中国光伏行业金刚线用钨丝市场研究
目 录
第十章 钨丝金刚线的生产成本（特别放送）
第十一章 钨丝金刚线行业前景（特别放送）
第十二章 钨丝生产企业概览（特别放送）
第十三章 钨丝母线金刚丝市场格局预测（特别放送）
第十七章 主要光伏行业主要企业概览
附件：钨丝和光伏产业发展年谱简编
在工业和信息化部指导下，由中国光伏行业协会、赛迪智库集成电路研究所组织专家编制的《中国光伏产业发展路线图》2021年版于2022年2月23日发布，根据该文提供的权威统计资料和基本思路，中钨在线对中国金刚线（丝）母丝用钨丝的发展背景，即中国光伏行业近年极速发展和在全球的地位等做一个概括性的了解。
光伏产业链分为上游为硅料、硅片环节，包括硅料、多晶硅铸锭和单晶硅拉棒、切片；中游为电池片、电池组件环节，包括电池片、电池组件和下游应用系统，如集中式和分布式光伏发电站等6个主要环节，从全球范围来看，产业链6个环节所涉及企业数量依先后次序大幅增加，光伏市场产业链呈金字塔形结构。
中国光伏制造业位居世界第一，2021年光伏发电并网装机容量达到3.06亿千瓦，连续7年蝉联世界第一。在减碳和碳中和目标背景下，中国相关的新能源产业链充分受益，叠加2022年光伏产业链上游供需紧张情况得到逐步缓解，光伏行业景气度持续向上。
根据不完全统计，2022年上半年，中国光伏新增装机规模超预期，终端需求旺盛。今年以来，支持光伏行业发展的政策持续出台，光伏是新能源新基建的重要一环，大基地集中式电站和分布式光伏项目共同推进，未来光伏新增装机容量有望继续提升，产业链景气度将维持相当长的一段时间。在俄乌冲突导致的能源价格节节攀升的情况下，上游硅材料价格将因巨大的市场需求居高不下，这就为后续加工环节改进技术、节省硅料、提高效率提供了投资动力和利润空间。
本章将就本调研主要涉及三个主要行业和四种材料做简单的阐述。本调研主要涉及光伏电池/太阳电池、硅材料、金刚线（金刚石、碳钢丝）、钨丝，涉及三个行业，即光伏行业中的硅片切割行业、金刚丝制造和钨制品行业中的钨丝加工业。
太阳电池的太阳能板
1. 太阳电池
光伏产业是半导体技术与新能源需求相结合而衍生的新型产业。在各种可再生能源中，太阳能以其清洁、安全、取之不尽、用之不竭等显著优势，已成为发展最快的可再生能源。大力发展光伏产业，对调整能源结构、推进能源生产和消费革命、促进生态文明建设具有重要意义。中国已将光伏产业列为国家战略性新兴产业之一，在产业政策引导和市场需求驱动的双重作用下，中国的光伏产业实现了快速发展，已经成为我国为数不多可参与国际竞争并取得领先优势的产业；西方主要发达国家也正在把太阳能的开发利用作为能源革命的长期规划，光伏产业正日益成为国际上继IT、微电子产业之后又一爆炸式发展的行业。
光生伏特效应
光激发使半导体材料产生电子-空穴对并为PN结分离而形成电势的形象，称为光生伏特效应（Photovoltaic Effect）。太阳电池就是利用这类半导体材料具有的光生伏特效应将太阳能转换为电能的。太阳电池主要是通过串联和并联以获得所需的电压和电流来作为电源使用。分为空间用和地面用两种，空间用主要要求质量轻、转换效率高、耐辐射等；地面用则要求转换效率高、成本低廉。太阳电池产品已广泛应用于通信、照明、交通信号、航标灯、家用电器、阴极防护、遥控仪器、水泵、消费性商品（如计算器、电子表）等领域，单晶硅太阳电池及砷化镓太阳电池还作为人造卫星的空间电源使用。
世界上主要太阳电池的效率与生产情况
用作太阳电池的材料有硅单晶、硅多晶（见半导体硅材料）、砷化镓单晶、磷化铟单晶、锑化镓单晶以及非晶硅薄膜（见非晶半导体材料）、铜铟锡（见化合物半导体材料）、碲化镉薄膜、硫化镉薄膜等。
2. 光伏硅材料
