1. Polysilizium-Industriekette: Der Produktionsprozess ist komplex, und die nachgelagerten Bereiche konzentrieren sich auf Photovoltaik-Halbleiter.
Polysilizium wird hauptsächlich aus Industriesilizium, Chlor und Wasserstoff hergestellt und ist ein wichtiger Bestandteil der Wertschöpfungskette der Photovoltaik- und Halbleiterindustrie. Laut CPIA-Daten ist das modifizierte Siemens-Verfahren das weltweit gängigste Herstellungsverfahren für Polysilizium. Mit Ausnahme von China werden über 95 % des Polysiliziums nach diesem Verfahren produziert. Bei der Herstellung von Polysilizium nach dem modifizierten Siemens-Verfahren wird zunächst Chlorgas mit Wasserstoffgas zu Chlorwasserstoff kombiniert. Dieser reagiert anschließend mit dem zuvor zerkleinerten und gemahlenen Industriesiliziumpulver zu Trichlorsilan, welches durch weitere Reduktion mit Wasserstoffgas zu Polysilizium reduziert wird. Polykristallines Silizium kann geschmolzen und abgekühlt werden, um polykristalline Siliziumblöcke herzustellen. Einkristallines Silizium kann durch Czochralski- oder Zonenschmelzen gewonnen werden. Im Vergleich zu polykristallinem Silizium besteht einkristallines Silizium aus Kristallkörnern mit gleicher Kristallorientierung und weist daher eine bessere elektrische Leitfähigkeit und einen höheren Wirkungsgrad auf. Sowohl polykristalline Siliziumblöcke als auch monokristalline Siliziumstäbe lassen sich weiter zu Siliziumwafern und -zellen verarbeiten, die wiederum wichtige Bestandteile von Photovoltaikmodulen bilden und in der Photovoltaik eingesetzt werden. Darüber hinaus können einkristalline Siliziumwafer durch wiederholtes Schleifen, Polieren, Epitaxie, Reinigen und andere Prozesse zu Siliziumwafern geformt werden, die als Substratmaterialien für Halbleiterbauelemente dienen können.
Der Reinheitsgrad von Polysilizium ist streng reglementiert, und die Branche zeichnet sich durch hohe Investitionskosten und hohe technische Hürden aus. Da die Reinheit von Polysilizium den Einkristallziehprozess maßgeblich beeinflusst, sind die Reinheitsanforderungen extrem streng. Die Mindestreinheit von Polysilizium beträgt 99,9999 %, die Höchstreinheit liegt nahezu bei 100 %. Darüber hinaus legen die chinesischen nationalen Normen klare Anforderungen an den Reinheitsgrad fest. Basierend darauf wird Polysilizium in die Reinheitsgrade I, II und III eingeteilt, wobei der Gehalt an Bor, Phosphor, Sauerstoff und Kohlenstoff ein wichtiger Referenzwert ist. Die „Zugangsbedingungen für die Polysiliziumindustrie“ schreiben vor, dass Unternehmen über ein solides Qualitätsprüfungs- und -managementsystem verfügen und die Produktstandards strikt den nationalen Normen entsprechen müssen. Darüber hinaus erfordern die Zugangsbedingungen auch eine bestimmte Größe und einen bestimmten Energieverbrauch von Polysilizium-Produktionsanlagen. So müssen Projekte für Solar- und Elektronik-Polysilizium eine Kapazität von über 3.000 bzw. 1.000 Tonnen pro Jahr aufweisen. Die Mindestkapitalquote bei Neubau-, Umbau- und Erweiterungsprojekten darf 30 % nicht unterschreiten. Polysilizium ist daher eine kapitalintensive Branche. Laut CPIA-Statistiken sind die Investitionskosten für 2021 in Betrieb genommene Produktionsanlagen mit einer Kapazität von 10.000 Tonnen Polysilizium leicht auf 103 Millionen Yuan/kt gestiegen. Grund dafür sind die gestiegenen Preise für Massenmetalle. Es wird erwartet, dass die Investitionskosten zukünftig mit dem technologischen Fortschritt der Produktionsanlagen und dem sinkenden Monomerverbrauch bei zunehmender Anlagengröße weiter steigen werden. Gemäß den Vorschriften darf der Energieverbrauch für die Czochralski-Reduktion von Solar- und Elektronik-Polysilizium 60 kWh/kg bzw. 100 kWh/kg nicht überschreiten. Die Anforderungen an die Energieverbrauchskennzahlen sind entsprechend streng. Die Polysiliziumproduktion zählt zur chemischen Industrie. Der Produktionsprozess ist relativ komplex und erfordert hohe Anforderungen an die technischen Abläufe, die Anlagenauswahl, die Inbetriebnahme und den Betrieb. Er umfasst zahlreiche komplexe chemische Reaktionen und über 1.000 Kontrollpunkte. Neueinsteiger können sich die ausgereiften Verfahren nur schwer aneignen. Daher bestehen in der Polysiliziumproduktion hohe Kapital- und Technologiebarrieren, was Polysiliziumhersteller dazu veranlasst, den Prozessablauf sowie die Verpackungs- und Transportprozesse streng zu optimieren.
