低氧型單晶爐發(fā)展趨勢

N型硅片存同心圓痛點，低氧型單晶爐助力降本增效

新款單晶爐為何在2023年推出？

隨著N型電池片，尤其是TOPCon快速放量，N型硅片需求大幅提升。TOPCon 2022年 實際擴產約110GW，2023年1-4月擴產約400GW，帶動N型硅片需求快速提升，而N型硅片 對晶體品質和氧碳含量要求很高，要求更高的少子壽命和更低的氧含量。

N型硅片容易產生由原生氧造成同心圓、黑芯片問題。主要系高溫的硅溶液在坩堝里進 行相對高速的對流，因為外面熱中間冷，底部熱上面冷，硅溶液在坩堝內會形成類似“開 鍋”現(xiàn)象，造成硅溶液內部出現(xiàn)流動，不停沖刷石英坩堝，而石英就是二氧化硅，其中氧 會在沖刷過程中融入硅溶液，造成晶體里含有較多的氧。

TOPCon更容易發(fā)生同心圓問題。TOPCon在后續(xù)的高溫工藝（如B擴散）下，氧容易 沉淀形成氧環(huán)即同心圓，影響效率和良率，所以TOPCon對硅片氧含量更敏感；而HJT為低 溫工藝，出現(xiàn)同心圓概率不高，可以選擇高氧含量硅片。

P型和N型的區(qū)別，為何PERC對雜質要求不高？

N型電池對硅料要求比P型高。 （1）轉換效率上，N型電池（TOPCon、xBC、HJT）均高于P型電池（BSF、PERC）。 （2）電特性及純度上，N型表金屬、體金屬、受主雜質和施主雜質含量比P型少50%，少子壽 命也提高了。 （3）含氧量上，現(xiàn)有的單晶爐技術可以實現(xiàn)12.5ppma左右的含氧量，再往下，良率就很低，如 果降低到10ppma，良率可能不到10%。

當下TOPCon一體化企業(yè)的痛點：同心圓和黑芯片問題

TOPCon高溫過程比較多（SE需要兩次擴硼，溫度在1050攝氏度以上，擴磷850攝氏度， LPCVD也是高溫過程），高溫過程會激發(fā)硅片內的氧原子形成同心圓，使效率下降。 缺陷分為空位缺陷和點缺陷，空位缺陷是原子來不及排列，所以中間出現(xiàn)了孔洞。高拉速 情況下孔洞會多，摻雜磷之后孔洞缺陷會更多，過了7ppm之后，缺陷會急速上升。Topcon 里的高溫制程就會導致氧聚集形成缺陷，400度以上氧可以在硅片里活動，800~900度以上 氧可以游動，一旦冷了凝固就不動了。氧喜歡CUP區(qū)域，氧原子堆積在一起，漏電大，一 定就是不會發(fā)電的，如果氧和過渡金屬復合之后，會引起局部的位錯。從邏輯上，氧和雜 質是N型硅片的敵人，雜質會復合掉少子，氧會聚集形成缺陷。

TOPCon黑芯片問題放大了HJT硅棒利用率優(yōu)勢：目前TOPCon存在黑芯片的問題，硅片氧 含量高且在高溫下氧占位了硅，造成了電池片或組件在EL檢測時中心發(fā)黑的現(xiàn)象。目前 TOPcon黑芯片占比4-5%，在企業(yè)的可接受范圍內，但隨著未來TOPCon對良率的要求變高， 黑芯片會使得TOPCon比HJT硅棒利用率低3%。

單晶爐發(fā)展趨勢：平均3-4年換一代，從尺寸變大到質量升級

之前單晶爐的發(fā)展思路是：在所有變動成本一致的情況下，硅片尺寸越大，成本越低。當 下的G10硅片，從尺寸角度看，已經是瓶頸，210是最符合集裝箱尺寸的大小，自210推出 后，硅片環(huán)節(jié)再無新的技術迭代。

晶盛機電持續(xù)推出單晶爐新品，由注重尺寸到注重質量。2007年晶盛機電推出第一代全自 動單晶爐；2011年首推水冷套裝置，實現(xiàn)高拉速第二代單晶爐；2015年首推復投器+大熱 場，開創(chuàng)第三代RCZ高產單晶爐；2020年首推基于工業(yè)互聯(lián)網的第四代智能化單晶爐。 2023年晶盛推出第五代新型單晶爐，最大的亮點在于改變了傳統(tǒng)的封閉控制系統(tǒng)模式，配 置了基于開放架構的用戶可編程的軟件定義工藝平臺。

