1. Polysiliciumindustrieketen: Het productieproces is complex en de downstream-activiteiten richten zich op fotovoltaïsche halfgeleiders.
Polysilicium wordt voornamelijk geproduceerd uit industrieel silicium, chloor en waterstof, en bevindt zich aan het begin van de productieketens van de fotovoltaïsche en halfgeleiderindustrie. Volgens gegevens van CPIA is de gemodificeerde Siemens-methode momenteel de meest gebruikte productiemethode voor polysilicium wereldwijd. Met uitzondering van China wordt meer dan 95% van het polysilicium geproduceerd met deze methode. Bij de bereiding van polysilicium met de gemodificeerde Siemens-methode wordt eerst chloorgas gecombineerd met waterstofgas om waterstofchloride te genereren. Dit reageert vervolgens met het siliciumpoeder, verkregen door het vermalen van industrieel silicium, om trichloorsilaan te vormen. Dit trichloorsilaan wordt vervolgens gereduceerd met waterstofgas tot polysilicium. Polykristallijn silicium kan worden gesmolten en afgekoeld tot polykristallijne siliciumstaven. Monokristallijn silicium kan ook worden geproduceerd met behulp van de Czochralski-methode of zone-smelten. In vergelijking met polykristallijn silicium bestaat monokristallijn silicium uit kristalkorrels met dezelfde kristaloriëntatie, waardoor het een betere elektrische geleidbaarheid en conversie-efficiëntie heeft. Zowel polykristallijne siliciumblokken als monokristallijne siliciumstaven kunnen verder worden gesneden en verwerkt tot siliciumwafers en -cellen, die op hun beurt essentiële onderdelen vormen van fotovoltaïsche modules en worden gebruikt in de fotovoltaïsche sector. Daarnaast kunnen monokristallijne siliciumwafers door herhaaldelijk slijpen, polijsten, epitaxie, reinigen en andere processen ook worden omgevormd tot siliciumwafers, die kunnen worden gebruikt als substraatmateriaal voor halfgeleiderelektronica.
Het gehalte aan onzuiverheden in polysilicium is zeer streng, en de industrie kenmerkt zich door hoge kapitaalinvesteringen en hoge technische drempels. Omdat de zuiverheid van polysilicium een grote invloed heeft op het proces van het trekken van siliciummonokristallen, zijn de zuiverheidseisen extreem streng. De minimale zuiverheid van polysilicium is 99,9999%, en de maximale ligt zeer dicht bij 100%. Daarnaast stellen de Chinese nationale normen duidelijke eisen aan het gehalte aan onzuiverheden. Op basis hiervan wordt polysilicium ingedeeld in de kwaliteitsklassen I, II en III, waarbij het gehalte aan boor, fosfor, zuurstof en koolstof een belangrijke referentie-indicator is. De "Toegangsvoorwaarden voor de polysiliciumindustrie" schrijven voor dat bedrijven moeten beschikken over een degelijk kwaliteitsinspectie- en -beheersysteem, en dat de productnormen strikt moeten voldoen aan de nationale normen. Daarnaast vereisen de toegangsvoorwaarden ook dat de schaal en het energieverbruik van polysiliciumproductiebedrijven, zoals voor zonnecel- en elektronische polysiliciumprojecten, respectievelijk groter zijn dan 3000 ton/jaar en 1000 ton/jaar. Bovendien mag de minimale kapitaalratio in investeringen in nieuwbouw-, renovatie- en uitbreidingsprojecten niet lager zijn dan 30%. Polysilicium is dus een kapitaalintensieve industrie. Volgens statistieken van de CPIA zijn de investeringskosten voor een productielijn voor 10.000 ton polysilicium die in 2021 in gebruik is genomen, licht gestegen tot 103 miljoen yuan/kt. Dit komt door de prijsstijging van bulkmetalen. Naar verwachting zullen de investeringskosten in de toekomst verder stijgen door de technologische vooruitgang in productieapparatuur en de afname van monomeren naarmate de schaal toeneemt. Volgens de regelgeving moet het energieverbruik van polysilicium voor zonnecel- en elektronische polysilicium (Czochralski-reductie) respectievelijk minder dan 60 kWh/kg en 100 kWh/kg bedragen, en de eisen voor de energieverbruiksindicatoren zijn relatief streng. De productie van polysilicium behoort doorgaans tot de chemische industrie. Het productieproces is relatief complex en de drempel voor technische procedures, apparatuurselectie, inbedrijfstelling en bediening is hoog. Het productieproces omvat vele complexe chemische reacties en meer dan 1000 regelpunten. Het is voor nieuwkomers moeilijk om snel de benodigde expertise onder de knie te krijgen. Daarom zijn er hoge kapitaal- en technische drempels in de polysiliciumproductie-industrie, wat polysiliciumfabrikanten ertoe aanzet om de processtroom, verpakking en transportprocessen grondig te optimaliseren.
2. Classificatie van polysilicium: zuiverheid bepaalt het gebruik, en silicium van zonnecelkwaliteit is het meest gangbaar.