硅（Silicon）是最主要的元素半导体材料，包括硅多晶、硅单晶、硅片、硅外延片、非晶硅薄膜等，可直接或间接用于制备半导体器件。硅为周期表中Ⅳ族元素，在地壳中主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。硅的原子量为28.05，25℃下密度为2.329g/cm3，具有灰色金属光泽，较脆，硬度6.5Mohs，稍低于石英，熔点1410℃，在熔点时体积收缩率9.5%。硅有结晶态和非晶。常温下硅单晶介电系数11.7，对光具有高的折射率（n=3.42），反射损失较大，涂以适当减反射膜可大大提高透过率。
纯硅固体可以无定形、多晶和单晶三种形态存在。当硅晶体由若干取向不同的小单晶颗粒组成时称为多晶硅，与单晶硅相比，多晶硅没有固定晶向，结构完整性差，多数器件用单晶硅制作；用氢还原或硅烷热分解等方法制得的多晶硅棒主要用来拉制单晶硅的原材料。
2.1 结晶态硅材料
结晶态硅材料是先将硅石材（SiO2）高温还原为纯度95%～99%的冶金级硅后将其变为硅的卤化物或氢化物，提纯后制得纯度很高的硅多晶。由于大多数半导体器件使用高完整性硅单晶，因此须再制得硅单晶，业界约90%采用直拉硅单晶的方法生产硅单晶。直拉硅主要用于集成电路和晶体管，集成电路用直拉硅单晶技术要求严格，是自成一体的集成电路用硅单晶；区熔硅则主要用于制作电力电子元件，纯度极高的区熔硅还用于射线探测器。硅单晶锭需经切片、研磨或抛光后供给器件生产使用，某些器件还要求在抛光片上生长一层硅外延层，称为硅外延片。
2.2 多晶硅
带切片的多晶硅硅锭方料（图源：世纪新能源网）
制造太阳电池用多晶硅用铸锭法制备，有定向凝固法和浇铸法。定向凝固法是将硅料在坩埚中熔融，后将坩埚从热场中逐渐降温或从坩埚底部通冷源造成一定的温度梯度，使固液界面从坩埚底部向上移动形成晶锭。浇铸法是将熔化后硅液从坩埚中倒入模具中以形成晶锭，再将硅锭切成方形硅片做太阳电池，一般硅片尺寸为100×100mm，平均晶粒为毫米级；也有省去切片降低成本的熔融硅液直接生长出硅带的方法。
近年来用化学气相淀积法生长的多晶硅膜得到了广泛的应用,它具有一些独特性质，非掺杂多晶硅有106～107Ω·cm的电阻率，半绝缘多晶硅的电阻率可高达010～1011Ω·cm。多晶硅的电阻率比单晶硅高，晶粒间界的存在可以减少载流子浓度、降低其迁移率、使杂质扩散系数增大。多晶硅膜被广泛地用于集成电路中作为器件间的介质隔离、槽填充支持体、半绝缘多晶硅可用作钝化膜，提高器件稳定性和可靠性。在MOS电路中，用掺杂多晶硅作栅极比用铝作栅极可提高集成度，此外还可用多晶硅制作低成本的太阳能电池等。
2.3 单晶硅
单晶硅是经过多道还原提纯工序制取的具有一定电阻率和完美晶格的超高纯金属硅，它是制备半导体硅片的重要基材。单晶硅制取一般采用直拉法和区熔法将经过蒸馏、还原提纯后的多晶硅进一步提纯、掺杂制成单晶硅。空间应用多使用区熔硅单晶，地面应用则使用直拉硅单晶。为了降低成本多使用一般硅单晶的废料或低档次的硅多晶，一般拉成电阻率为0.5～5Ω·cm的单晶，再进行切片。
单晶硅棒材料（图源：每日经济新闻）
2.4 半导体硅材料
半导体硅材料（Semiconductor Silicon）是最主要的元素半导体材料，包括硅多晶、硅单晶、硅片、硅外延片、非晶硅薄膜等，可直接或间接用于制备半导体器件。
半导体光电器件
3. 线锯
高硬脆材料的特点是自身硬度很高、脆性高、加工难度大、加工过程中易断裂。上世纪80年代前，高硬脆材料一般采用涂有金刚石微粉的圆锯切割；随着光伏和半导体行业的快速发展，内圆锯切割的切缝大、材料损耗多等问题逐渐显现，更为难以克服的是高硬脆材料的切割尺寸的限制；几项因素使得传统圆锯切割手段生产成本很难降低。
线锯/绳锯材料
有别于传统钢片切割、带锯片切割、内外圆锯片切割方法，线锯属于柔性刀具，指利用绳锯木断的原理设计出来的一种对脆硬材料进行切割的锯，又称绳锯。在锯切特性方面，可用以进行曲线或不规格形状的锯切加工；在锯切对象方面，可进行石材、玻璃、纤维织物等硬脆材料的锯切，同时还应用于硅晶体、半导体等精密材料的切片加工，是一种高效、精密的锯切工具。
