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石英砂问答

石英砂的用途有哪些(石英砂预计价格持续上涨)

发布时间:2023-03-16  人气: 86

1、高纯石英砂:石英坩埚核心原材料,2023 年光伏产业链短板

1.1、高纯石英砂是光伏石英坩埚的主要原材料,成本占比 90%以上

高纯石英砂一般是指二氧化硅含量高、三氧化铁含量低的高端石英砂,是石英经过粉碎、筛选、酸洗、水洗、 煅烧等工艺制成的石英颗粒,主要用于光伏坩埚、电子元器件的绝缘材料等场景。

光伏行业中,高纯石英砂主要用于拉晶环节的石英坩埚,光伏石英坩埚使用的石英砂对纯度和不同杂质含量均 有要求,具体而言:纯度方面,石英砂纯度是影响石英坩埚品质的重要因素,尤其是与硅料直接接触的内层。石英砂纯度越低, 在高温熔制的过程中就越容易产生黑点气泡,如果用在内层砂,长时间在高温环境下石英坩埚内壁所含气 泡将受热释放,从而影响拉晶的稳定性和良率,因此石英坩埚内层对石英砂的纯度要求最高,对应价格也 更高。 杂质方面,石英坩埚对不同杂质含量都存在要求,例如:碱金属杂质含量过高会促使坩埚析晶,使坩埚失 透(也叫“析晶”)和变形;羟基含量过高会导致坩埚鼓包等。

当前高纯石英砂在石英坩埚中的成本占比超过 90%,是石英坩埚的核心原材料。目前主流的 32、36 寸坩埚石 英砂单耗分别约为 90kg、110kg,参考当前石英坩埚厂内、中、外层砂占比分别为 35%/35%/40%,内、中、外 层高纯石英砂含税单价分别为 7、12、20 万元,对应高纯石英砂成本占比分别为 92%、93%。

1.2、高纯石英砂、石英坩埚在硅片、组件中成本占比分别仅为 3.5%、1.5%

当前石英坩埚在硅片、组件成本中占比分别为 3.5%、1.5%(按照 32 寸石英坩埚含税价格 1.5 万元/只),占比 较低,但其质量可靠性在硅片拉晶关节至关重要,因此硅片厂、一体化组件厂对石英坩埚成本不敏感,石英坩 埚、高纯石英砂价格弹性较大。参考 CPIA 数据,2022 年拉棒单炉投料量已经达到 3100kg,按照硅料价格 23 万元/吨,对应单锅硅料价值量在 71.3 万元,石英坩埚承载的产品价值量极高。

1.3、石英坩埚价格上涨、使用周期缩短对硅片成本影响较大,可能导致硅片企业成本分化

1.3.1、使用寿命相同的情况下,石英坩埚含税价格每涨 1 万元,硅片成本增加 1.6 分/W

当前 32 寸石英坩埚含税价格约为 1.5 万,对应石英坩埚在硅片中的成本约为 2.3 分/W,在相同的使用周期情况 下,石英坩埚含税价格每涨 1 万元/只,对应硅片成本增加约 1.6 分/W。

1.3.2、石英坩埚价格相同情况下,使用寿命从 350h 下降到 200h,硅片成本涨价幅度在 0-3.5 分/W

当石英坩埚的含税价格在 1.5-3 万元/只区间内时,同样价格前提下,石英坩埚使用寿命从 350h 下降至 200h 将 导致硅片单 W 成本增加 0-3.5 分/W。 根据我们的测算结果,成本变化核心影响因素是单位时间内石英坩埚的成本,碳碳热场、拉棒人工、拉棒设备 等固定摊销的影响非常小。

当前石英坩埚使用寿命有缩短的趋势,主要原因包括: (1)N 型硅片纯度要求提高,更换石英坩埚的频率也加快,P 型硅片石英坩埚适应时间通常在 350-400 小 时,而 N 型硅片可能下降至 200-300 小时; (2)可用作坩埚内层的优质高层石英砂供应紧张,部分坩埚内层砂占比大幅降低导致在 P 型硅片拉晶时 使用寿命缩短到 200-300 个小时。