Polykristallijn silicium, een vorm van elementair silicium, bestaat uit kristalkorrels met verschillende kristaloriëntaties en wordt voornamelijk gezuiverd door industriële siliciumverwerking. Polysilicium heeft een grijsachtige metaalglans en een smeltpunt van ongeveer 1410 °C. Het is inactief bij kamertemperatuur en actiever in gesmolten toestand. Polysilicium heeft halfgeleidende eigenschappen en is een uiterst belangrijk en uitstekend halfgeleidermateriaal, maar een kleine hoeveelheid onzuiverheden kan de geleidbaarheid sterk beïnvloeden. Er bestaan veel classificatiemethoden voor polysilicium. Naast de bovengenoemde classificatie volgens de Chinese nationale normen, worden hier nog drie belangrijke classificatiemethoden geïntroduceerd. Afhankelijk van de verschillende zuiverheidseisen en toepassingen kan polysilicium worden onderverdeeld in polysilicium van zonnecelkwaliteit en polysilicium van elektronische kwaliteit. Polysilicium van zonnecelkwaliteit wordt voornamelijk gebruikt bij de productie van fotovoltaïsche cellen, terwijl polysilicium van elektronische kwaliteit veelvuldig wordt gebruikt in de geïntegreerde schakelingenindustrie als grondstof voor chips en andere producten. De zuiverheid van polysilicium van zonnecelkwaliteit is 6-8N, wat betekent dat het totale gehalte aan onzuiverheden lager moet zijn dan 10⁻⁶, en de zuiverheid van het polysilicium moet 99,9999% of hoger zijn. De zuiverheidseisen voor polysilicium van elektronische kwaliteit zijn strenger, met een minimum van 9N en een huidig maximum van 12N. De productie van polysilicium van elektronische kwaliteit is relatief moeilijk. Er zijn maar weinig Chinese bedrijven die de productietechnologie van polysilicium van elektronische kwaliteit beheersen, en zij zijn nog steeds relatief afhankelijk van import. Momenteel is de productie van polysilicium van zonnecelkwaliteit veel groter dan die van polysilicium van elektronische kwaliteit, namelijk ongeveer 13,8 keer zo groot als die van de laatste.
Op basis van de verschillen in doteringsonzuiverheden en geleidingstype kan siliciummateriaal worden onderverdeeld in P-type en N-type. Wanneer silicium wordt gedoteerd met acceptoronzuiverheden zoals boor, aluminium, gallium, enz., wordt de geleiding gedomineerd door gaten en is het P-type. Wanneer silicium wordt gedoteerd met donoronzuiverheden zoals fosfor, arseen, antimoon, enz., wordt de geleiding gedomineerd door elektronen en is het N-type. P-type batterijen omvatten voornamelijk BSF-batterijen en PERC-batterijen. In 2021 zullen PERC-batterijen meer dan 91% van de wereldmarkt uitmaken en zullen BSF-batterijen verdwijnen. Tijdens de periode waarin PERC BSF vervangt, is de conversie-efficiëntie van P-type cellen gestegen van minder dan 20% naar meer dan 23%, wat de theoretische bovengrens van 24,5% bijna bereikt. De theoretische bovengrens voor N-type cellen ligt op 28,7%, en N-type cellen hebben een hoge conversie-efficiëntie. Door de voordelen van een hoge bifaciale verhouding en een lage temperatuurcoëfficiënt zijn bedrijven begonnen met de massaproductie van N-type batterijen. Volgens de prognose van CPIA zal het aandeel N-type batterijen in 2022 aanzienlijk toenemen van 3% naar 13,4%. Naar verwachting zal de komende vijf jaar de verschuiving van N-type naar P-type batterijen plaatsvinden. Op basis van de oppervlaktekwaliteit kunnen ze worden onderverdeeld in dicht materiaal, bloemkoolmateriaal en koraalmateriaal. Het oppervlak van het dichte materiaal heeft de laagste mate van holte (minder dan 5 mm), geen kleurafwijkingen, geen oxidatie tussenlaag en de hoogste prijs. Het oppervlak van het bloemkoolmateriaal heeft een matige mate van holtevorming, 5-20 mm, de doorsnede is gemiddeld en de prijs ligt in het middensegment; terwijl het oppervlak van het koraalmateriaal een sterkere holtevorming heeft, met een diepte van meer dan 20 mm, een losse doorsnede en de laagste prijs. Het dichte materiaal wordt voornamelijk gebruikt voor het trekken van monokristallijn silicium, terwijl het bloemkoolmateriaal en het koraalmateriaal voornamelijk worden gebruikt voor de productie van polykristallijne siliciumwafers. In de dagelijkse productie van bedrijven kan het dichte materiaal worden gedoteerd met minimaal 30% bloemkoolmateriaal om monokristallijn silicium te produceren. Dit kan de kosten van grondstoffen besparen, maar het gebruik van bloemkoolmateriaal vermindert de kristallisatie-efficiëntie tot op zekere hoogte. Bedrijven moeten de juiste doteringsverhouding kiezen na een afweging van de twee. Recentelijk is het prijsverschil tussen dicht materiaal en bloemkoolmateriaal gestabiliseerd op ongeveer 3 RMB/kg. Als het prijsverschil verder toeneemt, kunnen bedrijven overwegen om meer bloemkoolmateriaal te doteren bij het trekken van monokristallijn silicium.