2. Polysilizium-Klassifizierung: Die Reinheit bestimmt die Verwendung, wobei Solarsilizium den Großteil ausmacht.
Polykristallines Silizium, eine Form von elementarem Silizium, besteht aus Kristallkörnern mit unterschiedlicher Kristallorientierung und wird hauptsächlich durch industrielle Siliziumverarbeitung gewonnen. Es hat ein graues, metallisch glänzendes Aussehen und einen Schmelzpunkt von etwa 1410 °C. Bei Raumtemperatur ist es inaktiv, im geschmolzenen Zustand jedoch reaktiver. Polysilizium besitzt Halbleitereigenschaften und ist ein äußerst wichtiges und hervorragendes Halbleitermaterial. Bereits geringe Verunreinigungen können seine Leitfähigkeit jedoch stark beeinträchtigen. Es gibt zahlreiche Klassifizierungsmethoden für Polysilizium. Neben der oben genannten Klassifizierung nach chinesischen nationalen Standards werden hier drei weitere wichtige Klassifizierungsmethoden vorgestellt. Je nach Reinheitsanforderungen und Verwendungszweck wird Polysilizium in Solar- und Elektronik-Polysilizium unterteilt. Solar-Polysilizium wird hauptsächlich für die Herstellung von Photovoltaikzellen verwendet, während Elektronik-Polysilizium in der Halbleiterindustrie als Rohmaterial für Chips und andere Produkte weit verbreitet ist. Die Reinheit von Polysilizium in Solarqualität liegt bei 6–8N, d. h. der Gesamtgehalt an Verunreinigungen muss unter 10⁻⁶ liegen und die Reinheit des Polysiliziums mindestens 99,9999 % betragen. Die Reinheitsanforderungen an Polysilizium in Elektronikqualität sind strenger, mit einem Minimum von 9N und einem derzeitigen Maximum von 12N. Die Herstellung von Polysilizium in Elektronikqualität ist vergleichsweise schwierig. Nur wenige chinesische Unternehmen beherrschen die Produktionstechnologie für diese Qualität und sind daher weiterhin stark von Importen abhängig. Derzeit ist die Produktionsmenge von Polysilizium in Solarqualität deutlich höher als die von Polysilizium in Elektronikqualität; sie ist etwa 13,8-mal so hoch.
Siliziummaterialien unterscheiden sich in ihrer Dotierung und Leitfähigkeit und lassen sich in p- und n-Typ-Batterien unterteilen. Bei Dotierung mit Akzeptor-Elementen wie Bor, Aluminium, Gallium usw. dominiert die Lochleitung, und es handelt sich um p-Typ-Batterien. Bei Dotierung mit Donator-Elementen wie Phosphor, Arsen, Antimon usw. dominiert die Elektronenleitung, und es handelt sich um n-Typ-Batterien. Zu den p-Typ-Batterien zählen hauptsächlich BSF- und PERC-Batterien. Im Jahr 2021 werden PERC-Batterien über 91 % des Weltmarkts ausmachen, und BSF-Batterien werden vom Markt verschwinden. Während der Phase, in der PERC BSF ablöste, stieg der Wirkungsgrad von P-Zellen von unter 20 % auf über 23 % und näherte sich damit dem theoretischen Grenzwert von 24,5 %. Der theoretische Grenzwert für N-Zellen liegt bei 28,7 %. N-Zellen weisen einen hohen Wirkungsgrad auf. Aufgrund ihres hohen bifazialen Verhältnisses und des niedrigen Temperaturkoeffizienten haben Unternehmen begonnen, Massenproduktionslinien für N-Batterien einzurichten. Laut Prognose der CPIA wird der Anteil von N-Batterien bis 2022 deutlich von 3 % auf 13,4 % steigen. Es wird erwartet, dass in den nächsten fünf Jahren die Ablösung der N- durch die P-Batterie erfolgen wird. Je nach Oberflächenqualität lassen sich Batterien in dichtes, blumenkohlartiges und korallenartiges Material unterteilen. Die Oberfläche des dichten Materials weist die geringste Konkavität (unter 5 mm), keine Farbanomalien und keine Oxidationsschicht auf und ist am teuersten. Das blumenkohlartige Material weist eine mäßige Oberflächenwölbung (5–20 mm) und einen mittleren Querschnitt auf und ist preislich im mittleren Bereich angesiedelt. Das korallenartige Material hingegen zeigt eine stärkere Oberflächenwölbung mit einer Tiefe von über 20 mm, einen lockeren Querschnitt und ist am günstigsten. Dichtes Material wird hauptsächlich zur Herstellung von monokristallinem Silizium verwendet, während blumenkohlartiges und korallenartiges Material vorwiegend zur Herstellung von polykristallinen Siliziumwafern eingesetzt werden. In der täglichen Produktion von Unternehmen kann dichtes Material mit mindestens 30 % blumenkohlartigem Material dotiert werden, um monokristallines Silizium herzustellen. Dadurch lassen sich Rohstoffkosten sparen, allerdings verringert die Verwendung von blumenkohlartigem Material die Kristallziehleistung. Unternehmen müssen daher nach Abwägung beider Materialien das geeignete Dotierungsverhältnis wählen. Der Preisunterschied zwischen dichtem und blumenkohlartigem Material hat sich in letzter Zeit bei etwa 3 RMB/kg stabilisiert. Sollte sich der Preisunterschied weiter vergrößern, könnten Unternehmen eine stärkere Dotierung mit blumenkohlartigem Material beim Ziehen von monokristallinem Silizium in Betracht ziehen.