石英坩埚寿命对硅片成本的影响主要通过石英坩埚、碳碳热场、拉棒人工、拉棒设备成本体现,具体而言:

石英坩埚在硅片中的单位成本主要与石英坩埚每小时寿命对应的价格相关,每小时的坩埚成本越高, 对应硅片的单 W 成本越高,当坩埚含税价格在 1.5-3 万元/只区间内时,同一价格水平下、使用寿命的不同对硅片单 W 成本的影响在 0-3.5 分/W(场景 1 vs 场景 9),影响非常大。

若石英坩坩埚寿命从 350h 下降至 200h(下降幅度为 43%),价格也同步下降 43%,则硅片成本 中石英坩埚的成本不会有变化,因为相同时间内石英坩埚产出的硅片数量一 致,消耗的坩埚成本也一致;

但若石英坩埚寿命下降同样幅度,而价格不变,在当前石英坩埚含税价格为1.5万元/只的情形下, 使用寿命短的坩埚,硅片单片、单 W 成本将分别增加 0.13 元/片、1.7 分/W; 另外,在相同前提下,若未来石英坩埚含税价格翻倍至 3 万元/只,寿命缩短带来的成本差也会进 一步扩大,硅片单片、单 W 成本将分别增加 0.27 元/片、3.5 分/W。

碳碳热场、拉棒人工、拉棒设备在硅片中的单位成本主要和 1 年内更换石英坩埚的次数以及更换石英 坩埚占用的时间相关,石英坩埚寿命越短,1 年内更换次数越多,占用时间越长,单晶炉年产量越低, 固定成本摊销越高,因此若石英坩埚使用寿命从 350h 下降至 200h,1 年中的启停炉次数将从 22 次增 加至 37 次,假设停炉重启耗时为 40h,单晶炉年产量将从 12.8MW 下降至 11.9GW,硅片碳碳热场、 拉棒人工、拉棒设备成本分别将增加 0.4、0.4、0.7 分/片,合计为 1.4 分/片,对应 0.2 分/W,影响非常小。

1.3.3、若同时考虑石英坩埚价格上涨、寿命缩短,对硅片的影响最多可达 6 分/W

假设石英坩埚成本从 1.5 万元/只上涨至 3 万元/只,同时寿命从 350h 下降至 200h,预计石英坩埚对硅片单 W 成本的影响约为 6 分/W,这意味着对于硅片公司而言,石英砂和石英坩埚锁定的量和价的水平差异,会导致各 家硅片成本拉开较大的差距。

2、高纯石英砂需求:预计 2023 年需求约 9.3 万吨,单耗是核心变量

2.1、预计 2023-2024 年光伏行业高纯石英砂需求量分别为 9.3、13.1 万吨

我们预计 2023-2025 年全球光伏硅片对应高纯石英砂需求量分别为 9.3、13.1、16.8 万吨,核心假设包括: (1)光伏装机:预计 2023-2025 年全球光伏装机规模分别为 350、450、550GW,对应 1.2 容配比对应组件、硅 片产量分别为 440、565、691GW; (2)N 型硅片产量:预计 2023-2025 年 N 型硅片产量分别为 120、240、360GW,占比分别为 27%、42%、52%; (3)石英砂单耗:假设 P 型、N 型硅片生产的石英砂单耗分别为 178、312 吨/GW(分别假设使用时间为 350、 200 小时);