3. Proces: De Siemens-methode is toonaangevend en energieverbruik wordt de sleutel tot technologische verandering.
Het productieproces van polysilicium is grofweg verdeeld in twee stappen. In de eerste stap wordt industrieel siliciumpoeder gereageerd met watervrij waterstofchloride om trichloorsilaan en waterstof te verkrijgen. Na herhaalde destillatie en zuivering ontstaan gasvormig trichloorsilaan, dichloordihydrosilicium en silaan. De tweede stap is het reduceren van dit zeer zuivere gas tot kristallijn silicium. Deze reductiestap verschilt tussen de gemodificeerde Siemens-methode en de silaan-fluidized bed-methode. De verbeterde Siemens-methode is een volwaardige productietechnologie met een hoge productkwaliteit en is momenteel de meest gebruikte productietechnologie. De traditionele Siemens-productiemethode maakt gebruik van chloor en waterstof om watervrij waterstofchloride te synthetiseren. Vervolgens wordt met waterstofchloride en industrieel siliciumpoeder trichloorsilaan gesynthetiseerd bij een bepaalde temperatuur. Het trichloorsilaan wordt vervolgens gescheiden, gerectificeerd en gezuiverd. Het silicium ondergaat een thermische reductiereactie in een waterstofreductieoven om elementair silicium te verkrijgen dat op de siliciumkern is afgezet. Op basis hiervan is het verbeterde Siemens-proces ook uitgerust met een ondersteunend proces voor het recyclen van een grote hoeveelheid bijproducten zoals waterstof, waterstofchloride en siliciumtetrachloride die tijdens het productieproces ontstaan. Dit omvat hoofdzakelijk technologie voor het terugwinnen van reductiegas en het hergebruik van siliciumtetrachloride. Waterstof, waterstofchloride, trichloorsilaan en siliciumtetrachloride in het uitlaatgas worden door middel van droge terugwinning gescheiden. Waterstof en waterstofchloride kunnen worden hergebruikt voor synthese en zuivering met trichloorsilaan, en trichloorsilaan wordt direct gerecycled in de thermische reductie. Zuivering vindt plaats in de oven, waarbij siliciumtetrachloride wordt gehydrogeneerd tot trichloorsilaan, dat vervolgens kan worden gebruikt voor zuivering. Deze stap wordt ook wel koude hydrogeneringsbehandeling genoemd. Door een gesloten productieproces te realiseren, kunnen bedrijven het verbruik van grondstoffen en elektriciteit aanzienlijk verminderen en zo effectief besparen op productiekosten.
De productiekosten van polysilicium volgens de verbeterde Siemens-methode in China omvatten grondstoffen, energieverbruik, afschrijvingen, verwerkingskosten, enz. De technologische vooruitgang in de industrie heeft de kosten aanzienlijk verlaagd. De grondstoffen bestaan voornamelijk uit industrieel silicium en trichloorsilaan, het energieverbruik omvat elektriciteit en stoom, en de verwerkingskosten hebben betrekking op de inspectie- en reparatiekosten van de productieapparatuur. Volgens statistieken van Baichuan Yingfu over de productiekosten van polysilicium begin juni 2022 vormen grondstoffen de grootste kostenpost, goed voor 41% van de totale kosten, waarbij industrieel silicium de belangrijkste bron van silicium is. Het siliciumverbruik per eenheid, dat in de industrie gangbaar is, vertegenwoordigt de hoeveelheid silicium die per eenheid hoogzuiver siliciumproduct wordt verbruikt. De berekeningsmethode is als volgt: alle siliciumhoudende materialen, zoals ingekocht industrieel siliciumpoeder en trichloorsilaan, worden omgerekend naar zuiver silicium, waarna het ingekochte chloorsilaan wordt afgetrokken op basis van de omgerekende hoeveelheid zuiver silicium. Volgens gegevens van CPIA zal het siliciumverbruik in 2021 met 0,01 kg/kg-Si dalen tot 1,09 kg/kg-Si. Naar verwachting zal dit, door verbeteringen in de koude hydrogeneringsbehandeling en de recycling van bijproducten, verder dalen tot 1,07 kg/kg-Si in 2030. Volgens onvolledige statistieken ligt het siliciumverbruik van de vijf grootste Chinese bedrijven in de polysiliciumindustrie lager dan het industriegemiddelde. Twee van deze bedrijven zullen in 2021 respectievelijk 1,08 kg/kg-Si en 1,05 kg/kg-Si verbruiken. Energieverbruik is de op één na grootste kostenpost, goed voor 32% van het totaal. Elektriciteit is verantwoordelijk voor 30% van de totale kosten, wat aangeeft dat de elektriciteitsprijs en -efficiëntie nog steeds belangrijke factoren zijn voor de polysiliciumproductie. De twee belangrijkste indicatoren voor de energie-efficiëntie zijn het totale energieverbruik en het reductie-energieverbruik. Het reductie-energieverbruik heeft betrekking op het proces van reductie van trichloorsilaan en waterstof om siliciummateriaal met een hoge zuiverheid te produceren. Het energieverbruik omvat het voorverwarmen en afzetten van de siliciumkern, warmtebehoud, eindventilatie en ander procesenergieverbruik. In 2021 zal het gemiddelde totale energieverbruik van de polysiliciumproductie, dankzij technologische vooruitgang en een integrale benutting van energie, met 5,3% op jaarbasis dalen tot 63 kWh/kg-Si. Na reductie zal het gemiddelde energieverbruik met 6,1% op jaarbasis dalen tot 46 kWh/kg-Si, en naar verwachting zal dit in de toekomst verder afnemen. Daarnaast vormen afschrijvingen een belangrijke kostenpost, goed voor 17%. Het is belangrijk om te vermelden dat, volgens gegevens van Baichuan Yingfu, de totale productiekosten van polysilicium begin juni 2022 ongeveer 55.816 yuan/ton bedroegen, de gemiddelde marktprijs van polysilicium ongeveer 260.000 yuan/ton was en de brutowinstmarge maar liefst 70% of meer bedroeg. Dit trok veel bedrijven aan om te investeren in de bouw van polysiliciumproductiecapaciteit.
