1. سلسلة صناعة البولي سيليكون: عملية الإنتاج معقدة، ويركز قطاع الصناعات التحويلية على أشباه الموصلات الكهروضوئية.
يُنتج البولي سيليكون بشكل رئيسي من السيليكون الصناعي والكلور والهيدروجين، ويقع في المراحل الأولى من سلاسل صناعات الخلايا الكهروضوئية وأشباه الموصلات. ووفقًا لبيانات CPIA، فإن الطريقة السائدة حاليًا لإنتاج البولي سيليكون في العالم هي طريقة سيمنز المُعدّلة، حيث يُنتج أكثر من 95% من البولي سيليكون في العالم بهذه الطريقة، باستثناء الصين. في عملية تحضير البولي سيليكون باستخدام طريقة سيمنز المُحسّنة، يُدمج غاز الكلور أولًا مع غاز الهيدروجين لتكوين كلوريد الهيدروجين، ثم يتفاعل هذا الكلوريد مع مسحوق السيليكون بعد سحقه وطحنه لإنتاج ثلاثي كلورو سيلان، الذي يُختزل لاحقًا بواسطة غاز الهيدروجين لإنتاج البولي سيليكون. يمكن صهر السيليكون متعدد البلورات وتبريده لصنع سبائك السيليكون متعدد البلورات، كما يمكن إنتاج السيليكون أحادي البلورة باستخدام تقنية تشوخرالسكي أو تقنية الصهر النطاقي. بالمقارنة مع السيليكون متعدد البلورات، يتكون السيليكون أحادي البلورة من حبيبات بلورية ذات اتجاه بلوري متماثل، مما يمنحه موصلية كهربائية وكفاءة تحويل أعلى. يمكن تقطيع كل من سبائك السيليكون متعدد البلورات وقضبان السيليكون أحادي البلورة ومعالجتها لإنتاج رقائق وخلايا سيليكونية، والتي بدورها تُعدّ مكونات أساسية في وحدات الخلايا الكهروضوئية وتُستخدم في هذا المجال. إضافةً إلى ذلك، يمكن تشكيل رقائق السيليكون أحادية البلورة إلى رقائق سيليكونية من خلال عمليات متكررة كالطحن والتلميع والترسيب والتنظيف وغيرها، والتي يمكن استخدامها كمواد أساسية لأجهزة أشباه الموصلات الإلكترونية.
يُشترط محتوى شوائب البولي سيليكون بدقة متناهية، وتتميز هذه الصناعة بارتفاع تكاليف الاستثمار والتحديات التقنية. ونظرًا لتأثير نقاء البولي سيليكون بشكل كبير على عملية سحب السيليكون أحادي البلورة، فإن متطلبات النقاء صارمة للغاية. الحد الأدنى لنقاء البولي سيليكون هو 99.9999%، والحد الأقصى يقترب جدًا من 100%. إضافةً إلى ذلك، تحدد المعايير الوطنية الصينية متطلبات واضحة لمحتوى الشوائب، وبناءً على ذلك، يُصنف البولي سيليكون إلى ثلاث درجات: الأولى والثانية والثالثة، حيث يُعد محتوى البورون والفوسفور والأكسجين والكربون مؤشرًا مرجعيًا هامًا. وتنص "شروط دخول صناعة البولي سيليكون" على ضرورة امتلاك الشركات لنظام فحص وإدارة جودة متين، وأن تتوافق معايير منتجاتها بدقة مع المعايير الوطنية. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب شروط الوصول أيضًا حجمًا واستهلاكًا للطاقة لشركات إنتاج البولي سيليكون، مثل البولي سيليكون المستخدم في الطاقة الشمسية والبولي سيليكون المستخدم في الإلكترونيات، بحيث يتجاوز حجم المشروع 3000 طن/سنة و1000 طن/سنة على التوالي، ويجب ألا تقل نسبة رأس المال الدنيا في استثمارات مشاريع الإنشاء الجديدة وإعادة البناء والتوسعة عن 30%، مما يجعل صناعة البولي سيليكون صناعة كثيفة رأس المال. ووفقًا لإحصاءات جمعية صناعة البولي سيليكون الصينية (CPIA)، فقد ارتفعت تكلفة الاستثمار في معدات خط إنتاج البولي سيليكون بسعة 10000 طن، والتي تم تشغيلها في عام 2021، ارتفاعًا طفيفًا لتصل إلى 103 ملايين يوان/كيلوطن. ويعود السبب في ذلك إلى ارتفاع أسعار المواد المعدنية الأساسية. ومن المتوقع أن ترتفع تكلفة الاستثمار في المستقبل مع تقدم تكنولوجيا معدات الإنتاج وانخفاض تكلفة المونومر مع زيادة الحجم. وفقًا للوائح، يجب ألا يتجاوز استهلاك الطاقة للبولي سيليكون المستخدم في اختزال تشوخرالسكي للأجهزة الشمسية والإلكترونية 60 كيلوواط/كجم و100 كيلوواط/كجم على التوالي، وتُعدّ متطلبات مؤشرات استهلاك الطاقة صارمة نسبيًا. يُصنّف إنتاج البولي سيليكون ضمن الصناعات الكيميائية، حيث تتسم عملية الإنتاج بالتعقيد، وتتطلب مهارة عالية في اختيار المعدات وتشغيلها. تتضمن عملية الإنتاج العديد من التفاعلات الكيميائية المعقدة، ويتجاوز عدد نقاط التحكم فيها 1000 نقطة، مما يُصعّب على الشركات الجديدة إتقان التقنيات المتقدمة بسرعة. لذا، تُشكّل العوائق الرأسمالية والتقنية الكبيرة في صناعة إنتاج البولي سيليكون تحديًا كبيرًا، مما يدفع الشركات المصنّعة إلى تحسين عمليات الإنتاج والتعبئة والتغليف والنقل بدقة متناهية.
2. تصنيف البولي سيليكون: تحدد درجة نقائه الاستخدام، ويحتل النوع المستخدم في الطاقة الشمسية النسبة الأكبر.