线锯按其运动形式可分为：直线型线锯和环形线锯。直线型线锯又称往复式线锯，因此在锯切过程中，线锯需要频繁改变方向；环形线锯又称单向式线锯，其线锯丝首尾相接成环形，在涨紧机构以及导轮的作用下实现锯线单方向地连续运动。
固结磨粒金刚石线锯基体的原则主要以直径小和强度高为主，常采用金属丝作为基体，如琴钢丝、普通钢丝、碳钢丝和不锈钢丝等不同的线锯基体，也叫线锯母丝，根据线锯基体母丝不同，固结磨粒金刚线锯初期以碳钢丝金刚线锯为主，2019年开始，主要的线锯生产企业，如美畅股份和主要的光伏切片企业，如隆基股份，开始尝试使用钨丝基体的金刚线锯。在国际上，日本松下更早于中国开始测试钨丝基体母丝的金刚线锯技术。
3.1 游离磨料线锯
根据石材、纤维板等硬脆材料进行锯切加工技术，发展出游离式磨粒线锯的磨粒和锯丝，磨粒是贮存在浆料池中或由研磨液喷嘴喷出，由此被一定速度运动的锯线带入到切割区域中，而磨粒则以研磨加工的方式垂直作用在加工表面上，依靠磨粒的滚压嵌入作用去除材料，进而在切割面上产生较深的表面裂纹，并以此完成对材料的切片/锯切加工，但由于游离式磨粒线锯的切割装置以及切割机理的固有缺陷，游离式磨粒线锯在锯切加工中，材料表面质量以及损伤不易控制、残余应力以及切口损耗较大，存在磨粒浆料回收、浆料污染问题，因而游离磨料线锯切片加工脆性材料存在锯切时间长、切割效率低、环境污染严重等缺点。
游离磨料多线切割原理图（《中国工程科学》2012年第14卷第11期）
20世纪90年代中期开始，切缝窄、切割厚度均匀且翘曲度较低的游离磨料砂浆线锯切割逐步发展起来。游离磨料砂浆切割以强度大的碳钢丝为基本切割主体，辅以高硬度磨料，如莫氏硬度为9.5的碳化硅作为切割刃料，主体钢线在高速运动中带动切割液和碳化硅混合的砂浆进行摩擦，利用碳化硅的研磨作用达到切割效果。
游离磨料砂浆切割在工业切割领域表现稳定，在光伏及半导体行业硅片切割领域很快得到广泛应用。砂浆切割尽管较圆锯切割加工效率和质量高很多，但加工效率仍有待提高、被加工材料硬度较大，如硬质合金等效率更低，不断加注和排出的游离磨料和加工废屑的环境污染问题日趋严重且很难规避和进行净化处理。
单股（上图）、多股线游离磨料线锯切割示意图（《中国工程科学》2012年第14卷第11期）
3.2 固结磨粒线锯
2015年起固结磨粒线锯金刚线锯切割技术进入脆硬材料切割领域，并快速替代砂浆切割生产模式，成为光伏行业晶硅切片的主流切割工艺。
固结磨粒线锯是线锯的一种，是指磨粒固结在锯线基体上从而可以与锯线具有相同的运动速度，以此进行材料的锯切加工；固结磨粒线锯是时下切割脆硬材料的主流方法。固结磨粒线锯是相对于游离式磨粒线锯来说的，具有环保、清洁生产、加工精度高、切口损耗低等优点，适合于硅晶体、半导体等精密材料的锯切加工。固结磨粒线锯技术从最初的口袋锯、串珠锯技术逐渐发展到焊接方法、树脂固化法、电镀法等方式固结磨粒的专项技术。
固结磨粒线锯切割相较游离砂浆线锯切割，具有以下几项较大优势：
（1）固结磨粒金刚线强度更大，使用寿命更长，大幅降低单位线耗成本；
（2）换线次数少、线径更细而提高被切割材料利用率，大幅降低切割损耗；
（3）强度大，金刚石固结可以提高切割速度，适度加大金刚线张力提升切割效率；
（4）固结金刚石线锯大幅减少游离磨料砂浆碳化硅的损耗和砂浆废料处理环保问题。
固结磨粒金刚线锯VS游离砂浆线锯切割优势对比（图源：高测股份招股说明书）
3.3 树脂结合剂固结磨粒线锯
树脂结合剂固结磨粒线锯是采用树脂涂覆固化工艺制作的线锯，这种线锯生产工艺简单、制造成本低，用这种线锯进行切割加工的工件表面质量较好，加工过程环境友好度高；这种线锯本身固有的问题是磨粒固化程度弱、把持强度低、耐磨性、耐热性低，使用寿命也相对较低。
3.4 电镀固结磨粒线锯