3. Prozess: Die Siemens-Methode ist richtungsweisend, und der Energieverbrauch wird zum Schlüssel des technologischen Wandels
Die Herstellung von Polysilizium lässt sich grob in zwei Schritte unterteilen. Im ersten Schritt wird industrielles Siliziumpulver mit wasserfreiem Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan und Wasserstoff umgesetzt. Nach wiederholter Destillation und Reinigung erhält man gasförmiges Trichlorsilan, Dichlordihydrosilizium und Silan. Im zweiten Schritt wird das hochreine Gas zu kristallinem Silizium reduziert. Die Reduktion unterscheidet sich je nach modifiziertem Siemens-Verfahren oder Silan-Wirbelschichtverfahren. Das verbesserte Siemens-Verfahren zeichnet sich durch ausgereifte Produktionstechnologie und hohe Produktqualität aus und ist derzeit das am weitesten verbreitete Verfahren. Beim traditionellen Siemens-Verfahren wird wasserfreier Chlorwasserstoff aus Chlor und industriellem Siliziumpulver synthetisiert, um bei einer bestimmten Temperatur Trichlorsilan zu erhalten. Dieses wird anschließend abgetrennt, rektifiziert und gereinigt. Das Silizium wird in einem Wasserstoffreduktionsofen thermisch reduziert, wodurch elementares Silizium auf dem Siliziumkern abgeschieden wird. Auf dieser Grundlage ist das verbesserte Siemens-Verfahren mit einem unterstützenden Prozess zur Wiederverwertung großer Mengen an Nebenprodukten wie Wasserstoff, Chlorwasserstoff und Siliciumtetrachlorid ausgestattet. Dieser Prozess umfasst im Wesentlichen die Rückgewinnung von Reduktionsabgasen und die Wiederverwendung von Siliciumtetrachlorid. Wasserstoff, Chlorwasserstoff, Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid im Abgas werden durch Trockenrückgewinnung abgetrennt. Wasserstoff und Chlorwasserstoff können zur Synthese und Reinigung mit Trichlorsilan wiederverwendet werden, wobei Trichlorsilan direkt in die thermische Reduktion zurückgeführt wird. Die Reinigung erfolgt im Ofen, und Siliciumtetrachlorid wird zu Trichlorsilan hydriert, das wiederum zur Reinigung eingesetzt werden kann. Dieser Schritt wird auch als Kalthydrierung bezeichnet. Durch die Realisierung einer geschlossenen Produktionskette können Unternehmen den Verbrauch von Rohstoffen und Strom deutlich reduzieren und somit die Produktionskosten effektiv senken.
Die Kosten für die Polysiliziumproduktion nach dem verbesserten Siemens-Verfahren in China umfassen Rohstoffe, Energieverbrauch, Abschreibungen, Verarbeitungskosten usw. Der technologische Fortschritt in der Branche hat die Kosten deutlich gesenkt. Bei den Rohstoffen handelt es sich hauptsächlich um Industriesilizium und Trichlorsilan, der Energieverbrauch umfasst Strom und Dampf, und die Verarbeitungskosten beinhalten die Inspektions- und Reparaturkosten der Produktionsanlagen. Laut Statistiken von Baichuan Yingfu zu den Polysiliziumproduktionskosten von Anfang Juni 2022 sind die Rohstoffe mit 41 % der Gesamtkosten der größte Kostenfaktor, wobei Industriesilizium die Hauptsiliziumquelle darstellt. Der in der Branche übliche Siliziumverbrauch gibt die Menge an Silizium an, die pro Einheit hochreinem Siliziumprodukt verbraucht wird. Die Berechnungsmethode besteht darin, alle siliziumhaltigen Materialien wie zugekauftes Industriesiliziumpulver und Trichlorsilan in reines Silizium umzurechnen und anschließend das zugekaufte Chlorsilan entsprechend dem Verhältnis des Siliziumgehalts abzuziehen. Laut CPIA-Daten wird der Siliziumverbrauch im Jahr 2021 um 0,01 kg/kg-Si auf 1,09 kg/kg-Si sinken. Es wird erwartet, dass er sich durch die Verbesserung der Kalthydrierung und des Recyclings von Nebenprodukten bis 2030 auf 1,07 kg/kg-Si weiter reduzieren lässt. Unvollständigen Statistiken zufolge liegt der Siliziumverbrauch der fünf größten chinesischen Polysilizium-Unternehmen unter dem Branchendurchschnitt. Zwei dieser Unternehmen werden im Jahr 2021 voraussichtlich 1,08 kg/kg-Si bzw. 1,05 kg/kg-Si verbrauchen. Der zweitgrößte Kostenfaktor ist der Energieverbrauch mit 32 %, wovon 30 % auf Strom entfallen. Dies zeigt, dass Strompreis und -effizienz weiterhin wichtige Faktoren für die Polysilizium-Produktion darstellen. Die beiden wichtigsten Indikatoren zur Messung der Energieeffizienz sind der Gesamtenergieverbrauch und der Reduktionsenergieverbrauch. Der Reduktionsenergieverbrauch bezieht sich auf den Prozess der Reduktion von Trichlorsilan und Wasserstoff zur Herstellung von hochreinem Siliziummaterial. Der Energieverbrauch umfasst die Vorwärmung und Abscheidung des Siliziumkerns, die Wärmespeicherung, die Endbelüftung und weitere Prozesskosten. Dank des technologischen Fortschritts und der umfassenden Energienutzung wird der durchschnittliche Gesamtenergieverbrauch der Polysiliziumproduktion im Jahr 2021 im Vergleich zum Vorjahr um 5,3 % auf 63 kWh/kg Si sinken. Der durchschnittliche Reduktionsenergieverbrauch wird sich im Vergleich zum Vorjahr um 6,1 % auf 46 kWh/kg Si verringern und voraussichtlich in Zukunft weiter sinken. Darüber hinaus stellen die Abschreibungen mit 17 % einen wichtigen Kostenfaktor dar. Es ist erwähnenswert, dass die gesamten Produktionskosten für Polysilizium laut Daten von Baichuan Yingfu Anfang Juni 2022 bei etwa 55.816 Yuan/Tonne lagen, der durchschnittliche Marktpreis für Polysilizium bei etwa 260.000 Yuan/Tonne lag und die Bruttogewinnmarge bei 70 % oder mehr lag, was zahlreiche Unternehmen dazu veranlasste, in den Aufbau von Polysilizium-Produktionskapazitäten zu investieren.