السيليكون متعدد التبلور، وهو أحد أشكال السيليكون النقي، يتكون من حبيبات بلورية ذات اتجاهات بلورية مختلفة، ويتم تنقيته بشكل أساسي من خلال عمليات تصنيع السيليكون الصناعية. يتميز السيليكون متعدد التبلور ببريق معدني رمادي، وتبلغ درجة انصهاره حوالي 1410 درجة مئوية. يكون غير نشط في درجة حرارة الغرفة، ويكون أكثر نشاطًا في الحالة المنصهرة. يتمتع السيليكون متعدد التبلور بخصائص أشباه الموصلات، وهو مادة شبه موصلة بالغة الأهمية والكفاءة، إلا أن وجود كمية ضئيلة من الشوائب قد يؤثر بشكل كبير على موصليته. توجد العديد من طرق تصنيف السيليكون متعدد التبلور. بالإضافة إلى التصنيف المذكور أعلاه وفقًا للمعايير الوطنية الصينية، نقدم هنا ثلاث طرق تصنيف أخرى مهمة. وفقًا لمتطلبات النقاء والاستخدامات المختلفة، يمكن تقسيم السيليكون متعدد التبلور إلى نوعين: السيليكون متعدد التبلور المستخدم في الطاقة الشمسية والسيليكون متعدد التبلور المستخدم في الإلكترونيات. يُستخدم السيليكون متعدد التبلور المستخدم في الطاقة الشمسية بشكل أساسي في إنتاج الخلايا الكهروضوئية، بينما يُستخدم السيليكون متعدد التبلور المستخدم في الإلكترونيات على نطاق واسع في صناعة الدوائر المتكاملة كمادة خام للرقائق الإلكترونية وغيرها من المنتجات. تتراوح نقاوة البولي سيليكون المستخدم في صناعة الطاقة الشمسية بين 6 و8N، أي أن نسبة الشوائب الكلية فيه يجب ألا تتجاوز 10⁻⁶، وأن تصل نقاوته إلى 99.9999% أو أكثر. أما متطلبات نقاوة البولي سيليكون المستخدم في صناعة الإلكترونيات فهي أكثر صرامة، حيث تتراوح بين 9N كحد أدنى و12N كحد أقصى. ويُعدّ إنتاج البولي سيليكون المستخدم في صناعة الإلكترونيات عملية معقدة نسبيًا، إذ لا تزال الشركات الصينية التي تتقن تقنيات إنتاجه قليلة، وتعتمد بشكل كبير على الواردات. وفي الوقت الراهن، يفوق إنتاج البولي سيليكون المستخدم في صناعة الطاقة الشمسية إنتاج البولي سيليكون المستخدم في صناعة الإلكترونيات بنحو 13.8 ضعفًا.
بحسب نوع الشوائب المستخدمة في التطعيم ونوع الموصلية، يمكن تقسيم بطاريات السيليكون إلى نوعين: النوع P والنوع N. عند تطعيم السيليكون بعناصر شوائب مستقبلة، مثل البورون والألومنيوم والغاليوم، يصبح التوصيل عبر الثقوب هو السائد، وبالتالي يكون من النوع P. أما عند تطعيمه بعناصر شوائب مانحة، مثل الفوسفور والزرنيخ والأنتيمون، يصبح التوصيل عبر الإلكترونات هو السائد، وبالتالي يكون من النوع N. تشمل بطاريات النوع P بشكل رئيسي بطاريات BSF وبطاريات PERC. في عام 2021، استحوذت بطاريات PERC على أكثر من 91% من السوق العالمية، مما أدى إلى تراجع استخدام بطاريات BSF. خلال الفترة التي حلت فيها تقنية PERC محل تقنية BSF، ارتفعت كفاءة تحويل خلايا النوع P من أقل من 20% إلى أكثر من 23%، مقتربةً بذلك من الحد النظري الأعلى البالغ 24.5%، بينما يبلغ الحد النظري الأعلى لخلايا النوع N نسبة 28.7%. تتميز خلايا النوع N بكفاءة تحويل عالية، ونظرًا لمزاياها المتمثلة في نسبة ثنائية الوجه العالية ومعامل درجة الحرارة المنخفض، بدأت الشركات في نشر خطوط إنتاج ضخمة لبطاريات النوع N. ووفقًا لتوقعات CPIA، سترتفع نسبة بطاريات النوع N بشكل ملحوظ من 3% إلى 13.4% في عام 2022. ومن المتوقع أن يشهد العام المقبل تحولًا من بطاريات النوع N إلى بطاريات النوع P. وبحسب جودة السطح، يمكن تقسيمها إلى مواد كثيفة، ومواد شبيهة بالقرنبيط، ومواد مرجانية. يتميز سطح المواد الكثيفة بأقل درجة من التقعر، حيث يقل عن 5 مم، وخالٍ من أي تشوهات لونية أو طبقة أكسدة بينية، وأعلى سعر. يتميز سطح مادة القرنبيط بدرجة متوسطة من التقعر، تتراوح بين 5 و20 ملم، ومقطع عرضي متوسط، وسعر متوسط. أما سطح مادة المرجان فيتميز بتقعر أكثر حدة، حيث يزيد عمقه عن 20 ملم، ومقطع عرضي أقل، وسعر منخفض. تُستخدم المادة الكثيفة بشكل أساسي في إنتاج السيليكون أحادي البلورة، بينما تُستخدم مادة القرنبيط ومادة المرجان بشكل أساسي في صناعة رقائق السيليكون متعدد البلورات. في الإنتاج اليومي للشركات، يمكن تطعيم المادة الكثيفة بما لا يقل عن 30% من مادة القرنبيط لإنتاج السيليكون أحادي البلورة. يمكن توفير تكلفة المواد الخام، ولكن استخدام مادة القرنبيط سيقلل من كفاءة سحب البلورات إلى حد ما. تحتاج الشركات إلى اختيار نسبة التطعيم المناسبة بعد وزن المادتين. في الآونة الأخيرة، استقر فرق السعر بين المادة الكثيفة ومادة القرنبيط عند 3 يوان صيني/كجم. إذا اتسع فارق السعر أكثر، فقد تفكر الشركات في إضافة المزيد من مواد القرنبيط إلى عملية سحب السيليكون أحادي البلورة.