Er zijn twee manieren voor fabrikanten van polysilicium om de kosten te verlagen: door de grondstofkosten te verlagen en door het energieverbruik te verminderen. Wat grondstoffen betreft, kunnen fabrikanten de kosten verlagen door langetermijnsamenwerkingsovereenkomsten te sluiten met industriële siliciumproducenten of door geïntegreerde productiecapaciteit te bouwen, zowel stroomopwaarts als stroomafwaarts. Zo zijn polysiliciumfabrieken bijvoorbeeld grotendeels afhankelijk van hun eigen industriële siliciumvoorziening. Wat betreft elektriciteitsverbruik kunnen fabrikanten de kosten verlagen door te profiteren van lage elektriciteitsprijzen en een algehele verbetering van het energieverbruik. Ongeveer 70% van het totale elektriciteitsverbruik is te verlagen, en energiebesparing is een cruciale factor in de productie van hoogzuiver kristallijn silicium. Daarom is de meeste polysiliciumproductiecapaciteit in China geconcentreerd in regio's met lage elektriciteitsprijzen, zoals Xinjiang, Binnen-Mongolië, Sichuan en Yunnan. Met de invoering van het tweekoolstofbeleid is het echter lastig om grote hoeveelheden goedkope energiebronnen te verkrijgen. Daarom is het verminderen van het energieverbruik momenteel een meer haalbare manier om de kosten te verlagen. Momenteel is de meest effectieve manier om het energieverbruik voor reductie te verlagen, het verhogen van het aantal siliciumkernen in de reductieoven, waardoor de output per eenheid toeneemt. De gangbare reductieovens in China hebben momenteel 36, 40 en 48 paar staven. Er wordt gewerkt aan upgrades naar ovens met 60 en 72 paar staven, maar dit stelt tegelijkertijd hogere eisen aan het technologische niveau van de productieprocessen van de bedrijven.
Vergeleken met de verbeterde Siemens-methode heeft de silaan-wervelbedmethode drie voordelen: een laag energieverbruik, een hoge kristalproductie en een betere combinatie met de geavanceerdere CCZ continue Czochralski-technologie. Volgens gegevens van de Silicon Industry Branch bedraagt het totale energieverbruik van de silaan-wervelbedmethode 33,33% van dat van de verbeterde Siemens-methode, en de reductie van het energieverbruik is 10%. De silaan-wervelbedmethode heeft dus aanzienlijke voordelen op het gebied van energieverbruik. Wat betreft kristalproductie, maken de fysische eigenschappen van siliciumgranulaat het gemakkelijker om de kwartskroes volledig te vullen in de trekstang van het monokristallijne silicium. Polykristallijn silicium en siliciumgranulaat kunnen de vulcapaciteit van de smeltkroes met 29% verhogen en de vultijd met 41% verkorten, waardoor de extractie-efficiëntie van monokristallijn silicium aanzienlijk verbetert. Bovendien heeft siliciumgranulaat een kleine diameter en een goede vloeibaarheid, waardoor het beter geschikt is voor de CCZ continue Czochralski-methode. Momenteel is de belangrijkste technologie voor het trekken van eenkristallen in het midden- en lagere segment de RCZ-methode voor het opnieuw gieten van eenkristallen. Hierbij wordt het kristal opnieuw aangevoerd en getrokken nadat een eenkristallen siliciumstaaf is getrokken. Het trekken gebeurt gelijktijdig, waardoor de afkoeltijd van de eenkristallen siliciumstaaf wordt verkort en de productie-efficiëntie hoger is. De snelle ontwikkeling van de CCZ-methode voor continu Czochralski-kristallen zal ook de vraag naar korrelig silicium stimuleren. Hoewel korrelig silicium enkele nadelen kent, zoals de grotere hoeveelheid siliciumpoeder die door wrijving ontstaat, een groot oppervlak en gemakkelijke adsorptie van verontreinigende stoffen, en de binding van waterstof aan waterstof tijdens het smelten, wat gemakkelijk tot overslaan kan leiden, wordt er volgens recente berichten van relevante bedrijven in de korrelige siliciumsector aan deze problemen gewerkt en is er vooruitgang geboekt.