Es gibt zwei Möglichkeiten für Polysiliziumhersteller, Kosten zu senken: die Reduzierung der Rohstoffkosten und die Senkung des Energieverbrauchs. Im Hinblick auf die Rohstoffe können Hersteller die Kosten durch langfristige Kooperationsvereinbarungen mit Industriesiliziumherstellern oder durch den Aufbau integrierter Produktionskapazitäten entlang der gesamten Wertschöpfungskette senken. Beispielsweise sind Polysilizium-Produktionsanlagen im Wesentlichen auf ihre eigene Industriesiliziumversorgung angewiesen. Beim Energieverbrauch können Hersteller die Stromkosten durch niedrige Strompreise und eine umfassende Verbesserung des Energieverbrauchs reduzieren. Rund 70 % des gesamten Stromverbrauchs entfallen auf die Reduzierung des Energieverbrauchs, was auch ein Schlüsselfaktor für die Herstellung von hochreinem kristallinem Silizium ist. Daher konzentriert sich der Großteil der Polysilizium-Produktionskapazitäten in China in Regionen mit niedrigen Strompreisen wie Xinjiang, der Inneren Mongolei, Sichuan und Yunnan. Mit dem Fortschreiten der Klimaschutzstrategie wird es jedoch schwieriger, große Mengen an kostengünstigen Energieressourcen zu beschaffen. Daher ist die Reduzierung des Energieverbrauchs derzeit der praktikabelste Weg zur Kostensenkung. Derzeit besteht die effektivste Methode zur Reduzierung des Energieverbrauchs bei der Reduktion darin, die Anzahl der Siliziumkerne im Reduktionsofen zu erhöhen und so die Leistung einer einzelnen Anlage zu steigern. Die gängigsten Reduktionsofentypen in China sind derzeit 36, 40 und 48 Stabpaare. Die Modernisierung der Öfen auf 60 und 72 Stabpaare stellt jedoch gleichzeitig höhere Anforderungen an das technologische Niveau der Produktionsunternehmen.
Im Vergleich zum verbesserten Siemens-Verfahren bietet das Silan-Wirbelschichtverfahren drei Vorteile: einen geringen Energieverbrauch, eine hohe Kristallausbeute und eine bessere Kombinierbarkeit mit der fortschrittlicheren CCZ-Technologie (kontinuierliches Czochralski-Verfahren). Laut Angaben des Verbandes der Siliziumindustrie beträgt der Gesamtenergieverbrauch des Silan-Wirbelschichtverfahrens 33,33 % des Verbrauchs des verbesserten Siemens-Verfahrens, was einer Reduzierung um 10 % entspricht. Das Silan-Wirbelschichtverfahren bietet somit deutliche Vorteile hinsichtlich des Energieverbrauchs. Hinsichtlich des Kristallziehens ermöglicht das granuläre Silizium aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften ein leichteres Befüllen des Quarztiegels im Zuggestänge für Einkristallsilizium. Polykristallines und granuläres Silizium erhöhen die Füllkapazität eines einzelnen Ofentiegels um 29 % und reduzieren gleichzeitig die Füllzeit um 41 %, wodurch die Ziehleistung von Einkristallsilizium signifikant verbessert wird. Darüber hinaus zeichnet sich granuläres Silizium durch einen geringen Durchmesser und gute Fließfähigkeit aus und ist daher besser für das CCZ-Verfahren geeignet. Aktuell ist die RCZ-Einkristall-Umformmethode die gängigste Technologie zum Ziehen von Einkristallen im mittleren und unteren Bereich. Dabei wird der Kristall nach dem Ziehen eines Silizium-Einkristallstabs erneut zugeführt und gezogen. Der Ziehvorgang erfolgt simultan, wodurch die Abkühlzeit des Silizium-Einkristallstabs verkürzt und somit die Produktionseffizienz gesteigert wird. Die rasante Entwicklung des CCZ-Verfahrens (kontinuierliches Czochralski-Verfahren) wird die Nachfrage nach granuliertem Silizium weiter ankurbeln. Granuliertes Silizium weist zwar einige Nachteile auf, wie beispielsweise die durch Reibung entstehende größere Menge an Siliziumpulver, die große Oberfläche, die Anfälligkeit für Verunreinigungen und die Wasserstoffverbindung während des Schmelzens, die zu Fehlstellen führen kann, doch laut jüngsten Meldungen von Unternehmen der Branche werden diese Probleme verbessert und es wurden bereits Fortschritte erzielt.