3. العملية: باتت طريقة سيمنز هي السائدة، وأصبح استهلاك الطاقة هو المفتاح للتغيير التكنولوجي.
تنقسم عملية إنتاج السيليكون متعدد التبلور تقريبًا إلى خطوتين. في الخطوة الأولى، يُفاعل مسحوق السيليكون الصناعي مع كلوريد الهيدروجين اللامائي للحصول على ثلاثي كلورو السيلان والهيدروجين. بعد التقطير والتنقية المتكررين، نحصل على غاز ثلاثي كلورو السيلان، وثنائي كلورو ثنائي هيدرو السيليكون، والسيليان. أما الخطوة الثانية، فتتمثل في اختزال الغاز عالي النقاوة المذكور أعلاه إلى سيليكون بلوري، وتختلف عملية الاختزال بين طريقة سيمنز المُعدّلة وطريقة طبقة السيليان المميعة. تتميز طريقة سيمنز المُحسّنة بتقنية إنتاج ناضجة وجودة منتج عالية، وهي حاليًا التقنية الأكثر استخدامًا. تعتمد طريقة سيمنز التقليدية على استخدام الكلور والهيدروجين لتخليق كلوريد الهيدروجين اللامائي، ثم استخدام كلوريد الهيدروجين ومسحوق السيليكون الصناعي لتخليق ثلاثي كلورو السيلان عند درجة حرارة معينة، ثم فصل ثلاثي كلورو السيلان وتنقيته. يخضع السيليكون لتفاعل اختزال حراري في فرن اختزال الهيدروجين للحصول على السيليكون العنصري المترسب على قلب السيليكون. استنادًا إلى ذلك، زُوِّدت عملية سيمنز المُحسَّنة بعملية داعمة لإعادة تدوير كميات كبيرة من المنتجات الثانوية، مثل الهيدروجين وكلوريد الهيدروجين ورباعي كلوريد السيليكون، الناتجة عن عملية الإنتاج، وتشمل هذه العملية بشكل أساسي استعادة غازات العادم الناتجة عن الاختزال وتقنية إعادة استخدام رباعي كلوريد السيليكون. يتم فصل الهيدروجين وكلوريد الهيدروجين وثلاثي كلوروسيلان ورباعي كلوريد السيليكون الموجودة في غازات العادم عن طريق الاستخلاص الجاف. يمكن إعادة استخدام الهيدروجين وكلوريد الهيدروجين في عمليات التخليق والتنقية مع ثلاثي كلوروسيلان، بينما يُعاد تدوير ثلاثي كلوروسيلان مباشرةً إلى عملية الاختزال الحراري. تُجرى عملية التنقية في الفرن، حيث يُهدرج رباعي كلوريد السيليكون لإنتاج ثلاثي كلوروسيلان، الذي يُستخدم بدوره في عملية التنقية. تُعرف هذه الخطوة أيضًا باسم معالجة الهدرجة الباردة. من خلال تحقيق الإنتاج ذي الدائرة المغلقة، تستطيع الشركات تقليل استهلاك المواد الخام والكهرباء بشكل ملحوظ، مما يُسهم في توفير تكاليف الإنتاج بشكل فعال.
تشمل تكلفة إنتاج البولي سيليكون باستخدام طريقة سيمنز المحسّنة في الصين المواد الخام، واستهلاك الطاقة، والاستهلاك، وتكاليف المعالجة، وغيرها. وقد ساهم التقدم التكنولوجي في هذا القطاع بشكل كبير في خفض التكلفة. تشمل المواد الخام بشكل رئيسي السيليكون الصناعي وثلاثي كلوروسيلان، بينما يشمل استهلاك الطاقة الكهرباء والبخار، أما تكاليف المعالجة فتشمل تكاليف فحص وإصلاح معدات الإنتاج. ووفقًا لإحصاءات شركة بايتشوان يينغفو حول تكاليف إنتاج البولي سيليكون في أوائل يونيو 2022، تُعدّ المواد الخام البند الأعلى تكلفة، حيث تمثل 41% من إجمالي التكلفة، ويُعدّ السيليكون الصناعي المصدر الرئيسي لها. يُمثل استهلاك وحدة السيليكون، الشائع استخدامه في هذا القطاع، كمية السيليكون المستهلكة لكل وحدة من منتجات السيليكون عالية النقاء. وتتمثل طريقة الحساب في تحويل جميع المواد المحتوية على السيليكون، مثل مسحوق السيليكون الصناعي المُستورد وثلاثي كلوروسيلان، إلى سيليكون نقي، ثم طرح كمية ثلاثي كلوروسيلان المُستورد من نسبة محتوى السيليكون إلى كمية السيليكون النقي المُحوّل. وفقًا لبيانات CPIA، سينخفض مستوى استهلاك السيليكون بمقدار 0.01 كجم/كجم-سيليكون ليصل إلى 1.09 كجم/كجم-سيليكون في عام 2021. ومن المتوقع، مع تحسين معالجة الهدرجة الباردة وإعادة تدوير المنتجات الثانوية، أن ينخفض إلى 1.07 كجم/كجم-سيليكون بحلول عام 2030. وتشير إحصاءات غير مكتملة إلى أن استهلاك السيليكون لدى أكبر خمس شركات صينية في صناعة البولي سيليكون أقل من متوسط الصناعة. ومن المعروف أن اثنتين منها ستستهلكان 1.08 كجم/كجم-سيليكون و1.05 كجم/كجم-سيليكون على التوالي في عام 2021. ويأتي استهلاك الطاقة في المرتبة الثانية من حيث النسبة، حيث يمثل 32% من الإجمالي، منها 30% من إجمالي التكلفة للكهرباء، مما يدل على أن سعر الكهرباء وكفاءتها لا يزالان عاملين مهمين في إنتاج البولي سيليكون. ويُعدّ كل من استهلاك الطاقة الإجمالي وخفض استهلاك الطاقة المؤشرين الرئيسيين لقياس كفاءة الطاقة. يشير خفض استهلاك الطاقة إلى عملية اختزال ثلاثي كلورو سيلان والهيدروجين لإنتاج مادة السيليكون عالية النقاء. يشمل استهلاك الطاقة التسخين المسبق لقلب السيليكون