Het silaan-wervelbedproces is in Europa en de Verenigde Staten een volwaardig proces, maar bevindt zich nog in de kinderschoenen sinds de introductie door Chinese bedrijven. Al in de jaren tachtig begonnen buitenlandse producenten van korrelig silicium, zoals REC en MEMC, de productie van korrelig silicium te onderzoeken en realiseerden ze grootschalige productie. REC bereikte in 2010 een totale productiecapaciteit van 10.500 ton korrelig silicium per jaar en had in dezelfde periode een kostenvoordeel van minstens 2-3 dollar per kilogram ten opzichte van concurrenten zoals Siemens. Door de noodzaak van het trekken van enkelkristallen stagneerde de productie van korrelig silicium bij het bedrijf en werd deze uiteindelijk stopgezet. REC richtte vervolgens een joint venture op met China om een productiebedrijf voor korrelig silicium op te richten.
4. Grondstoffen: Industrieel silicium is de belangrijkste grondstof en de levering ervan kan voldoen aan de behoeften van de polysiliciumexpansie.
Industrieel silicium is de belangrijkste grondstof voor de productie van polysilicium. Naar verwachting zal de Chinese productie van industrieel silicium gestaag groeien van 2022 tot 2025. Van 2010 tot 2021 bevond de Chinese productie van industrieel silicium zich in een expansiefase, met een gemiddelde jaarlijkse groei van de productiecapaciteit en -output van respectievelijk 7,4% en 8,6%. Volgens gegevens van SMM heeft de recent toegenomen productie van industrieel silicium geleid tot een verdere groei.industriële siliciumproductiecapaciteitDe Chinese vraag naar silicium zal in 2022 respectievelijk 890.000 ton en 1,065 miljoen ton bedragen. Ervan uitgaande dat industriële siliciumbedrijven in de toekomst een capaciteitsbenutting en operationele bezettingsgraad van ongeveer 60% zullen handhaven, zal de Chinese vraag naar silicium naar verwachting toenemen.De productiecapaciteit zal in 2022 en 2023 leiden tot een toename van de productie met respectievelijk 320.000 ton en 383.000 ton. Volgens schattingen van GFCI,De industriële siliciumproductiecapaciteit van China in 2022/2023/2024/2025 bedraagt ongeveer 5,90/697/6,71/6,5 miljoen ton, wat overeenkomt met 3,55/391/4,18/4,38 miljoen ton.
De groei van de overige twee downstream-gebieden van industrieel silicium is relatief traag, en de Chinese productie van industrieel silicium kan in principe voldoen aan de productie van polysilicium. In 2021 zal de Chinese productiecapaciteit voor industrieel silicium 5,385 miljoen ton bedragen, wat overeenkomt met een productie van 3,213 miljoen ton. Hiervan zal respectievelijk 623.000 ton, 898.000 ton en 649.000 ton worden verbruikt voor polysilicium, organisch silicium en aluminiumlegeringen. Daarnaast zal bijna 780.000 ton van de productie worden geëxporteerd. In 2021 zal het verbruik van polysilicium, organisch silicium en aluminiumlegeringen respectievelijk 19%, 28% en 20% van de totale industriële siliciumproductie uitmaken. Van 2022 tot 2025 zal de groei van de productie van organisch silicium naar verwachting rond de 10% blijven, terwijl de groei van de productie van aluminiumlegeringen lager zal zijn dan 5%. Daarom zijn wij van mening dat de hoeveelheid industrieel silicium die in de periode 2022-2025 voor polysilicium gebruikt kan worden, relatief voldoende is en volledig kan voldoen aan de productiebehoeften van polysilicium.
5. Levering van polysilicium:Chinaneemt een dominante positie in en de productie concentreert zich geleidelijk bij toonaangevende ondernemingen.