Das Silan-Wirbelschichtverfahren ist in Europa und den USA ausgereift, befindet sich aber nach der Einführung durch chinesische Unternehmen noch in den Anfängen. Bereits in den 1980er Jahren begannen ausländische Hersteller von granuliertem Silizium, allen voran REC und MEMC, die Produktion zu erforschen und erreichten eine großtechnische Fertigung. RECs Produktionskapazität für granuliertes Silizium erreichte 2010 10.500 Tonnen pro Jahr und bot im Vergleich zu Siemens im selben Zeitraum einen Kostenvorteil von mindestens 2–3 US-Dollar pro Kilogramm. Aufgrund des Bedarfs an Einkristallziehverfahren stagnierte die Produktion von granuliertem Silizium bei REC und wurde schließlich eingestellt. Daraufhin gründete das Unternehmen ein Joint Venture mit China, um ein Produktionsunternehmen für granuliertes Silizium aufzubauen.
4. Rohstoffe: Industrielles Silizium ist der wichtigste Rohstoff, und die Versorgung kann den Bedarf der Polysilizium-Expansion decken.
Industriesilizium ist der wichtigste Rohstoff für die Polysiliziumproduktion. Es wird erwartet, dass Chinas Industriesiliziumproduktion von 2022 bis 2025 stetig wachsen wird. Von 2010 bis 2021 befand sich Chinas Industriesiliziumproduktion in einer Expansionsphase mit durchschnittlichen jährlichen Wachstumsraten von 7,4 % bei der Produktionskapazität und 8,6 % bei der Produktionsmenge. Laut SMM-Daten hat die neu gestiegeneindustrielle SiliziumproduktionskapazitätDie chinesische Siliziumproduktion wird 2022 und 2023 890.000 bzw. 1,065 Millionen Tonnen betragen. Unter der Annahme, dass die Siliziumindustrie auch künftig eine Kapazitätsauslastung und einen Betriebsgrad von rund 60 % beibehalten wird, dürfte Chinas neu gestiegene SiliziumproduktionDie Produktionskapazität wird in den Jahren 2022 und 2023 um 320.000 Tonnen bzw. 383.000 Tonnen steigen. Laut Schätzungen der GFCIChinas industrielle Siliziumproduktionskapazität in den Jahren 22/23/24/25 beträgt etwa 5,90/697/6,71/6,5 Millionen Tonnen, entsprechend 3,55/391/4,18/4,38 Millionen Tonnen.
Das Wachstum der beiden verbleibenden nachgelagerten Bereiche der Siliziumverarbeitung verläuft relativ langsam, und Chinas Siliziumproduktion deckt im Wesentlichen den Bedarf an Polysilizium. Im Jahr 2021 wird Chinas Produktionskapazität für Silizium 5,385 Millionen Tonnen betragen, was einer Produktion von 3,213 Millionen Tonnen entspricht. Davon werden 623.000 Tonnen für Polysilizium, 898.000 Tonnen für organisches Silizium und 649.000 Tonnen für Aluminiumlegierungen verbraucht. Zusätzlich werden knapp 780.000 Tonnen exportiert. Der Verbrauch von Polysilizium, organischem Silizium und Aluminiumlegierungen wird im Jahr 2021 19 %, 28 % bzw. 20 % der gesamten Siliziumproduktion ausmachen. Von 2022 bis 2025 wird ein Wachstum der organischen Siliziumproduktion von rund 10 % erwartet, während das Wachstum der Aluminiumlegierungsproduktion unter 5 % liegen dürfte. Daher gehen wir davon aus, dass die Menge an industriellem Silizium, die im Zeitraum 2022-2025 für Polysilizium verwendet werden kann, relativ ausreichend ist und den Produktionsbedarf an Polysilizium vollständig decken kann.
5. Polysiliziumversorgung:Chinanimmt eine dominierende Stellung ein, und die Produktion konzentriert sich allmählich bei führenden Unternehmen.