والترسيب، والحفاظ على الحرارة، والتهوية النهائية، وغيرها من عمليات الطاقة. في عام 2021، ومع التقدم التكنولوجي والاستخدام الأمثل للطاقة، سينخفض متوسط استهلاك الطاقة الإجمالي لإنتاج البولي سيليكون بنسبة 5.3% سنويًا ليصل إلى 63 كيلوواط ساعة/كيلوجرام سيليكون، وسينخفض متوسط استهلاك الطاقة للاختزال بنسبة 6.1% سنويًا ليصل إلى 46 كيلوواط ساعة/كيلوجرام سيليكون، ومن المتوقع أن ينخفض أكثر في المستقبل. بالإضافة إلى ذلك، يُعد الاستهلاك بندًا مهمًا من بنود التكلفة، حيث يمثل 17%. تجدر الإشارة إلى أنه وفقًا لبيانات بايتشوان يينغفو، بلغ إجمالي تكلفة إنتاج البولي سيليكون في أوائل يونيو 2022 حوالي 55816 يوان/طن، وكان متوسط سعر البولي سيليكون في السوق حوالي 260000 يوان/طن، وبلغ هامش الربح الإجمالي 70% أو أكثر، مما جذب عددًا كبيرًا من الشركات للاستثمار في بناء طاقة إنتاج البولي سيليكون.
هناك طريقتان أمام مصنعي البولي سيليكون لخفض التكاليف، الأولى هي خفض تكاليف المواد الخام، والثانية هي خفض استهلاك الطاقة. ففيما يتعلق بالمواد الخام، يمكن للمصنعين خفض تكلفتها من خلال توقيع اتفاقيات تعاون طويلة الأجل مع مصنعي السيليكون الصناعي، أو بناء قدرات إنتاجية متكاملة تشمل مراحل الإنتاج الأولية والنهائية. فعلى سبيل المثال، تعتمد مصانع إنتاج البولي سيليكون بشكل أساسي على إمداداتها الخاصة من السيليكون الصناعي. أما فيما يتعلق باستهلاك الكهرباء، فيمكن للمصنعين خفض تكاليفها من خلال الاستفادة من انخفاض أسعار الكهرباء وتحسين كفاءة استهلاك الطاقة بشكل عام. ويُشكل خفض استهلاك الكهرباء حوالي 70% من إجمالي استهلاك الطاقة، وهو عنصر أساسي في إنتاج السيليكون البلوري عالي النقاء. ولذلك، تتركز معظم طاقة إنتاج البولي سيليكون في الصين في مناطق ذات أسعار كهرباء منخفضة مثل شينجيانغ ومنغوليا الداخلية وسيتشوان ويونان. ومع ذلك، ومع تقدم سياسة خفض الانبعاثات الكربونية، يصعب الحصول على كميات كبيرة من موارد الطاقة منخفضة التكلفة. لذا، يُعد خفض استهلاك الطاقة وسيلة أكثر جدوى لخفض التكاليف في الوقت الراهن. في الوقت الراهن، تتمثل الطريقة الفعالة لخفض استهلاك الطاقة في عملية الاختزال في زيادة عدد نوى السيليكون في فرن الاختزال، مما يؤدي إلى زيادة إنتاجية الوحدة الواحدة. وتتراوح أنواع أفران الاختزال الشائعة في الصين حاليًا بين 36 و40 و48 زوجًا من القضبان. وقد تم تطوير بعض الأفران لتشمل 60 و72 زوجًا من القضبان، إلا أن ذلك يفرض في الوقت نفسه متطلبات أعلى على مستوى تكنولوجيا الإنتاج لدى الشركات.
بالمقارنة مع طريقة سيمنز المحسّنة، تتميز طريقة الطبقة المميعة بالسيليان بثلاث مزايا: أولها انخفاض استهلاك الطاقة، وثانيها ارتفاع إنتاجية سحب البلورات، وثالثها سهولة دمجها مع تقنية تشوخرالسكي المستمرة CCZ الأكثر تطورًا. ووفقًا لبيانات فرع صناعة السيليكون، يبلغ إجمالي استهلاك الطاقة في طريقة الطبقة المميعة بالسيليان 33.33% من استهلاك الطاقة في طريقة سيمنز المحسّنة، مع انخفاض في استهلاك الطاقة بنسبة 10%. تتميز طريقة الطبقة المميعة بالسيليان بمزايا كبيرة في استهلاك الطاقة. أما فيما يتعلق بسحب البلورات، فإن الخصائص الفيزيائية للسيليكون الحبيبي تُسهّل ملء بوتقة الكوارتز بالكامل في وصلة قضيب سحب السيليكون أحادي البلورة. ويمكن للسيليكون متعدد البلورات والسيليكون الحبيبي زيادة سعة شحن بوتقة الفرن الواحد بنسبة 29%، مع تقليل وقت الشحن بنسبة 41%، مما يُحسّن بشكل ملحوظ كفاءة سحب السيليكون أحادي البلورة. بالإضافة إلى ذلك، يتميز السيليكون الحبيبي بصغر قطره وسيولته الجيدة، مما يجعله أكثر ملاءمةً لطريقة تشوخرالسكي المستمرة (CCZ). حاليًا، تُعدّ طريقة إعادة صب البلورات الأحادية (RCZ) التقنية الرئيسية لسحب البلورات الأحادية في المراحل المتوسطة والدنيا، حيث يتم إعادة تغذية البلورة وسحبها بعد سحب قضيب السيليكون أحادي البلورة. تتم عملية السحب في الوقت نفسه، مما يوفر وقت تبريد قضيب السيليكون أحادي البلورة، وبالتالي ترتفع كفاءة الإنتاج. كما أن التطور السريع لطريقة تشوخرالسكي المستمرة (CCZ) سيزيد الطلب على السيليكون الحبيبي. على الرغم من وجود بعض العيوب في السيليكون الحبيبي، مثل زيادة مسحوق السيليكون الناتج عن الاحتكاك، وكبر مساحة سطحه، وسهولة امتصاص الملوثات، وتفاعل الهيدروجين مع الهيدروجين أثناء الانصهار، مما قد يؤدي إلى عدم اكتمال عملية الصهر، إلا أنه وفقًا لآخر إعلانات شركات السيليكون الحبيبي المعنية، يجري العمل على تحسين هذه المشكلات، وقد تم إحراز بعض التقدم.
