光伏用金刚石线基本知识

声明本文章不构成投资建议，仅作为研究讨论之用，免不了有不少个人偏见，盲目据此决策带来的后果自负。股市有风险，决策需独立思考，切忌人云亦云。

首发于逸柳投研笔记。

一、金刚石线及其用途

金刚石线准确来讲叫做电镀金刚石线，用来切割光伏晶硅、水晶、磁性材料、蓝宝石等硬脆材料，物理形态是在金属线上镀上一层金刚石微粉。金刚石线最早主要用在蓝宝石领域，在2015年开始应用在光伏领域，之前光伏采用砂浆切割，原理上跟金刚线差不多，只是用碳化硅作为刃料，另外刃料和钢线并不是固定附着，而是游离态。

在光伏领域，金刚石线主要用于硅片制造环节，用于硅棒截断、硅片切方、切片。

金刚石线的线径（直径）与应用的位置有关，截断和切方对于切割速度和效率要求高，因此线径较粗，根据美畅股份招股书P110，截断和切方用金刚石线线径在250-350微米；而切片环节要求提高材料的利用率，需要用尽可能细的线，根据美畅股份2021年年报P12，目前线径采用38-42微米。

根据美畅股份招股书，金刚线的直接材料为金刚石微粉、母线，主要辅助原材料为镍、化学品（氨基磺酸镍、硼酸等）、包装材料等，而母线由黄丝加工得到，黄丝是一种镀铜的高强度钢丝，高强钢丝的碳元素含量比较高。当然，如果用钨丝而不是钢丝，其上游的产业链会略有不同。

电镀金刚石线的制造过程，主要是拉线以及在线表现通过镀镍的方式使得母线和金刚石粉固结起来。

根据《JB/T 12543-2015 超硬材料制品 电镀金刚石线》的定义，电镀金刚石线的性能主要有破断力、出刃率、出刃高度、自由圈径、翘头高度等技术要素。以破断力为例，线越细，破断力就越小，我们日常生活中能有所体会，比如用一根线去切西瓜皮，线绷得越紧，切割的效率就越高，线如果非常松弛，则根本没法切，也就是说，这个破断力小的话，会影响切片效率。

切割过程是在硅片切割过程中，金刚线网的线速度在4秒内从静止状态加速至2,400米/分钟（折合144公里/小时），在2,400米/分钟的线速度工况下持续运行30秒后，在4秒内从2,400米/分钟减速至0米/分钟；随后反向加速至2,400米/分钟，持续运行30秒后，再减速至0米/分钟。（《20220605-招商证券-金刚线行业深度报告（一）钨丝解密，经济性是替代光伏切割丝母线的主要推手》P6）

二、硅片和金刚石线用量配比

根据美畅股份在互动平台的回复，目前市场主流规格的金刚线，切割一片182硅片的用量在3米到4米之间。

采用同样的母线材料，随着金刚线变得越来越细，切割一片同样规格的硅片所需要的线的长度会增加，因为越细则越容易断，另外拉力越小，切割速度和效率都会降低。

切割的原理是把硅片的某个部分“磨掉”，在切割线直径固定的情况下，切割的线耗与硅片的面积相关，而且可以合理假设其成正比关系，而在厚度、转换效率相同的情况下，硅片的电池功率也跟硅片的面积近似正比，所以每瓦的线耗量可以合理假设为一个相对稳定的值（在某个特定时期，技术变化不明显的情况下），182硅片的功率大概是7.4w/片，也就是说单瓦线耗约为0.41-0.54m/w。

《20220606-中证券-新材料行业光伏材料专题报告之一金刚线细线化延续，钨丝母线替代正当时》P10列出了钢丝金刚石线线耗和硅片宽度、线径的关系。

三、金刚线直径变小的权衡取舍

线径变小有收益也有成本，收益方面，一是能够降低切割对硅的损耗，因为切片过程在物理上要求把一部分硅磨掉（厚度跟金刚线的直径相同），二是能够切更薄的硅片。这两个原因都有助于将同样长度的硅棒切成更多数量的硅片。三是母线材料用量的减少，按上表中切160微米为例，30微米直径下，需要消耗的金刚线长度变为了38微米下的1.27倍，但是母线横截面积变为了原来的0.62倍（实际上母线的直径更小，会低于这个倍数），消耗的母线的质量变为原来的0.79倍，可见有材料的节约。另外，还有一点，就是线越细，切片过程中，硅片碎片率会降低。

