單晶的故事：從高端軍功到遍地開花，從盛極而衰到峰回路轉(zhuǎn)

女版錢學(xué)森與中國第一顆單晶

單晶的歷史與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密不可分，早在5、60年代就已經(jīng)種下了種子。

1956年，周恩來發(fā)起“向科學(xué)進軍“的口號，國家發(fā)布《1956－1967科技發(fā)展遠景規(guī)劃》，半導(dǎo)體作為國家生產(chǎn)與國防緊急發(fā)展領(lǐng)域，至此打開了單晶硅發(fā)展的序幕。

就在這一年之前，被譽為中國“半導(dǎo)體之母”的林蘭英成功拿到了賓夕法尼亞大學(xué)的博士學(xué)位，成為了賓夕法尼亞大學(xué)歷史上第一個女博士，更是第一個中國博士。

而就在這一年之后，林蘭英放棄美國巨額工資，突破了重重阻礙終于歸國，她的全部積蓄已被美國當(dāng)局扣押，自己已經(jīng)身無分文，但她卻冒險拿回了在當(dāng)時價值20多萬的500克鍺單晶和100克硅單晶，無償?shù)刭浗o了中國科學(xué)院。

1958年秋天，在林蘭英和無數(shù)老一輩科學(xué)家的共同努力之下，中國第一根硅單晶終于誕生，這根長8厘米、直徑5.08厘米的圓柱體，像一根小小的火把，點燃了中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的希望。同年，天津市半導(dǎo)體材料廠成立，該廠便是現(xiàn)在中環(huán)的前身。

然而好景不長。1959年中俄決裂，來自蘇聯(lián)的技術(shù)專家回國，剛剛生根發(fā)芽的半導(dǎo)體事業(yè)遭受了毀滅性的打擊，但老一輩科學(xué)家的研究卻沒有因此而停滯，1961年深秋，由林蘭英主持設(shè)計加工的中國第一臺開門式硅單晶爐制造成功，并于1962年正式啟動拉制工作，中國第一根無位錯的硅單晶拉制成功！

此時，國內(nèi)單晶硅產(chǎn)品的純度與設(shè)備水平，大體相當(dāng)于美國1953年時的水平，換言之，中美在該領(lǐng)域的差距只相差7到8年。

然而，5、60年代的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)主要服務(wù)于軍工，生產(chǎn)廠家最多時達到20多家，但由于生產(chǎn)技術(shù)難度大，生產(chǎn)規(guī)模小，工藝技術(shù)落后，環(huán)境污染嚴重，耗能大，成本高，絕大部分企業(yè)虧損而相繼停產(chǎn)和轉(zhuǎn)產(chǎn)。

從高端軍工到遍地開花

1996年前后，國內(nèi)單晶主要集中在老三廠進行拉制，即七三九（峨眉半導(dǎo)體）、七四零（洛陽中硅）、七四一（華山半導(dǎo)體）。這三大廠與前期國內(nèi)的光伏產(chǎn)業(yè)千絲萬縷，李振國1990年畢業(yè)時便被分配在國營七四一，晶科的研發(fā)總監(jiān)尚偉澤就出自七三九。

這些工廠都是軍工廠，給人的印象一直都很神秘，他們工人的待遇都很好，而且都有著嚴格的崗哨管理車輛及人員出入，而且從來只見原料進，耗電量大得像黑洞，但從來看不到產(chǎn)品出，因為當(dāng)時這些廠用的原料和輔材都很巨大，產(chǎn)品卻‘嬌小又金貴’，搬運的時候都是用轎車。

97年，美國的太陽能屋頂計劃初步點燃了世界的光伏市場，早一批光伏企業(yè)都是在這前后創(chuàng)建，比如高紀(jì)凡和他的天合光能，靳保芳和他的晶隆半導(dǎo)體廠，單晶也終于走出軍工，開始蹣跚學(xué)步。1998年底，峨嵋半導(dǎo)體經(jīng)316小時的運轉(zhuǎn)，自行研制的節(jié)能型大還原爐產(chǎn)出國內(nèi)第一爐Φ115x1500mm多晶硅棒，爐產(chǎn)達392.2kg。