تُعدّ عملية إنتاج السيليكون باستخدام طبقة مميعة من السيلان عملية ناضجة في أوروبا والولايات المتحدة، بينما لا تزال في مراحلها الأولى بعد دخول الشركات الصينية. ففي ثمانينيات القرن الماضي، بدأت شركات أجنبية متخصصة في إنتاج السيليكون الحبيبي، مثل شركتي REC وMEMC، باستكشاف هذا المجال وتحقيق إنتاج واسع النطاق. وبلغت الطاقة الإنتاجية الإجمالية لشركة REC 10500 طن/سنة في عام 2010، متفوقةً على نظيرتها من شركة سيمنز في الفترة نفسها بفارق تكلفة لا يقل عن 2-3 دولارات أمريكية/كجم. إلا أن إنتاج السيليكون الحبيبي للشركة تراجع بسبب متطلبات سحب البلورات الأحادية، وتوقف في نهاية المطاف، ما دفعها إلى الدخول في مشروع مشترك مع الصين لتأسيس شركة إنتاج متخصصة في هذا المجال.
4. المواد الخام: يُعد السيليكون الصناعي المادة الخام الأساسية، ويمكن أن يلبي الإمداد احتياجات تمدد البولي سيليكون
يُعدّ السيليكون الصناعي المادة الخام الأساسية لإنتاج البولي سيليكون. ومن المتوقع أن ينمو إنتاج الصين من السيليكون الصناعي بشكل مطرد خلال الفترة من 2022 إلى 2025. وقد شهد إنتاج السيليكون الصناعي في الصين مرحلة توسع خلال الفترة من 2010 إلى 2021، حيث بلغ متوسط معدل النمو السنوي للطاقة الإنتاجية والإنتاج 7.4% و8.6% على التوالي. ووفقًا لبيانات SMM، فإن الزيادة الأخيرةالقدرة الإنتاجية الصناعية للسيليكونسيبلغ إنتاج الصين من السيليكون 890 ألف طن في عام 2022 و1.065 مليون طن في عام 2023. وبافتراض أن شركات السيليكون الصناعية ستحافظ على معدل استخدام الطاقة ومعدل التشغيل عند حوالي 60% في المستقبل، فإن إنتاج الصين المتزايد حديثًا من السيليكون سيشهد نموًا ملحوظًا.ستؤدي الطاقة الإنتاجية في عامي 2022 و2023 إلى زيادة في الإنتاج بمقدار 320 ألف طن و383 ألف طن على التوالي. وفقًا لتقديرات شركة GFCI،تبلغ الطاقة الإنتاجية الصناعية للسيليكون في الصين في الأعوام 22/23/24/25 حوالي 5.90/697/6.71/6.5 مليون طن، وهو ما يعادل 3.55/391/4.18/4.38 مليون طن.
يُعدّ معدل نموّ قطاعي الصناعات التحويلية المتبقيين في الصين بطيئًا نسبيًا، ويكفي إنتاج الصين من السيليكون الصناعي لتلبية احتياجاتها من البولي سيليكون. في عام 2021، بلغت الطاقة الإنتاجية للسيليكون الصناعي في الصين 5.385 مليون طن، أي ما يعادل إنتاجًا إجماليًا قدره 3.213 مليون طن، منها 623 ألف طن للبولي سيليكون، و898 ألف طن للسيليكون العضوي، و649 ألف طن لسبائك الألومنيوم. إضافةً إلى ذلك، يُصدّر ما يقارب 780 ألف طن من الإنتاج. في عام 2021، بلغت نسبة استهلاك البولي سيليكون والسيليكون العضوي وسبائك الألومنيوم 19% و28% و20% من إجمالي إنتاج السيليكون الصناعي على التوالي. من المتوقع أن يبقى معدل نموّ إنتاج السيليكون العضوي عند حوالي 10% خلال الفترة من 2022 إلى 2025، بينما سيكون معدل نموّ إنتاج سبائك الألومنيوم أقل من 5%. لذلك، نعتقد أن كمية السيليكون الصناعي التي يمكن استخدامها في البولي سيليكون في الفترة 2022-2025 كافية نسبياً، ويمكنها تلبية احتياجات إنتاج البولي سيليكون بشكل كامل.