增加磁場為有效解決方案之一，具備一定經濟性

硅料降價+硅片10%~12%合理利潤率，單晶爐回本周期不到2年

硅料降價+硅片10%~12%合理利潤率下，行業(yè)整體利潤仍然較高，單晶爐回本周期不到2年， 其中N型設備回本周期比P型更短。 （1）單晶爐價格約140萬/臺，理論產值14MV/臺，N型硅片利潤率12%，P型硅片利潤率10%。 （2）進口高純石英砂短缺，坩堝更換頻繁，單晶爐待機時間變長，間接造成產能損耗，其中 N型單晶爐產能損耗約20%，P型單晶爐產能損耗約10%。 （3）N型每GW所需單晶爐約90臺，設備價值量1.3億元，P型每GW所需單晶爐80臺，設備價 值量1.1億元。以硅片價格0.6元/W測算，設備回本周期不到2年，其中N型設備回本周期更短。

硅料降價+ N型 12%利潤率，單晶爐+超導磁場回本周期約3年

N型硅片對含氧量和純度要求比P型高，只有磁場才能將含氧量降低到7ppma（N型行業(yè)標準）， 在硅料降價+N型12%合理利潤率下，行業(yè)整體利潤仍然較高，單晶爐回本周期約3年。 （1）2023年晶盛超導磁場約150萬元/臺，2024年有望降到100萬元/臺（降低30%）。 （2）單晶爐+磁場可以有效提高硅片拉晶的良率、成晶率，提高10%單產。 （3）磁場可以減緩硅溶液對坩堝的沖刷，延長坩堝使用壽命，N型單晶爐產能損耗降低至15%。 （4）N型每GW所需單晶爐+超導磁場76臺，設備價值量2.2億元，以硅片價格0.6元/W測算，設 備回本周期約3年，當超導磁場降低至100萬元/臺，回本周期約2.5年。

硅片存在產能過剩風險，硅片質量為后續(xù)競爭的關鍵要素

從供給與需求角度來看，硅片產能未來存在過剩風險。供給端2022年底硅片名義產能達600GW+，考慮到落后 產能淘汰、產能利用率等，我們測算實際有效產能約260GW+；需求端2022年全球新增裝機量約230GW，考慮 到容配比等，我們測算硅片需求約290GW+，硅片供需處于緊平衡狀態(tài)。未來隨著硅片技術變革減少、落后產 能淘汰率下降，硅料等瓶頸因素消失、產能利用率提升，硅片名義產能存在過剩風險。 硅片質量為后續(xù)競爭的關鍵要素。硅片產能過剩將放大硅片質量的重要性，下游對質量優(yōu)秀硅片的傾向性凸顯。

超導磁場增效降本，0.3%效率提升+非硅降本貢獻2000-3000萬/GW

增效角度：以182尺寸72片組件、轉換效率24.3%為例，單晶爐+超導磁場可以有效的提高電 池轉換效率0.1~0.5%，進而提高組件功率。按照電池效率提升0.3%、組件1.6元/W估算， 550W的組件溢價10.8元，每GW多盈利約1900萬元。 降本角度：單晶爐+超導磁場可多利用5%的頭尾料，頭尾料重新投料，相當于節(jié)省5%的電費。 目前非硅成本是0.1元/W，其中電費約0.08元/W，則可節(jié)省電費0.004元/W，每GW節(jié)省電費 成本約400萬元。

光伏磁場借鑒半導體領域經驗，有效抑制對流以降低氧等雜質

磁控直拉單晶技術可抑制熔體熱對流，降低晶體的雜質含量

超導材料是指在低于其臨界溫度時，具有直流電阻為零和完全抗磁性（外磁場的磁力線無法穿透到內部）的材 料，而超導磁體則是利用超導材料的特殊性質來產生強磁場的裝置：一般由超導材料制成的超導線圈和冷卻系 統(tǒng)（液態(tài)氦）組成。超導線圈在超低溫環(huán)境溫度下達到超導狀態(tài)，能夠承載比常規(guī)線圈更高的電流，從而產生 更高的磁場，具有低功耗、高場強、重量輕、體積小等優(yōu)勢特點。