不過眾所周知，光伏產(chǎn)業(yè)進入大熱賽道，還要等到2005年，由施正榮、楊懷進等人引爆。

施正榮的暴富神話給整個產(chǎn)業(yè)甚至整個中國的工業(yè)升級都帶來了難以想象的激勵，以前工業(yè)制造都是人工流水線安裝制造及機床加工制造，真正的具有工業(yè)化制程概念由民企參股光伏開始的，光伏讓民企知道了凈化車間、工藝冷卻水、溫區(qū)控制，材料加工，晶體排列等等專業(yè)人士才會使用考慮的術(shù)語，這個行業(yè)使我們從單純的機械加工行業(yè)到半導(dǎo)體行業(yè)有了過渡板，也有了產(chǎn)業(yè)升級新的突破點。

從這個角度來看，光伏真的是功德無量。

當(dāng)時的光伏很熱，隨著國外歐洲市場政策補助波動及貨幣利率差，產(chǎn)業(yè)具有投資盈利回報周期短、回報高的特點，幾個人合資，三個月甚至一個月就能收回成本，同時由于技術(shù)不透明及環(huán)保要求寬松等條件，一時也成為當(dāng)?shù)卣兊牧咙c，光伏產(chǎn)業(yè)園暴增。

做電池就得有硅片，做硅片就得拉單晶，但市場上當(dāng)時根本就沒有多少專業(yè)人才，一時間三大廠的工作人員都成了香餑餑，據(jù)說，當(dāng)時在老三廠工作僅一年的普通操作工到了江浙一帶就可以搖身一變成為技術(shù)總監(jiān)，稍微有過幾年經(jīng)驗的技術(shù)員，那更是各家老板所依仗的大寶貝。

盛極而衰，給多晶讓路

單晶的瘋狂并沒有持續(xù)多久，根本原因在于人才無法拔苗助長，單晶硅拉制非常復(fù)雜，人才供應(yīng)又嚴重不足，這就導(dǎo)致單晶成本壓縮過慢，而與此同時，多晶產(chǎn)業(yè)卻在迅猛發(fā)展，很快就將單晶踢出了主流市場之外。

制約單晶成本的主要原因是設(shè)備利用率和設(shè)備產(chǎn)出率，由于單晶爐生長過程中的速度和溫度必須穩(wěn)定，因而要求單晶爐要有精密、穩(wěn)定的上、下部分運行、轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)及溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。雖然直拉單晶生長設(shè)備盡管型式不同，但總體由爐體、電氣部分、熱系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和氬氣供給裝置六部分組成。整個拉晶過程包括裝爐前準(zhǔn)備工作和裝爐、熔化硅、引晶、縮頸、放肩和轉(zhuǎn)肩、等晶生長和收尾還有后期停爐工作，生產(chǎn)過程中還要二次加料。

另外，能耗、人工、原料、輔材，單晶成本都大于多晶許多。

多晶鑄錠則簡單得多，工藝上大體分為裝料、融化及生長、定向生長、冷卻幾個步驟，如果粗暴一點理解的話和金屬行業(yè)很像，類似于把一堆碎料放在爐子里燒，融化成一大坨之后定向生長再冷卻。

工藝簡單，從成本降低自然就快，設(shè)備國產(chǎn)化速度也快，規(guī)模效應(yīng)起來之后又可以以量來平攤成本。因此，至2015年時單晶已經(jīng)跌至產(chǎn)業(yè)的谷底，主要存活在東北、西北、西南等電費和人工成本低廉的地區(qū)，各大廠逐步關(guān)閉原有單晶廠，轉(zhuǎn)生產(chǎn)多晶產(chǎn)業(yè)。