5. توريد البولي سيليكون:الصينتحتل مكانة مهيمنة، ويتجمع الإنتاج تدريجياً لدى الشركات الرائدة
في السنوات الأخيرة، ازداد إنتاج البولي سيليكون العالمي عامًا بعد عام، وتركز تدريجيًا في الصين. ففي الفترة من 2017 إلى 2021، ارتفع الإنتاج العالمي السنوي من البولي سيليكون من 432 ألف طن إلى 631 ألف طن، مسجلاً أسرع نمو في عام 2021 بنسبة 21.11%. وخلال هذه الفترة، تركز إنتاج البولي سيليكون العالمي تدريجيًا في الصين، وارتفعت نسبة إنتاج الصين من البولي سيليكون من 56.02% في عام 2017 إلى 80.03% في عام 2021. وبمقارنة أكبر عشر شركات من حيث الطاقة الإنتاجية العالمية للبولي سيليكون في عامي 2010 و2021، يتضح أن عدد الشركات الصينية قد ازداد من 4 إلى 8، بينما انخفضت نسبة الطاقة الإنتاجية لبعض الشركات الأمريكية والكورية بشكل ملحوظ، لتخرج من قائمة العشرة الأوائل، مثل HEMOLOCK وOCI وREC وMEMC. ازداد تركيز الصناعة بشكل ملحوظ، وارتفعت الطاقة الإنتاجية الإجمالية لأكبر عشر شركات في هذا القطاع من 57.7% إلى 90.3%. في عام 2021، استحوذت خمس شركات صينية على أكثر من 10% من الطاقة الإنتاجية، بإجمالي 65.7%. هناك ثلاثة أسباب رئيسية وراء الانتقال التدريجي لصناعة البولي سيليكون إلى الصين. أولاً، يتمتع مصنّعو البولي سيليكون الصينيون بمزايا كبيرة من حيث تكاليف المواد الخام والكهرباء والعمالة. فأجور العمال في الصين أقل من نظيرتها في الدول الأجنبية، وبالتالي فإن تكلفة الإنتاج الإجمالية في الصين أقل بكثير من نظيرتها في الدول الأجنبية، وستستمر في الانخفاض مع التقدم التكنولوجي. ثانياً، جودة منتجات البولي سيليكون الصينية في تحسن مستمر، حيث أن معظمها من الدرجة الأولى المخصصة للاستخدام في الطاقة الشمسية، وتلبي بعض الشركات المتقدمة متطلبات النقاء. شهدت تكنولوجيا إنتاج البولي سيليكون عالي الجودة المستخدم في الإلكترونيات تطورات هائلة، مما أدى تدريجياً إلى استبدال الواردات من البولي سيليكون المحلي المستخدم في الإلكترونيات، وتعمل الشركات الصينية الرائدة بنشاط على تعزيز مشاريع البولي سيليكون عالي الجودة المستخدم في الإلكترونيات. ويمثل إنتاج رقائق السيليكون في الصين أكثر من 95% من إجمالي الإنتاج العالمي، مما زاد من اكتفاء الصين الذاتي من البولي سيليكون، وقلص حصة الشركات الأجنبية في السوق إلى حد ما.
من المتوقع أن يشهد الإنتاج السنوي للبولي سيليكون في الصين نموًا مطردًا خلال الفترة من 2017 إلى 2021، لا سيما في المناطق الغنية بموارد الطاقة مثل شينجيانغ ومنغوليا الداخلية وسيتشوان. وفي عام 2021، ارتفع إنتاج الصين من البولي سيليكون من 392 ألف طن إلى 505 آلاف طن، أي بزيادة قدرها 28.83%. أما فيما يتعلق بالطاقة الإنتاجية، فقد شهدت الصين عمومًا اتجاهًا تصاعديًا في إنتاج البولي سيليكون، إلا أنها انخفضت في عام 2020 نتيجة لإغلاق بعض المصانع. إضافةً إلى ذلك، ارتفع معدل استغلال الطاقة الإنتاجية لشركات البولي سيليكون الصينية بشكل متواصل منذ عام 2018، ومن المتوقع أن يصل إلى 97.12% في عام 2021. وعلى صعيد المقاطعات، يتركز إنتاج الصين من البولي سيليكون في عام 2021 بشكل رئيسي في المناطق ذات أسعار الكهرباء المنخفضة مثل شينجيانغ ومنغوليا الداخلية وسيتشوان. يبلغ إنتاج شينجيانغ 270,400 طن، وهو ما يزيد عن نصف إجمالي الإنتاج في الصين.
تتميز صناعة البولي سيليكون في الصين بدرجة عالية من التركيز، حيث تبلغ قيمة مؤشر التركيز (CR6) 77%، ومن المتوقع أن تشهد نموًا متزايدًا في المستقبل. وتُعد صناعة إنتاج البولي سيليكون من الصناعات التي تتطلب رأس مال كبير وعوائق تقنية عالية، إذ تستغرق دورة إنشاء المشاريع والإنتاج عادةً عامين أو أكثر. ويصعب على الشركات المصنعة الجديدة دخول هذا القطاع. وبالنظر إلى خطط التوسع والمشاريع الجديدة المعروفة خلال السنوات الثلاث المقبلة، فمن المرجح أن تستمر الشركات المصنعة التي تحتكر السوق في توسيع طاقتها الإنتاجية بفضل تقنياتها ومزايا حجمها، مما سيعزز مكانتها الاحتكارية.
تشير التقديرات إلى أن إمدادات البولي سيليكون في الصين ستشهد نموًا كبيرًا خلال الفترة من 2022 إلى 2025، حيث سيصل إنتاج البولي سيليكون إلى 1.194 مليون طن في عام 2025، مما سيدفع بتوسع الإنتاج العالمي للبولي سيليكون. في عام 2021، ومع الارتفاع الحاد في أسعار البولي سيليكون في الصين، استثمرت كبرى الشركات المصنعة في إنشاء خطوط إنتاج جديدة، وجذبت في الوقت نفسه شركات جديدة للانضمام إلى هذا القطاع. ونظرًا لأن مشاريع البولي سيليكون تستغرق ما لا يقل عن عام ونصف إلى عامين من الإنشاء إلى الإنتاج، فمن المتوقع اكتمال الإنشاءات الجديدة في عام 2021. وعادةً ما يبدأ الإنتاج الفعلي في النصف الثاني من عام 2022 وعام 2023. ويتوافق هذا تمامًا مع خطط المشاريع الجديدة التي أعلنتها كبرى الشركات المصنعة حاليًا. تتركز الطاقة الإنتاجية الجديدة للفترة 2022-2025 بشكل رئيسي في عامي 2022 و2023. بعد ذلك، ومع استقرار العرض والطلب على البولي سيليكون وسعره تدريجيًا، ستشهد الطاقة الإنتاجية الإجمالية في هذا القطاع انخفاضًا تدريجيًا، أي أن معدل نمو الطاقة الإنتاجية سيتراجع تدريجيًا. علاوة على ذلك، حافظت شركات البولي سيليكون على معدل استخدام طاقة إنتاجها مرتفعًا خلال العامين الماضيين، إلا أن زيادة الطاقة الإنتاجية للمشاريع الجديدة ستستغرق وقتًا، كما سيحتاج الداخلون الجدد إلى اكتساب الخبرة اللازمة في تقنيات التحضير. لذلك، من المتوقع أن يكون معدل استخدام الطاقة الإنتاجية لمشاريع البولي سيليكون الجديدة منخفضًا خلال السنوات القليلة المقبلة. بناءً على ذلك، يمكن التنبؤ بإنتاج البولي سيليكون للفترة 2022-2025، حيث يُتوقع أن يبلغ إنتاج البولي سيليكون في عام 2025 حوالي 1.194 مليون طن.