基于所產生的強磁場，超導磁體能夠應用于人體核磁共振成像儀（MRI）、磁控直拉單晶硅（MCZ）、超導磁 體儲能等領域。其中，磁控直拉單晶技術即在直拉法（CZ法）單晶生長的基礎上對坩堝內熔體施加超導磁場， 從而抑制熔體的熱對流：熔體硅具有導電性，在磁場作用下，熔體流動必然引起感生電流從而產生洛倫茲力。 在洛倫茲力的作用下，熔體內熱對流得到抑制，熔體液面處的氧、點缺陷及其他雜質得到抑制。適當分布的磁 場能改善單晶的均勻性，減少氧、硼、鋁等雜質從石英坩堝進入熔體，從而提升單晶硅品質。

磁控直拉法中的超導磁體產生的磁場一般分為橫向磁場、縱向磁場、勾形磁場。其中縱向磁場由于抑制熔體熱 對流表現(xiàn)不好，已被橫向磁場和勾形磁場所替代。而橫向和勾形兩種磁場位型各有利弊，最優(yōu)技術路線仍在摸 索中：慧翔電液專利中橫向磁場和勾形磁場均采用過，中國科學院電工研究所專利中采用了橫向磁場。

超導磁場優(yōu)勢明顯，助力單晶硅品質進一步提升

磁場拉制晶體最早可以追溯到1966年，該方法最早由Utech和Fleming及Chedzey Hurle分別獨立提出，并第一 次把磁場引入水平生長InSb晶體，減小了熱對流和界面溫度波動，起到了抑制生長條紋的作用；控制硅中氧在 70年代末至80年代初成為單晶生長技術中的重要課題，學者開始大規(guī)模研究磁場對晶體生長行為的影響。

日本索尼公司于1980年聯(lián)合發(fā)表了“優(yōu)質硅單晶的新制法”，開始將磁場應用到CZ硅單晶生長中，獲得了適于 VLSI和高反壓大功率器件用的高質量硅單晶，引起了半導體行業(yè)的重視。1982年初，索尼公司宣布有償轉讓該 技術，標志著MCZ進入實用階段。

傳統(tǒng)的MCZ方法采用永磁體或銅線圈導流產生背景磁場，但永磁體穩(wěn)定性較差，而銅線圈磁體具有磁場強度 低、能耗大的缺點，無法滿足晶棒尺寸持續(xù)增加的需求。隨著超導磁體技術的發(fā)展，超導磁場提供了更有吸引 力的解決方案：可使材料凝固液面更穩(wěn)定，材料純度更高；同常規(guī)磁體相比，超導磁體能夠降低 300mm 單晶 硅制造能耗 20%、提高成品率 30%。

客戶基礎+慧翔電液技術儲備+盈利模式演化：開拓晶盛機電發(fā)展空間

堅實客戶基礎助推研發(fā)正反饋循環(huán)：晶盛機電作為光伏單晶爐龍頭企業(yè)，客戶量大且覆蓋面廣，因此有充足的 客戶資源供公司進行技術驗證，形成客戶端-設備端正反饋循環(huán)，助力研發(fā)過程推進和關鍵技術優(yōu)化。

全資子公司慧翔電液經歷多年技術積累，先發(fā)優(yōu)勢鑄就行業(yè)領先地位：晶盛機電初期超導磁場主要為外采，其 2017年開發(fā)的半導體級超導磁場單晶硅生長爐的超導磁場由日本住友提供，但由于價格較為昂貴，晶盛在此之 后逐漸由外采轉向自研，晶盛全資子公司慧翔電液主要支持超導磁場的國產化。

布局：根據專利申請時間，慧翔電液對超導磁場的布局可以追溯到2018年：先后研發(fā)了能夠主動屏蔽漏磁 的磁體結構，以及能夠增加磁場強度的優(yōu)化線圈結構；到2019年，慧翔電液的開發(fā)范圍由局部擴展到整體， 申請了磁控直拉單晶設備的專利保護，不斷完善晶盛機電在半導體級超導磁場單晶爐的布局。