In den letzten Jahren ist die weltweite Polysiliziumproduktion kontinuierlich gestiegen und hat sich zunehmend in China konzentriert. Von 2017 bis 2021 stieg die globale jährliche Polysiliziumproduktion von 432.000 Tonnen auf 631.000 Tonnen, wobei das stärkste Wachstum im Jahr 2021 mit einer Wachstumsrate von 21,11 % verzeichnet wurde. In diesem Zeitraum konzentrierte sich die weltweite Polysiliziumproduktion zunehmend in China, und der Anteil Chinas an der Gesamtproduktion stieg von 56,02 % im Jahr 2017 auf 80,03 % im Jahr 2021. Vergleicht man die zehn größten Unternehmen der globalen Polysiliziumproduktion in den Jahren 2010 und 2021, so zeigt sich, dass die Anzahl chinesischer Unternehmen von vier auf acht gestiegen ist, während der Anteil der Produktionskapazität einiger amerikanischer und koreanischer Unternehmen deutlich gesunken ist und diese aus den Top Ten ausgeschieden sind, darunter HEMOLOCK, OCI, REC und MEMC. Die Branchenkonzentration hat deutlich zugenommen, und die Gesamtproduktionskapazität der zehn größten Unternehmen ist von 57,7 % auf 90,3 % gestiegen. Im Jahr 2021 entfielen mehr als 10 % der Produktionskapazität auf fünf chinesische Unternehmen, insgesamt 65,7 %. Es gibt drei Hauptgründe für die schrittweise Verlagerung der Polysiliziumindustrie nach China. Erstens verfügen chinesische Polysiliziumhersteller über erhebliche Kostenvorteile bei Rohstoffen, Strom und Arbeitskräften. Die Löhne sind niedriger als im Ausland, wodurch die Produktionskosten in China insgesamt deutlich geringer sind und mit dem technologischen Fortschritt weiter sinken werden. Zweitens verbessert sich die Qualität chinesischer Polysiliziumprodukte stetig; die meisten entsprechen erstklassigem Solarstandard, und einzelne fortschrittliche Unternehmen erfüllen die Reinheitsanforderungen. Durchbrüche in der Produktionstechnologie von hochqualitativem Elektronik-Polysilizium führen schrittweise zur Substitution von Importen durch inländisches Elektronik-Polysilizium. Führende chinesische Unternehmen treiben den Bau von Produktionsanlagen für Elektronik-Polysilizium aktiv voran. Chinas Produktionsmenge an Siliziumwafern beträgt über 95 % der weltweiten Gesamtproduktion, wodurch der Selbstversorgungsgrad Chinas mit Polysilizium stetig gestiegen ist und der Markt für ausländische Polysiliziumunternehmen teilweise verkleinert wurde.
Von 2017 bis 2021 wird die jährliche Polysiliziumproduktion in China stetig steigen, vor allem in energiereichen Regionen wie Xinjiang, der Inneren Mongolei und Sichuan. Im Jahr 2021 wird die chinesische Polysiliziumproduktion von 392.000 Tonnen auf 505.000 Tonnen zunehmen, ein Anstieg um 28,83 %. Die Produktionskapazität Chinas für Polysilizium befand sich generell im Aufwärtstrend, ging jedoch 2020 aufgrund der Schließung einiger Hersteller zurück. Die Kapazitätsauslastung der chinesischen Polysiliziumunternehmen steigt seit 2018 kontinuierlich und wird 2021 voraussichtlich 97,12 % erreichen. Provinziell konzentriert sich die chinesische Polysiliziumproduktion im Jahr 2021 hauptsächlich auf Gebiete mit niedrigen Strompreisen wie Xinjiang, der Inneren Mongolei und Sichuan. Die Produktion in Xinjiang beträgt 270.400 Tonnen, was mehr als der Hälfte der Gesamtproduktion in China entspricht.
Chinas Polysiliziumindustrie zeichnet sich durch einen hohen Konzentrationsgrad aus (CR6-Wert: 77 %), und dieser wird sich voraussichtlich weiter erhöhen. Die Polysiliziumproduktion ist eine kapitalintensive Branche mit hohen technischen Hürden. Der Projekt- und Produktionszyklus beträgt in der Regel zwei Jahre oder mehr. Für neue Hersteller ist der Markteintritt schwierig. Angesichts der geplanten Erweiterungen und neuen Projekte in den nächsten drei Jahren werden die oligopolistischen Hersteller ihre Produktionskapazitäten dank ihrer Technologie- und Größenvorteile weiter ausbauen und ihre Monopolstellung weiter festigen.
Es wird erwartet, dass Chinas Polysiliziumangebot von 2022 bis 2025 ein starkes Wachstum verzeichnen und die Polysiliziumproduktion 2025 1,194 Millionen Tonnen erreichen wird, was die weltweite Polysiliziumproduktion ankurbeln dürfte. Angesichts des starken Preisanstiegs von Polysilizium in China im Jahr 2021 investierten große Hersteller in den Bau neuer Produktionslinien und gewannen gleichzeitig neue Unternehmen für die Branche. Da Polysiliziumprojekte von der Bauphase bis zur Produktionsaufnahme mindestens anderthalb bis zwei Jahre benötigen, werden die Neubauten im Jahr 2021 fertiggestellt. Die Produktionskapazitäten werden voraussichtlich in der zweiten Jahreshälfte 2022 und im Jahr 2023 in Betrieb genommen. Dies deckt sich weitgehend mit den aktuell angekündigten Projektplänen der großen Hersteller. Die neuen Produktionskapazitäten im Zeitraum 2022–2025 konzentrieren sich hauptsächlich auf die Jahre 2022 und 2023. Anschließend wird sich die Gesamtproduktionskapazität der Branche mit der allmählichen Stabilisierung von Angebot und Nachfrage sowie des Preises stabilisieren. Das heißt, die Wachstumsrate der Produktionskapazität sinkt allmählich. Zudem blieb die Kapazitätsauslastung der Polysiliziumunternehmen in den letzten zwei Jahren auf einem hohen Niveau. Es wird jedoch Zeit benötigen, bis die Produktionskapazität neuer Projekte hochgefahren ist und neue Marktteilnehmer die entsprechenden Herstellungstechnologien beherrschen. Daher wird die Kapazitätsauslastung neuer Polysiliziumprojekte in den nächsten Jahren gering sein. Daraus lässt sich die Polysiliziumproduktion für den Zeitraum 2022–2025 prognostizieren. Für 2025 wird eine Polysiliziumproduktion von etwa 1,194 Millionen Tonnen erwartet.