يُعدّ تركيز الطاقة الإنتاجية الخارجية مرتفعًا نسبيًا، ولن يكون معدل وسرعة زيادة الإنتاج خلال السنوات الثلاث المقبلة بنفس مستوى الصين. تتركز طاقة إنتاج البولي سيليكون في الخارج بشكل رئيسي لدى أربع شركات رائدة، بينما تمتلك الشركات الأخرى طاقة إنتاجية صغيرة. وتستحوذ شركة واكر كيم على نصف طاقة إنتاج البولي سيليكون في الخارج، حيث تبلغ الطاقة الإنتاجية لمصانعها في ألمانيا 60 ألف طن، وفي الولايات المتحدة 20 ألف طن. ومع أن التوسع الكبير المتوقع في الطاقة الإنتاجية العالمية للبولي سيليكون في عام 2022 وما بعده قد يُثير مخاوف بشأن فائض العرض، إلا أن الشركة لا تزال في حالة ترقب وانتظار، ولم تُخطط لإضافة طاقة إنتاجية جديدة. تُجري شركة OCI الكورية الجنوبية العملاقة في مجال البولي سيليكون نقلاً تدريجياً لخط إنتاجها من البولي سيليكون المستخدم في صناعة الطاقة الشمسية إلى ماليزيا، مع الإبقاء على خط إنتاجها الأصلي من البولي سيليكون المستخدم في صناعة الإلكترونيات في الصين، والذي من المخطط أن يصل إنتاجه إلى 5000 طن في عام 2022. وستبلغ الطاقة الإنتاجية لشركة OCI في ماليزيا 27000 طن في عام 2020 و30000 طن في عام 2021، مما يُحقق انخفاضاً في تكاليف استهلاك الطاقة ويتجنب الرسوم الجمركية الصينية المرتفعة على البولي سيليكون في الولايات المتحدة وكوريا الجنوبية. وتخطط الشركة لإنتاج 95000 طن، لكن تاريخ بدء الإنتاج غير واضح. ومن المتوقع أن يرتفع الإنتاج بمعدل 5000 طن سنوياً خلال السنوات الأربع القادمة. أما شركة REC النرويجية، فلديها قاعدتا إنتاج في ولايتي واشنطن ومونتانا الأمريكيتين، بطاقة إنتاجية سنوية تبلغ 18000 طن من البولي سيليكون المستخدم في صناعة الطاقة الشمسية و2000 طن من البولي سيليكون المستخدم في صناعة الإلكترونيات. بعد أن كانت شركة REC تعاني من ضائقة مالية شديدة، قررت تعليق الإنتاج، ثم استأنفت، مدفوعةً بارتفاع أسعار البولي سيليكون في عام 2021، إنتاج 18 ألف طن في ولاية واشنطن و2 ألف طن في مونتانا بحلول نهاية عام 2023، على أن تستكمل رفع طاقتها الإنتاجية بالكامل في عام 2024. تُعدّ شركة Hemlock أكبر منتج للبولي سيليكون في الولايات المتحدة، وهي متخصصة في إنتاج بولي سيليكون عالي النقاء للاستخدامات الإلكترونية. وتُصعّب الحواجز التقنية العالية أمام الإنتاج استبدال منتجات الشركة في السوق. وبالنظر إلى أن الشركة لا تخطط لبناء مشاريع جديدة خلال السنوات القليلة المقبلة، فمن المتوقع أن تبقى طاقتها الإنتاجية عند 18 ألف طن خلال الفترة 2022-2025. إضافةً إلى ذلك، ستصل الطاقة الإنتاجية الجديدة للشركات الأخرى، باستثناء الشركات الأربع المذكورة أعلاه، إلى 5 آلاف طن في عام 2021. نظراً لعدم فهم خطط الإنتاج لجميع الشركات، يُفترض هنا أن الطاقة الإنتاجية الجديدة ستكون 5000 طن سنوياً من عام 2022 إلى عام 2025.
