尾气包含未反应的氢气、氯化氢、四氯化硅(H2、HCL、SiCL4)等，改良西门子法通过尾气回收系统进行了多级冷凝分离。其中，氢气(H2)被重新输送至还原炉中；氯化氢(HCL)则被送回三氯氢硅(TCS)合成装置以实现循环利用；四氯化硅(SICL4)通过氢化过程转化为三氯氢硅(TCS)，随后再次进入提纯流程。由此多晶硅的生产过程实现了原料及副产品的循环再利用。

　　改良西门子法作为多晶硅生产的主要技术路线仍有其局限性，主要体现在以下几点：首先，该方法需要在1150-1200℃的高温环境下进行还原反应，而转化率相对较低，约为10%-20%，导致整体电力消耗较高，每生产一吨多晶硅大约需要5-6万度电能，电力成本约占总成本的35%左右；其次，该技术的生产效率不高，缺乏连续性，更适合批量生产；最后，棒状硅在破碎过程中容易混入杂质，对材料的纯度造成影响。

　　硅烷流化床技术是一种高效、节能且环保的多晶硅生产方法。该技术的生产流程相对简单，与改良西门子法的前半段工艺相同，均是通过工业硅氢化得到三氯氢硅并分离尾气，但后半段将三氯氢硅加氢制成硅烷，并通入流化床反应炉内进行连续热分解，在流化床反应器内预制的硅籽晶上发生气相沉积反应，生产颗粒硅。

　　硅烷流化床法在一定程度上克服了改良西门子法的若干缺陷：首先，该技术的还原反应温度较低，即550-700℃，远低于改良西门子法，每生产一吨多晶硅电力消耗为1.8至2万度，且反应转化率较高，通常超过90%；其次，该技术实现了连续化生产，自动化投料，可根据不同的生产需求灵活调整制备条件，不会产生有害气体，符合环保标准；再者，产品形态为颗粒状，无需进一步破碎处理，从而节约了成本，且更易充分填充单晶硅拉棒环节的石英坩埚，提高了单晶硅的拉制效率。

　　尽管硅烷流化床技术有诸多优势，但其发展仍面临技术难题和市场垄断的挑战。在国际市场上，一些发达国家的企业已经掌握该技术，并实现了产业化。但目前国内实现颗粒硅量产的仅有协鑫科技和陕西天宏两家企业。

　　综合来看，在光伏行业降本趋势下，硅烷流化床法有望在解决现有技术难题的基础上，逐步扩大市场份额。然而，由于改良西门子法在技术成熟度、产品纯度和安全性等方面的优势，在未来一段时间内仍将是多晶硅生产的主流工艺。