低氧型單晶爐迎新一輪技術迭代，市場空間廣闊

我們預計到2025年低氧單晶爐市場空間超200億元

模型基本假設： （1）2023-2025年新增產能中低氧單晶爐滲透率分別為5%/15%/30%; （2）超導磁場的增加能夠提升單晶爐單產，2023-2025年單產分別為14/15/15MW； （3）2023-2025年超導磁場價格分別為150/120/100萬元； （4）2023-2025年存量產能更新為低氧單晶爐的比例分別為4%/10%/15%。

重點公司分析

晶盛機電：推出第五代單晶爐，加入超導磁場

2023年5月22日晶盛機電發(fā)布第五代單晶爐，通過引入超導磁場解決TOPCon的同心圓問題。 晶盛機電為單晶爐龍頭，市占率為除隆基外的90%，持續(xù)推進單晶爐優(yōu)化升級，目前晶盛已推 出第五代單晶爐，亮點之一便為附加超導磁場來解決TOPCon硅片的同心圓問題，其子公司慧 翔電液具備磁場供應能力，是國內超導磁場市占率最高的玩家，截至目前已經出貨超200個。 我們認為晶盛機電作為傳統(tǒng)單晶爐龍頭，在新型低氧單晶爐前瞻性布局，具備領先優(yōu)勢，隨 著N型硅片持續(xù)擴產&低氧單晶爐滲透率提升，晶盛機電訂單有望維持高增。

西部超導：超導產品領軍者，已向下游相關客戶銷售MCZ磁體

西部超導主業(yè)為司、高端鈦合金、超導產品（超導線材、超導磁場）、高性能高溫合金，公 司持續(xù)開發(fā)超導材料和磁體技術在半導體、光伏、醫(yī)療及電力領域的應用，并與相關單位形 成了實質性合作。目前公司自主研發(fā)了國內第一臺專門用于磁控直拉單晶硅的高磁場強度超導 磁體，傳導冷卻類型MCZ，已實現(xiàn)批量出口；滿足面向工程的電磁場設計需要，開發(fā)了大型 超導磁體繞制、固化及低溫杜瓦設計和制造、制冷機直接冷卻快速降溫等全套超導磁體設計制 造核心技術；公司還研發(fā)出特種磁體制備新技術并實現(xiàn)產業(yè)化，批量應用于國內外高能加速器 制造領域，實現(xiàn)中國首次向美國能源部稀有同位素加速器項目批量出口超導磁體；公司還具備 鞍型和制冷機直冷低溫超導磁體、大型高溫超導磁體關鍵制備技術，為蘭州重離子加速器、上 海光源、廣東電網超導限流器提供了核心的超導磁體，保障了國家重點工程建設。

連城數控：推出新品單晶爐，MCCz+外加磁場降氧

推出KX420PV新品單晶爐，采用MCCz技術，通過外加磁場的引入可有效抑制硅熔體熱對流， 降低氧的形成和傳輸，同時結合全新設計的氬氣吹掃方案、大尺寸排氣管道及低流阻設計， 匹配大抽速真空干泵和可升降式加熱器，最大程度帶走氧雜質。目前連城數控已深度掌握 磁場模塊（永磁場、勾型磁場及水平磁場、超導磁場）用于光伏單晶生長的一系列方案。

奧特維：子公司松瓷機電推出高性價比的低氧型單晶爐

松瓷研發(fā)團隊掌握了同心圓缺陷出現(xiàn)的機率與單晶氧含量存在的相關關系，結合低氧拉晶技 術，優(yōu)化單晶爐軟硬件設計，顯著降低同心圓缺陷比例：（1）通過熱場工藝模擬，結合流 體流通路線，設計最佳匹配爐內管路開口位置及流體管路走向，最大化程度帶走氧雜質；（2） 軟控算法增加控氧功能模塊，在不影響拉晶的前提下，不定時開啟除氧功能，后續(xù)延續(xù)此思 路增加其他除雜模塊；（3）調整工藝包以提升工藝與硬件之間的匹配度。在同等條件下同心 圓可降低50%，相較于主流硅片氧含量水平，同等條件下低氧型單晶爐可實現(xiàn)氧含量降低24% 以上，試驗線驗證數據電池片效率提升0.1%。松瓷低氧型單晶爐設備在保證效率提升的同時， 可幫助客戶提高效益，有利于客戶快速收回成本。目前有多家客戶在松瓷實驗室進行驗證。

報告節(jié)選：