وفقًا للطاقة الإنتاجية الخارجية، يُقدّر أن يصل إنتاج البولي سيليكون في الخارج عام 2025 إلى حوالي 176 ألف طن، بافتراض ثبات معدل استغلال الطاقة الإنتاجية الخارجية. بعد الارتفاع الحاد في سعر البولي سيليكون عام 2021، زادت الشركات الصينية إنتاجها ووسّعته. في المقابل، تتوخى الشركات الأجنبية الحذر في خططها للمشاريع الجديدة، نظرًا لسيطرة الصين على صناعة البولي سيليكون، حيث قد يؤدي التوسع العشوائي في الإنتاج إلى خسائر. من ناحية التكلفة، يُعد استهلاك الطاقة المكون الأكبر في تكلفة البولي سيليكون، لذا فإن سعر الكهرباء عامل بالغ الأهمية، وتتمتع مناطق مثل شينجيانغ ومنغوليا الداخلية وسيتشوان بمزايا واضحة. أما من ناحية الطلب، فتُشكّل الصين، بصفتها المستفيد المباشر من البولي سيليكون، أكثر من 99% من إجمالي إنتاج رقائق السيليكون في العالم، وتتركز صناعة البولي سيليكون بشكل رئيسي في الصين. يتميز سعر البولي سيليكون المُنتَج بانخفاضه، وانخفاض تكلفة نقله، وتوافر الطلب عليه بشكل كامل. ثانيًا، فرضت الصين رسومًا جمركية عالية نسبيًا لمكافحة الإغراق على واردات البولي سيليكون المستخدم في الطاقة الشمسية من الولايات المتحدة وكوريا الجنوبية، مما أدى إلى انخفاض كبير في استهلاك البولي سيليكون من هاتين الدولتين. لذا، يُنصح بتوخي الحذر عند إنشاء مشاريع جديدة. إضافةً إلى ذلك، شهدت شركات البولي سيليكون الصينية العاملة في الخارج تباطؤًا في النمو خلال السنوات الأخيرة نتيجةً لتأثير الرسوم الجمركية، حيث تم تقليص بعض خطوط الإنتاج أو حتى إغلاقها، وتناقصت حصتها في الإنتاج العالمي عامًا بعد عام. وبالتالي، لن يكون من الممكن مقارنة ارتفاع أسعار البولي سيليكون في عام 2021 بارتفاع أرباح الشركات الصينية، حيث لا تسمح الظروف المالية بتوسيع طاقتها الإنتاجية بشكل سريع وواسع النطاق.
استنادًا إلى التوقعات الخاصة بإنتاج البولي سيليكون في الصين وخارجها للفترة من 2022 إلى 2025، يمكن حساب القيمة المتوقعة للإنتاج العالمي للبولي سيليكون. وتشير التقديرات إلى أن الإنتاج العالمي سيبلغ 1.371 مليون طن في عام 2025. وبناءً على هذه التوقعات، يمكن تحديد حصة الصين من الإنتاج العالمي تقريبًا. ومن المتوقع أن تتوسع هذه الحصة تدريجيًا خلال الفترة من 2022 إلى 2025، لتتجاوز 87% في عام 2025.
6- ملخص وتوقعات
يُعدّ البولي سيليكون عنصرًا أساسيًا في سلسلة صناعات الخلايا الكهروضوئية وأشباه الموصلات، حيث يقع في المراحل اللاحقة لإنتاج السيليكون الصناعي وفي المراحل السابقة لها. تتكون سلسلة صناعة الخلايا الكهروضوئية عمومًا من: البولي سيليكون، رقاقة السيليكون، الخلية، الوحدة، ثم القدرة المركبة للخلايا الكهروضوئية. أما سلسلة صناعة أشباه الموصلات فتتكون عمومًا من: البولي سيليكون، رقاقة السيليكون أحادي البلورة، رقاقة السيليكون، ثم الشريحة. وتختلف متطلبات نقاء البولي سيليكون باختلاف الاستخدامات. تستخدم صناعة الخلايا الكهروضوئية بشكل رئيسي البولي سيليكون المُستخدم في صناعة الطاقة الشمسية، بينما تستخدم صناعة أشباه الموصلات البولي سيليكون المُستخدم في صناعة الإلكترونيات. يتراوح نقاء النوع الأول بين 6N و8N، بينما يتطلب النوع الثاني نقاءً لا يقل عن 9N.
لسنوات طويلة، كانت طريقة سيمنز المُحسّنة هي الطريقة السائدة لإنتاج البولي سيليكون في جميع أنحاء العالم. في السنوات الأخيرة، اتجهت بعض الشركات بنشاط نحو استكشاف طريقة المائع المميع بالسيليان الأقل تكلفة، مما قد يؤثر على نمط الإنتاج. يتميز البولي سيليكون ذو الشكل العصوي، المُنتَج بطريقة سيمنز المُعدّلة، باستهلاك عالٍ للطاقة وتكلفة عالية ونقاء عالٍ، بينما يتميز السيليكون الحبيبي المُنتَج بطريقة المائع المميع بالسيليان باستهلاك منخفض للطاقة وتكلفة منخفضة ونقاء منخفض نسبيًا. حققت بعض الشركات الصينية إنتاجًا ضخمًا للسيليكون الحبيبي وتقنية استخدامه في سحب البولي سيليكون، إلا أن هذه التقنية لم تنتشر على نطاق واسع. يعتمد استبدال السيليكون الحبيبي بالسيليكون الحبيبي في المستقبل على ما إذا كانت ميزة التكلفة تُغطي عيوب الجودة، وتأثير التطبيقات اللاحقة، وتحسين سلامة السيليان. في السنوات الأخيرة، ازداد إنتاج البولي سيليكون العالمي عامًا بعد عام، ويتركز تدريجيًا في الصين. من المتوقع أن يرتفع الإنتاج العالمي السنوي من البولي سيليكون من 432 ألف طن إلى 631 ألف طن خلال الفترة من 2017 إلى 2021، مع تسجيل أسرع نمو في عام 2021. وخلال هذه الفترة، تركز إنتاج البولي سيليكون العالمي بشكل متزايد في الصين، حيث ارتفعت حصتها من 56.02% في عام 2017 إلى 80.03% في عام 2021. ومن المتوقع أن يشهد المعروض من البولي سيليكون نموًا كبيرًا خلال الفترة من 2022 إلى 2025. وتشير التقديرات إلى أن إنتاج البولي سيليكون في الصين سيبلغ 1.194 مليون طن في عام 2025، بينما سيصل الإنتاج العالمي إلى 176 ألف طن. وبذلك، سيبلغ الإنتاج العالمي من البولي سيليكون في عام 2025 حوالي 1.37 مليون طن.
(هذه المقالة مخصصة فقط لعملاء UrbanMines ولا تمثل أي نصيحة استثمارية)