峰回路轉(zhuǎn)，技術(shù)革新與政策扶持雙管齊下

單晶技術(shù)后來者居上，不止是因為金剛線切割技術(shù)和perc電池技術(shù)。人工、能耗、效率、原料，單晶的追趕是全方面的。

在多晶的擠壓下，單晶企業(yè)主要集中到了西部低電價區(qū)域，這就使得單晶在能耗成本上逐漸縮小差距；經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)人員逐漸成熟，且自動化發(fā)展迅速，對工人的要求也大幅度降低，人工成本大幅度拉近；硅料成本降低，拉近了原料成本，包括磁場技術(shù)、水冷套技、連續(xù)投料技術(shù)、金剛線切割技術(shù)等新技術(shù)和新配套設(shè)備的發(fā)展，則大大提升了單晶的拉制速度，現(xiàn)在每次單晶一爐可拉60小時以上甚至更多。

這些技術(shù)為單晶的反超打下了基礎(chǔ)。

2016年上半年及之前，單多晶組件價差顯著大于合理價差，單晶組件沒有競爭優(yōu)勢，但在2016年下半年以后，單晶成本下降使實際價差逐漸拉近，單多晶組件功率差逐漸拉開，單晶與多晶的性價比已經(jīng)開始反轉(zhuǎn)，這意味著使用單晶產(chǎn)品將使終端電站獲得更低度電成本。

然而從市場數(shù)據(jù)來看，市場并未轉(zhuǎn)向單晶產(chǎn)品，2016年單晶市占率與2015年幾乎持平，2017年時，單晶與多晶甚至接近平價，雖然市占有了一定的提升，但卻犧牲了自身的合理利潤，效率帶來的溢價有限。

李振國曾經(jīng)在回憶時說，他曾經(jīng)到處去跟人說單晶性價比會更高，單晶終將替代多晶等，但是沒人信他，于是他只能一咬牙，自己干。

面對市場上普遍對單晶產(chǎn)品認可度不高，且光伏業(yè)主和epc企業(yè)對度電成本概念認識不夠的大環(huán)境，光伏領(lǐng)跑者計劃在能源局的推動下，像長著一雙翅膀的小天使緩緩飛來。

領(lǐng)跑者計劃引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)現(xiàn)單晶價值，大部分單晶產(chǎn)能可輕松滿足領(lǐng)跑者技術(shù)指標(biāo)要求，而多晶難度較大，因此首批領(lǐng)跑者中單晶產(chǎn)品占比就超過60%，在第二、三批領(lǐng)跑者中達到85%左右，推動單晶在國內(nèi)市場認可度的提升，同時也進一步釋放了單晶的規(guī)模，使單晶的成本進一步得以降低。

2017年底單多晶組件幾乎同價，這是一個十分關(guān)鍵的市場節(jié)點，至此，單晶的優(yōu)勢不再需要通過多各種參數(shù)假設(shè)和復(fù)雜計算來證明，對市場形成直觀、強烈的沖擊，單晶組件的價值才逐步被市場認可。此后不僅單晶市占率快速提升，其相對多晶組件理應(yīng)享有的產(chǎn)品銷售溢價也逐步得到恢復(fù)，唯一制約單晶發(fā)展的，反而是單晶的產(chǎn)能。

隨著新建產(chǎn)能的逐步釋放，目前，單晶產(chǎn)品已經(jīng)重新成為了市場的主流選擇。

參考材料：

《探尋光伏行業(yè)“確定性”系列之二：觀單晶替代多晶之史推雙面雙玻滲透提速》國金證券研究所

《光伏產(chǎn)業(yè)---單晶發(fā)展》老家伙

《光伏晶體技術(shù)-----單晶技術(shù)發(fā)展》老家伙

《單晶崢嶸歲月》光伏新聞

《半導(dǎo)體材料之母林蘭英：我國半導(dǎo)體材料科學(xué)的奠基人與開拓者》物理

原標(biāo)題:單晶的故事：從高端軍功到遍地開花，從盛極而衰到峰回路轉(zhuǎn)