而成本方面，一是线越细，母线拉制和镀镍、抹金刚石粉等加工难度更大，需要付出更大成本；二是线越细，切割的效率会有所降低，需要付出时间成本；三是由于直径越小，同样长度附着的金刚石粉数量也更少，切同样的硅片需要消耗更长的金刚线；四是线越细，同等材料下，越容易断，而切片过程是多根线一起作业，断线后布线耗时长（根据《20220605-招商证券-金刚线行业深度报告（一）钨丝解密，经济性是替代光伏切割丝母线的主要推手》P10，硅棒的切割时间在1.5小时左右，而断线后重新布线也要1小时以上）。

下面来计算下在硅片厚度不变的情况下，金刚线直径降低10微米带来的硅片数量的增加量，假设硅棒长度L（换算成微米，其他尺寸同），需要切割的硅片厚度为X，原来金刚线直径为r，现在直径为r-10，因此原来切割的数量为L/(X +r)，现在切片数量为L/(X+r-10)，增加的数量则为10*L/[(X +r)*(X +r-10)]，相对原来增加的比例为10/(X+r-10)，因此假设在X=170微米（2021年p型硅片的平均厚度），r=40微米，那么降低10微米将带来硅片数量增加5%。

硅料价格的高位能够推动金刚线直径降低，细金刚线的好处就是减少硅耗。

四、高碳钢丝金刚线和钨丝金刚线

相对于钨丝线，钢丝线的成本低，但是问题是破断力不及钨丝线，现在的38-42微米已经接近钢丝线的极限。《20220606-中证券-新材料行业光伏材料专题报告之一金刚线细线化延续，钨丝母线替代正当时》从使用寿命的角度对钢丝和钨丝金刚线进行了比较，钢丝只有2-4次的使用寿命（这个次数，我认为应该是同一段金刚线的往复运动次数），而钨丝金刚线的使用次数能达到40次以上。

钨丝的缺点在于一是钨的价格高于铁，同等长度的钨丝价格是钢丝价格的数倍；二是钨丝的绕线长度最多100km，而钢丝能够达到300km，因此运输和使用中的成本也高于钢丝；三是目前的钨丝母线的成材率（类似于拉线的良率水平）也更低，在另一方面增加了钨丝线的成本。（参考自中证券上述报告）

厦门钨业、中钨高新筹划了几期钨丝项目（钨丝母线），而下游金刚线厂商也在开展钨丝线相关的技术研发与客户验证。

五、硅片的薄片化

金刚线变细，一方面能够降低因为切片过程带来的硅损耗，另一方面有助于薄片化（就跟用斧头切菜和用菜刀切菜一个道理，同一个人，用斧头切出来的肯定更厚）。

薄片化也是一个权衡的考虑，直接好处是能够降低硅耗，而缺点则是加工成本增加，同时越薄的硅片在后续的工序中越容易出现碎片。因此薄片化对于技术和管理都是一种。

根据《中国光伏产业发展路线图（2021年版）》，目前p型单晶硅片平均厚度在170μm左右，较2020年下降5μm，预计到2030年降低到140μm。目前，用于TOPCon电池的n型硅片平均厚度为165μm，用于异质结电池的硅片厚度约150μm，用于IBC电池的硅片厚度约130μm，用于MWT电池的硅片厚度约140μm。

六、小结

金刚线在各类光伏细分中，是少有的几个具有超出行业增速的逻辑的子类，其原因在于为了更高效地利用硅原材料，硅片会更薄，切割线会更细，而金刚线更细的代价是量（切割同样数量和尺寸的硅片）和加工难度的增加。另外，金刚线在光伏产业链中的盈利能力居于前列，2021年利润率水平仅次于硅料，平均毛利率达到35%左右，向上延展到母线或者更上游的企业能达到50%以上，美畅股份的2021年的毛利率达到57%。

这个行业的技术变化大多是围绕切割线变细，由于钢丝的极限尺寸比较大，存在钨丝对钢丝的替代，从而对现有的金刚线产业带来一定的冲击。

本次只是先介绍些基本知识，等之后定期报告出来，再找具体的案例进行研究。

以上。