De afgelopen jaren is de wereldwijde productie van polysilicium jaar na jaar toegenomen en heeft zich geleidelijk aan geconcentreerd in China. Van 2017 tot 2021 steeg de wereldwijde jaarlijkse polysiliciumproductie van 432.000 ton naar 631.000 ton, met de snelste groei in 2021, namelijk een groeipercentage van 21,11%. Gedurende deze periode concentreerde de wereldwijde polysiliciumproductie zich steeds meer in China, en het aandeel van China in de polysiliciumproductie steeg van 56,02% in 2017 naar 80,03% in 2021. Een vergelijking van de top tien bedrijven met de grootste wereldwijde polysiliciumproductiecapaciteit in 2010 en 2021 laat zien dat het aantal Chinese bedrijven is gestegen van 4 naar 8, terwijl het aandeel van sommige Amerikaanse en Koreaanse bedrijven aanzienlijk is gedaald en uit de top tien is verdwenen, zoals HEMOLOCK, OCI, REC en MEMC. De concentratie in de industrie is aanzienlijk toegenomen en de totale productiecapaciteit van de tien grootste bedrijven in de sector is gestegen van 57,7% naar 90,3%. In 2021 waren er vijf Chinese bedrijven die meer dan 10% van de productiecapaciteit voor hun rekening namen, goed voor een totaal van 65,7%. Er zijn drie belangrijke redenen voor de geleidelijke verplaatsing van de polysiliciumindustrie naar China. Ten eerste hebben Chinese polysiliciumfabrikanten aanzienlijke voordelen op het gebied van grondstoffen, elektriciteit en arbeidskosten. De lonen van werknemers liggen lager dan in het buitenland, waardoor de totale productiekosten in China veel lager zijn dan in het buitenland en naar verwachting verder zullen dalen met de technologische vooruitgang. Ten tweede verbetert de kwaliteit van Chinese polysiliciumproducten voortdurend. De meeste producten voldoen aan de hoogste eisen voor zonnecellen en individuele, geavanceerde bedrijven voldoen zelfs aan de hoogste zuiverheidseisen. Er zijn doorbraken bereikt in de productietechnologie van hoogwaardig elektronisch polysilicium, waardoor import van elektronisch polysilicium geleidelijk aan wordt vervangen door binnenlandse varianten. Toonaangevende Chinese bedrijven stimuleren actief de bouw van projecten voor de productie van elektronisch polysilicium. De Chinese productie van siliciumwafers bedraagt meer dan 95% van de totale wereldwijde productie, wat de zelfvoorzieningsgraad van polysilicium in China geleidelijk heeft verhoogd en de markt voor buitenlandse polysiliciumbedrijven tot op zekere hoogte onder druk heeft gezet.
Van 2017 tot 2021 zal de jaarlijkse productie van polysilicium in China gestaag toenemen, voornamelijk in regio's met rijke energiebronnen zoals Xinjiang, Binnen-Mongolië en Sichuan. In 2021 zal de Chinese polysiliciumproductie stijgen van 392.000 ton naar 505.000 ton, een toename van 28,83%. Wat betreft de productiecapaciteit, vertoont de Chinese polysiliciumproductie over het algemeen een stijgende trend, maar daalde deze in 2020 als gevolg van de sluiting van enkele fabrikanten. Daarnaast is de capaciteitsbenutting van Chinese polysiliciumbedrijven sinds 2018 continu gestegen en zal deze in 2021 97,12% bereiken. De Chinese polysiliciumproductie in 2021 is voornamelijk geconcentreerd in regio's met lage elektriciteitsprijzen, zoals Xinjiang, Binnen-Mongolië en Sichuan. De productie in Xinjiang bedraagt 270.400 ton, wat meer dan de helft van de totale productie in China is.
De Chinese polysiliciumindustrie kenmerkt zich door een hoge mate van concentratie, met een CR6-waarde van 77%, en er wordt verwacht dat deze trend zich in de toekomst verder zal voortzetten. De productie van polysilicium is een industrie met hoge kapitaal- en technische drempels. De bouw- en productiecyclus van projecten duurt doorgaans twee jaar of langer. Het is moeilijk voor nieuwe fabrikanten om tot de industrie toe te treden. Afgaande op de bekende geplande uitbreidingen en nieuwe projecten voor de komende drie jaar, zullen de oligopolistische fabrikanten in de industrie hun productiecapaciteit blijven uitbreiden dankzij hun technologische en schaalvoordelen, waardoor hun monopoliepositie verder zal toenemen.
Naar schatting zal de Chinese polysiliciumproductie tussen 2022 en 2025 een aanzienlijke groei doormaken, waarbij de productie in 2025 1,194 miljoen ton zal bereiken. Dit zal de wereldwijde polysiliciumproductie stimuleren. In 2021, met de sterke prijsstijging van polysilicium in China, investeerden grote fabrikanten in de bouw van nieuwe productielijnen en trokken tegelijkertijd nieuwe fabrikanten aan. Omdat de bouw van polysiliciumprojecten minstens anderhalf tot twee jaar duurt, zal de nieuwbouw in 2021 naar verwachting worden afgerond. De productiecapaciteit zal doorgaans in de tweede helft van 2022 en in 2023 in gebruik worden genomen. Dit komt overeen met de nieuwe projectplannen die momenteel door grote fabrikanten worden aangekondigd. De nieuwe productiecapaciteit in de periode 2022-2025 zal zich voornamelijk concentreren in 2022 en 2023. Daarna, naarmate vraag en aanbod van polysilicium en de prijs zich geleidelijk stabiliseren, zal de totale productiecapaciteit in de sector zich geleidelijk stabiliseren. Dat wil zeggen dat de groei van de productiecapaciteit geleidelijk afneemt. Bovendien is de capaciteitsbenutting van polysiliciumbedrijven de afgelopen twee jaar hoog gebleven, maar het zal tijd kosten voordat de productiecapaciteit van nieuwe projecten volledig is opgebouwd en het zal voor nieuwe toetreders een proces zijn om de relevante voorbereidingstechnologie onder de knie te krijgen. Daarom zal de capaciteitsbenutting van nieuwe polysiliciumprojecten de komende jaren laag zijn. Op basis hiervan kan de polysiliciumproductie voor de periode 2022-2025 worden voorspeld, waarbij de productie in 2025 naar verwachting ongeveer 1,194 miljoen ton zal bedragen.