电镀固结磨粒线锯是用电镀的方法在金属丝（线）上沉积一层可以同时固结磨料制成的一种线性超硬材料工具。以金刚石电镀线锯为例，加工时，向镀液中添加选定粒径的金刚石磨粒，当镀液中的金属离子阴极还原成金属，如Ni或Ni-Co合金等沉积在线锯基体上时，金刚石微粒被包覆进入镀层而制成的一种线性超硬线锯材料。金属镀层是基体与金刚石磨粒的结合剂，金刚石磨粒未包覆的部分用于切削加工。
3.5 金刚石线锯
不论是树脂结合剂固结磨粒线锯还是电镀固结磨粒线锯，只是加工线锯的方式不同，如果磨料采用金刚石（人造）颗粒、微粒，不论碳钢线还是钨丝基体母丝与金刚石磨粒的结合的线锯都称之为金刚石线锯。金刚石线锯是一种对硬脆性材料进行精密、窄缝切割的技术，固结磨粒金刚石线锯以切割速度快、耗材成本低及环保等优点被广泛应用于半导体和太阳能电池硅材料的切割加工中。
电镀固结金刚石线锯
电镀法制造的金刚石线锯具有以下优点：
（1）切削量少，切面光洁度高，锯缝整齐，出材率高，适合宝石、水晶等硬脆材料加工；
（2）线锯切割速度高，适应高速启动急速暂停的往复切割，效率高，节能环保，噪音小；
（3）加工材料不受尺寸和形状限制，大规格、小尺寸等各类硬脆材料皆可加工，且曲面加工和小孔的研磨修整均可实现。
4. 金属钨丝
4.1 金属钨丝
钨是高原子序数材料，具有高密度、高熔点、高硬度、热膨胀系数小、抗腐蚀、抗氧化、抗高温以及导电导热等优异性能，已在航空航天、电子信息、冶金化工等领域得到广泛的应用。钨及钨合金经过冷轧、热轧、挤压、旋锻等工序形成的钨丝具备更高的强度和韧性，成为了切割行业最具前景的候选材料之一。
钨丝是金属钨条或掺杂钨条在垂熔、锻打、连续改拉后制成的钨金属丝。钨丝的发明主要是为了解决传统照明白炽灯发光体问题，也由于钨丝的硬度和强度良好而应用于切割、发热、导电等用途。自1903年钨丝问世以来，除少量用作高温炉的发热材料、电子管的热子和复合材料的加强筋等外，绝大部分钨丝都用于制作各种白炽灯和卤钨灯的灯丝以及气体放电灯电极。
4.2 钨丝基体母丝
近年来，随着光伏行业中硅片切割薄片化发展趋势的推动，钨丝对比传统锯丝更细的线径与更佳的柔软性引起了人们的兴趣，今年以来，岱勒新材、厦门钨业、中钨高新等行业龙头企业先后推进光伏用钨丝的技术改革与扩产项目，拟抢占具有巨大发展前景的光伏、半导体等领域需求市场。
4.3 中钨在线钨丝母丝
2021年底，中钨在线及其子公司中钨智造科技有限公司联合具有多年钨丝生产能力的业内合作伙伴，进行金刚线用基体母丝适用性测试和研究，同时，中钨在线也不断与金刚线加工业者合作测试钨丝金刚线锯的性能，并取得了较好的测试结果。因此，中钨在线热忱欢迎各界联合进行钨丝母线的各种形式的合作。
中钨在线的传统钨丝资讯已经上传至我们的专业钨丝网站（www.tungsten-wire.com.cn），部分金刚线钨丝母丝资料会列示于中钨智造网站（www.ctia.com.cn）上。任何需求与合作意愿，请直接联系我们！zhenghua@ctia.com.cn
传统白炽灯的单螺旋钨灯丝
关于金属钨、金属钨丝及其理化性能，可以访问中国钨协网站（www.ctia.net.cn）、中钨在线网站（news.chinatungsten.com），也可以订阅“中钨在线”微信公众号，每天可以收到最新的钨钼材料市场信息和价格，同时中钨在线也会积极跟踪钨丝金刚线和光伏切割信息，密切关注中钨智造、中钨高新、厦门钨业有关资讯和钨丝母丝市场价格。
传统白炽灯的螺旋灯丝
《中国光伏行业金刚线用钨丝市场研究》第一章概述了涉及光伏行业金刚线钨丝母丝的主要概念，为第二章开始陆续展开的光伏行业概况和对金刚线的需求趋势拉开序幕。
《中国光伏行业金刚线用钨丝市场研究》是中钨在线、中钨智造2022年上半年推出的大型钨制品行业专业调研文献，内容主要涉及光伏行业金刚线用的钨丝母丝发展历史、生产技术、成本和价格因素等。该文将在“中钨在线”微信连续发布部分内容，敬请关注。
传统的钨灯丝白炽灯
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