Die Konzentration der Produktionskapazitäten im Ausland ist relativ hoch, und das Produktionswachstum wird in den nächsten drei Jahren nicht so stark ausfallen wie in China. Die Polysilizium-Produktionskapazitäten im Ausland konzentrieren sich hauptsächlich auf vier führende Unternehmen; die übrigen Produktionsstätten verfügen überwiegend über geringe Kapazitäten. Wacker Chem deckt die Hälfte der weltweiten Polysilizium-Produktionskapazitäten ab. Die Werke des Unternehmens in Deutschland und den USA haben Produktionskapazitäten von 60.000 bzw. 20.000 Tonnen. Angesichts der möglichen starken Expansion der globalen Polysilizium-Produktionskapazitäten ab 2022 und der damit verbundenen Befürchtung eines Überangebots verfolgt das Unternehmen die Entwicklung abwartend und plant derzeit keine Erweiterung seiner Produktionskapazitäten. Der südkoreanische Polysilizium-Riese OCI verlagert seine Produktionslinie für Solarsilizium schrittweise nach Malaysia, während die ursprüngliche Produktionslinie für Elektroniksilizium in China beibehalten wird. Dort soll die Kapazität bis 2022 auf 5.000 Tonnen steigen. Die Produktionskapazität von OCI in Malaysia wird 2020 und 2021 27.000 bzw. 30.000 Tonnen erreichen. Dadurch werden die Energiekosten gesenkt und die hohen chinesischen Zölle auf Polysilizium in den USA und Südkorea umgangen. Das Unternehmen plant eine Produktionsmenge von 95.000 Tonnen, der genaue Starttermin steht jedoch noch nicht fest. Es wird erwartet, dass die Produktion in den nächsten vier Jahren jährlich um 5.000 Tonnen steigen wird. Das norwegische Unternehmen REC betreibt zwei Produktionsstätten im US-Bundesstaat Washington und in Montana mit einer jährlichen Produktionskapazität von 18.000 Tonnen Solarsilizium und 2.000 Tonnen Elektroniksilizium. REC, das sich in einer tiefen finanziellen Krise befand, stellte die Produktion ein. Angeregt durch den Boom der Polysiliziumpreise im Jahr 2021 beschloss das Unternehmen jedoch, die Produktion von 18.000 Tonnen Polysilizium in Projekten im Bundesstaat Washington und 2.000 Tonnen in Montana bis Ende 2023 wieder aufzunehmen und den Produktionshochlauf im Jahr 2024 abzuschließen. Hemlock ist der größte Polysiliziumproduzent in den Vereinigten Staaten und spezialisiert auf hochreines Polysilizium in Elektronikqualität. Die hohen technologischen Anforderungen in der Produktion erschweren es dem Unternehmen, seine Produkte auf dem Markt zu ersetzen. Da das Unternehmen in den nächsten Jahren keine neuen Projekte plant, wird erwartet, dass die Produktionskapazität von 2022 bis 2025 bei 18.000 Tonnen pro Jahr liegen wird. Zusätzlich werden im Jahr 2021 weitere Unternehmen (außer den vier oben genannten) neue Produktionskapazitäten von 5.000 Tonnen aufbauen. Da die Produktionspläne aller Unternehmen nicht bekannt sind, wird hier angenommen, dass die neue Produktionskapazität von 2022 bis 2025 5.000 Tonnen pro Jahr betragen wird.