De concentratie van de productiecapaciteit in het buitenland is relatief hoog en de snelheid waarmee de productie de komende drie jaar toeneemt, zal niet zo hoog zijn als in China. De productiecapaciteit voor polysilicium in het buitenland is voornamelijk geconcentreerd bij vier toonaangevende bedrijven; de rest bestaat voornamelijk uit kleinere producenten. Qua productiecapaciteit heeft Wacker Chem de helft van de totale productiecapaciteit in het buitenland in handen. De fabrieken in Duitsland en de Verenigde Staten hebben respectievelijk een productiecapaciteit van 60.000 ton en 20.000 ton. De sterke groei van de wereldwijde polysiliciumproductiecapaciteit in 2022 en daarna zou kunnen leiden tot een overaanbod. Wacker Chem neemt daarom een afwachtende houding aan en heeft geen plannen om nieuwe productiecapaciteit toe te voegen. De Zuid-Koreaanse polysiliciumgigant OCI verplaatst geleidelijk zijn productielijn voor polysilicium van zonnecelkwaliteit naar Maleisië, terwijl de oorspronkelijke productielijn voor polysilicium van elektronische kwaliteit in China behouden blijft. Deze laatste productielijn zal naar verwachting in 2022 een capaciteit van 5.000 ton bereiken. De productiecapaciteit van OCI in Maleisië zal in 2020 respectievelijk 27.000 ton en 30.000 ton bedragen, waardoor lage energiekosten worden gerealiseerd en de hoge Chinese importheffingen op polysilicium in de Verenigde Staten en Zuid-Korea worden omzeild. Het bedrijf is van plan om 95.000 ton te produceren, maar de startdatum is nog onduidelijk. De productie zal naar verwachting de komende vier jaar met 5.000 ton per jaar toenemen. Het Noorse bedrijf REC heeft twee productievestigingen in de staat Washington en Montana, VS, met een jaarlijkse productiecapaciteit van respectievelijk 18.000 ton polysilicium van zonnecelkwaliteit en 2.000 ton polysilicium van elektronische kwaliteit. REC, dat in grote financiële problemen verkeerde, besloot de productie stil te leggen. Gestimuleerd door de sterke stijging van de polysiliciumprijzen in 2021, besloot het bedrijf de productie van 18.000 ton in projecten in de staat Washington en 2.000 ton in Montana eind 2023 te hervatten en de volledige productiecapaciteit in 2024 op te voeren. Hemlock is de grootste polysiliciumproducent in de Verenigde Staten en is gespecialiseerd in hoogwaardig polysilicium van elektronische kwaliteit. De technologische drempels voor de productie maken het moeilijk voor de producten van het bedrijf om op de markt te worden vervangen. In combinatie met het feit dat het bedrijf de komende jaren geen nieuwe projecten plant, wordt verwacht dat de productiecapaciteit van het bedrijf in de periode 2022-2025 op 18.000 ton per jaar zal blijven. Daarnaast zal de nieuwe productiecapaciteit van andere bedrijven dan de bovengenoemde vier in 2021 met 5.000 ton toenemen. Vanwege het gebrek aan inzicht in de productieplannen van alle bedrijven, wordt hier aangenomen dat de nieuwe productiecapaciteit 5.000 ton per jaar zal bedragen van 2022 tot 2025.
