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”現象，造成硅溶液內部出現流動，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更容易發生同心圓問題。TOPCon在后續的高溫工藝（如B擴散）下，氧容易 沉淀形成氧環即同心圓，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，出現同心圓概率不高，可以選擇高氧含量硅片。

P型和N型的區別，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，現有的單晶爐技術可以實現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區域，氧原子堆積在一起，漏電大，一 定就是不會發電的，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檢測時中心發黑的現象。目前 TOPcon黑芯片占比4-5%，在企業的可接受范圍內，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，硅片環節再無新的技術迭代。

晶盛機電持續推出單晶爐新品，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，實現高拉速第二代單晶爐；2015年首推復投器+大熱 場，開創第三代RCZ高產單晶爐；2020年首推基于工業互聯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的封閉控制系統模式，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型行業標準）， 在硅料降價+N型12%合理利潤率下，行業整體利潤仍然較高，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。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，則可節省電費0.004元/W，每GW節省電費 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（液態氦）組成。超導線圈在超低溫環境溫度下達到超導狀態，能夠承載比常規線圈更高的電流，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年聯合發表了“優質硅單晶的新制法”，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增加的需求。隨著超導磁體技術的發展，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定，材料純度更高；同常規磁體相比，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：開拓晶盛機電發展空間

堅實客戶基礎助推研發正反饋循環：晶盛機電作為光伏單晶爐龍頭企業，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，助力研發過程推進和關鍵技術優化。

全資子公司慧翔電液經歷多年技術積累，先發優勢鑄就行業領先地位：晶盛機電初期超導磁場主要為外采，其 2017年開發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化線圈結構；到2019年，慧翔電液的開發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%，持續推進單晶爐優化升級，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單晶爐龍頭，在新型低氧單晶爐前瞻性布局，具備領先優勢，隨 著N型硅片持續擴產&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 司持續開發超導材料和磁體技術在半導體、光伏、醫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，已實現批量出口；滿足面向工程的電磁場設計需要，開發了大型 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；公司還研發出特種磁體制備新技術并實現產業化，批量應用于國內外高能加速器 制造領域，實現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

松瓷研發團隊掌握了同心圓缺陷出現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，后續延續此思 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。

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