Laut Schätzungen der ausländischen Produktionskapazitäten wird die Polysiliziumproduktion im Jahr 2025 voraussichtlich bei rund 176.000 Tonnen liegen, vorausgesetzt, die Auslastung der ausländischen Produktionskapazitäten bleibt unverändert. Nach dem starken Preisanstieg von Polysilizium im Jahr 2021 haben chinesische Unternehmen ihre Produktion erhöht und erweitert. Ausländische Unternehmen hingegen agieren bei der Planung neuer Projekte vorsichtiger. Dies liegt daran, dass der Polysiliziummarkt bereits fest in chinesischer Hand ist und eine unkontrollierte Produktionssteigerung zu Verlusten führen könnte. Auf der Kostenseite ist der Energieverbrauch der größte Kostenfaktor bei Polysilizium, weshalb der Strompreis eine entscheidende Rolle spielt. Regionen wie Xinjiang, die Innere Mongolei und Sichuan weisen hierbei deutliche Preisvorteile auf. Auf der Nachfrageseite deckt China als direkter Abnehmer von Polysilizium über 99 % der weltweiten Siliziumwaferproduktion ab. Die nachgelagerte Polysiliziumindustrie konzentriert sich hauptsächlich in China. Die Produktionskosten für Polysilizium sind niedrig, die Transportkosten gering und die Nachfrage ist umfassend gesichert. Zweitens hat China relativ hohe Antidumpingzölle auf Importe von Solarsilizium aus den USA und Südkorea erhoben, was den Verbrauch von Polysilizium aus den USA und Südkorea stark gedämpft hat. Bei der Planung neuer Projekte ist daher Vorsicht geboten. Darüber hinaus haben sich chinesische Polysiliziumunternehmen im Ausland in den letzten Jahren aufgrund der Zölle nur langsam entwickelt. Einige Produktionslinien wurden reduziert oder sogar stillgelegt, und ihr Anteil an der Weltproduktion ist jährlich gesunken. Daher können sie den Anstieg der Polysiliziumpreise im Jahr 2021 nicht mit den hohen Gewinnen chinesischer Unternehmen vergleichen; ihre finanzielle Lage reicht nicht aus, um eine rasche und umfassende Erweiterung der Produktionskapazitäten zu unterstützen.
Auf Basis der jeweiligen Produktionsprognosen für Polysilizium in China und im Ausland für den Zeitraum 2022 bis 2025 lässt sich der prognostizierte Wert der globalen Polysiliziumproduktion zusammenfassen. Es wird geschätzt, dass die globale Polysiliziumproduktion im Jahr 2025 1,371 Millionen Tonnen erreichen wird. Ausgehend von dieser Prognose kann Chinas Anteil an der globalen Produktion grob ermittelt werden. Es wird erwartet, dass Chinas Anteil von 2022 bis 2025 kontinuierlich steigen und im Jahr 2025 87 % übersteigen wird.
6. Zusammenfassung und Ausblick
Polysilizium ist nachgelagert von industriellem Silizium und vorgelagert der gesamten Wertschöpfungskette der Photovoltaik- und Halbleiterindustrie angesiedelt und spielt daher eine entscheidende Rolle. Die Wertschöpfungskette der Photovoltaikindustrie umfasst im Allgemeinen Polysilizium – Siliziumwafer – Zelle – Modul – installierte Photovoltaikleistung, während die Wertschöpfungskette der Halbleiterindustrie im Allgemeinen Polysilizium – monokristalliner Siliziumwafer – Siliziumwafer – Chip umfasst. Unterschiedliche Anwendungsbereiche stellen unterschiedliche Anforderungen an die Reinheit von Polysilizium. Die Photovoltaikindustrie verwendet hauptsächlich Polysilizium in Solarqualität, die Halbleiterindustrie hingegen Polysilizium in Elektronikqualität. Ersteres weist eine Reinheit von 6N bis 8N auf, während letztere eine Reinheit von mindestens 9N erfordert.
Jahrelang war das verbesserte Siemens-Verfahren weltweit das gängigste Herstellungsverfahren für Polysilizium. In den letzten Jahren haben einige Unternehmen jedoch verstärkt das kostengünstigere Silan-Wirbelschichtverfahren erforscht, was Auswirkungen auf die Produktion haben könnte. Das mit dem modifizierten Siemens-Verfahren hergestellte stabförmige Polysilizium zeichnet sich durch hohen Energieverbrauch, hohe Kosten und hohe Reinheit aus, während das mit dem Silan-Wirbelschichtverfahren hergestellte granulierte Silizium durch niedrigen Energieverbrauch, geringe Kosten, aber eine relativ geringe Reinheit charakterisiert ist. Einige chinesische Unternehmen haben die Massenproduktion von granuliertem Silizium und die Technologie zur Polysiliziumgewinnung aus granuliertem Silizium realisiert, diese Technologien haben sich jedoch noch nicht flächendeckend durchgesetzt. Ob granuliertes Silizium das Siemens-Verfahren zukünftig ersetzen kann, hängt davon ab, ob der Kostenvorteil die Qualitätsnachteile ausgleicht, von den Auswirkungen auf nachgelagerte Anwendungen und von der Verbesserung der Silansicherheit. Die weltweite Polysiliziumproduktion ist in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen und konzentriert sich zunehmend in China. Von 2017 bis 2021 wird die weltweite jährliche Polysiliziumproduktion von 432.000 Tonnen auf 631.000 Tonnen steigen, mit dem stärksten Wachstum im Jahr 2021. In diesem Zeitraum konzentrierte sich die globale Polysiliziumproduktion zunehmend auf China, dessen Anteil an der Gesamtproduktion von 56,02 % im Jahr 2017 auf 80,03 % im Jahr 2021 anstieg. Von 2022 bis 2025 wird das Polysiliziumangebot ein starkes Wachstum verzeichnen. Schätzungen zufolge wird die Polysiliziumproduktion in China im Jahr 2025 1,194 Millionen Tonnen betragen, während die Produktion im Ausland 176.000 Tonnen erreichen wird. Somit wird die weltweite Polysiliziumproduktion im Jahr 2025 voraussichtlich bei etwa 1,37 Millionen Tonnen liegen.
(Dieser Artikel dient lediglich der Information der Kunden von UrbanMines und stellt keine Anlageberatung dar.)