Op basis van de productiecapaciteit in het buitenland wordt geschat dat de buitenlandse productie van polysilicium in 2025 ongeveer 176.000 ton zal bedragen, ervan uitgaande dat de benuttingsgraad van de buitenlandse productiecapaciteit gelijk blijft. Nadat de prijs van polysilicium in 2021 sterk steeg, hebben Chinese bedrijven hun productie verhoogd en uitgebreid. Buitenlandse bedrijven daarentegen zijn voorzichtiger met hun plannen voor nieuwe projecten. Dit komt doordat China de polysiliciumindustrie al domineert en een blinde productieverhoging tot verliezen kan leiden. Wat de kosten betreft, is energieverbruik de grootste kostenpost van polysilicium, waardoor de elektriciteitsprijs zeer belangrijk is. Regio's zoals Xinjiang, Binnen-Mongolië en Sichuan hebben hierin een duidelijk voordeel. Aan de vraagzijde is China, als directe afnemer van polysilicium, goed voor meer dan 99% van de wereldwijde productie van siliciumwafels. De downstream-industrie voor polysilicium is voornamelijk geconcentreerd in China. De productieprijs van polysilicium is laag, de transportkosten zijn laag en de vraag is vrijwel gegarandeerd. Ten tweede heeft China relatief hoge antidumpingtarieven ingesteld op de import van polysilicium van zonnecelkwaliteit uit de Verenigde Staten en Zuid-Korea, wat de consumptie van polysilicium uit deze landen sterk heeft beperkt. Wees daarom voorzichtig met het opzetten van nieuwe projecten. Bovendien hebben Chinese bedrijven die in het buitenland polysilicium produceren de afgelopen jaren een trage ontwikkeling doorgemaakt als gevolg van de tarieven. Sommige productielijnen zijn afgebouwd of zelfs gesloten, en hun aandeel in de wereldwijde productie neemt jaar na jaar af. Hierdoor zullen ze de prijsstijging van polysilicium in 2021 niet kunnen opvangen, aangezien de hoge winstmarges van Chinese bedrijven en hun financiële positie onvoldoende zijn om een snelle en grootschalige uitbreiding van hun productiecapaciteit te ondersteunen.
Op basis van de respectievelijke prognoses voor de polysiliciumproductie in China en het buitenland van 2022 tot 2025, kan de voorspelde waarde van de wereldwijde polysiliciumproductie worden berekend. Naar schatting zal de wereldwijde polysiliciumproductie in 2025 1,371 miljoen ton bedragen. Aan de hand van deze voorspelde waarde kan het aandeel van China in de wereldwijde productie ruwweg worden bepaald. Naar verwachting zal het aandeel van China geleidelijk toenemen van 2022 tot 2025 en in 2025 meer dan 87% bedragen.
6. Samenvatting en vooruitzichten
Polysilicium bevindt zich stroomafwaarts van industrieel silicium en stroomopwaarts van de gehele fotovoltaïsche en halfgeleiderindustrieketen, en speelt daarom een zeer belangrijke rol. De fotovoltaïsche industrieketen bestaat doorgaans uit polysilicium-siliciumwafel-cel-module-geïnstalleerd fotovoltaïsch vermogen, terwijl de halfgeleiderindustrieketen doorgaans bestaat uit polysilicium-monokristallijne siliciumwafel-siliciumwafel-chip. Verschillende toepassingen stellen verschillende eisen aan de zuiverheid van polysilicium. De fotovoltaïsche industrie gebruikt voornamelijk polysilicium van zonnecelkwaliteit, terwijl de halfgeleiderindustrie polysilicium van elektronische kwaliteit gebruikt. Voor de fotovoltaïsche industrie geldt een zuiverheidsbereik van 6N-8N, terwijl voor de halfgeleiderindustrie een zuiverheid van 9N of hoger vereist is.
Jarenlang was de verbeterde Siemens-methode wereldwijd het gangbare productieproces voor polysilicium. De laatste jaren hebben sommige bedrijven actief onderzoek gedaan naar de goedkopere silaan-fluidized bed-methode, wat mogelijk gevolgen heeft voor het productiepatroon. Het staafvormige polysilicium dat met de gemodificeerde Siemens-methode wordt geproduceerd, kenmerkt zich door een hoog energieverbruik, hoge kosten en een hoge zuiverheid, terwijl het korrelvormige silicium dat met de silaan-fluidized bed-methode wordt geproduceerd, een laag energieverbruik, lage kosten en een relatief lage zuiverheid heeft. Sommige Chinese bedrijven hebben de massaproductie van korrelvormig silicium en de technologie voor het trekken van polysilicium met behulp van korrelvormig silicium gerealiseerd, maar deze technologie is nog niet wijdverspreid. Of korrelvormig silicium in de toekomst het eerstgenoemde kan vervangen, hangt af van de vraag of het kostenvoordeel opweegt tegen het kwaliteitsnadeel, de impact op downstream-toepassingen en de verbetering van de silaanveiligheid. De wereldwijde polysiliciumproductie is de laatste jaren jaar na jaar toegenomen en concentreert zich steeds meer in China. Van 2017 tot 2021 zal de wereldwijde jaarlijkse productie van polysilicium toenemen van 432.000 ton tot 631.000 ton, met de snelste groei in 2021. Gedurende deze periode is de wereldwijde polysiliciumproductie steeds meer geconcentreerd geraakt in China, en het Chinese aandeel in de polysiliciumproductie is gestegen van 56,02% in 2017 tot 80,03% in 2021. Van 2022 tot 2025 zal het aanbod van polysilicium een grootschalige groei doormaken. Naar schatting zal de polysiliciumproductie in China in 2025 1,194 miljoen ton bedragen, en de productie in het buitenland 176.000 ton. De wereldwijde polysiliciumproductie zal in 2025 daarmee ongeveer 1,37 miljoen ton bedragen.
(Dit artikel dient uitsluitend ter informatie voor klanten van UrbanMines en vormt geen beleggingsadvies.)