2.2、硅片端提升拉晶效率能够有效降低石英砂单耗,最多可以减少 1.9 万吨石英砂需求

影响高纯石英砂需求的核心指标在于石英砂单耗,与石英坩埚的使用寿命与硅片拉晶的效率高度相关,通过微 调坩埚使用周期、长晶速率、复投料时间、方棒成品率,我们预计 2023 年高纯石英砂需求量可以从 9.3 万吨下 降到 7.4 万吨,减少约 1.9 万吨,具体而言: (1)延长单个石英坩埚的使用时长:若将 P 型、N 型硅片生产的石英坩埚使用寿命从当前的 350、200 小时, 提升 25 小时至 375、225 小时,预计 2023 年高纯石英砂总需求量可以从 9.3 万吨下降至 8.5 万吨,减少约 0.8 万吨; (2)提升长晶速率:若将拉晶速率从 1.4mm/min 提升至 1.5mm/min,预计 2023 高纯石英砂需求量可以从 9.3 万吨下降至 8.8 万吨,减少约 0.5 万吨; (3)缩短复投料时间:若将复投料时间从 25h 下降 3h 到 22h,预计 2023 年高纯石英砂需求量可以从 9.3 万吨 下降至 8.9 万吨,减少约 0.4 万吨; (4)提升单晶硅方棒成品率:若将单晶硅方棒成品率从 63%提升至 66%,预计 2023 年高纯石英砂需求量可以 从 9.3 万吨下降至 8.9 万吨,减少约 0.4 万吨;(5)若以上 4 个方法同时使用,则预计 2023 年高纯石英砂需求量可以从 9.3 万吨下降到 7.4 万吨,减少约 1.9 万吨。

3、高纯石英砂供需平衡分析

3.1、高纯石英砂生产壁垒较高,矿源和检测、提纯技术是难点

高纯石英砂在矿源和提纯技术上具有较高的生产壁垒,因此常年以来我国均以进口为主。

高纯石英砂供应壁垒 1:符合高纯石英砂品质要求、品质稳定、储量大的矿源十分难找。

对于高纯石英砂制备而言,优质的石英矿应该具备石英含量高、杂质容易被分离两个特性。根据不同的成 矿特性和理化特性,石英矿物可以分为岩浆岩型(花岗伟晶岩)、变质型(脉石英岩)、热液型(石英岩)、 沉积型(石英砂岩),其中,花岗伟晶岩和脉石英中的石英晶粒结晶粒度粗,易于单体解离,是中高端高 纯石英砂加工的理想原料。

海外高纯石英砂龙头尤尼明(矽比科)、TQC 以花岗伟晶岩为原料生产高纯石英砂。矿床位于美国北卡罗 来纳州西部米切尔县的斯普鲁斯派恩镇,矿床矿权由 TQC 和尤尼明持有,具有超过 100 年的悠久采矿历 史,在相当长的一段时间里是全球唯一的高纯石英砂来源地,主产石英、长石、云母,石英含量 30%左右, 已经探明的资源储量超过 1000 万吨。尽管花岗伟晶岩的石英含量相比脉石英岩(石英含量大于 99%)不 高,但是石英结晶粒度粗,磨矿后与脉石(脉石是矿石中有用矿物伴生的无用固体物质)可以完全解离, 单体石英杂质含量极少,几乎不含镁铁质矿物,并且矿石性质稳定,因此非常适合用于高纯石英砂的生产。

全球范围内高纯石英原料矿床极为稀缺,很难找到第二个能与 TQC、尤尼明持有的斯普鲁斯派恩矿床媲 美的矿床,因此国内企业主要使用脉石英作为高纯石英砂原料,提纯工艺难度更大。海外来看,高纯石英 原料矿床分布于美国、挪威、澳大利亚、俄罗斯、毛里塔尼亚、加拿大等 6 个国家,绝大部分以脉石英型 为主,而非花岗伟晶岩;国内来看,我国虽然硅质资源丰富,但大部分都是普通的硅石矿,主要用在普通 玻璃、石材和建筑用砂上,已经探明的石英矿物中还没有发现具有工业价值的大型花岗伟晶岩矿床,而是 以石英岩(探明 23.1 亿吨)、石英砂岩(探明 15.5 亿吨)、脉石英岩(探明 0.5 亿吨)这类品质较差的石英 原料为主,使用类原料制备高纯石英砂对提纯工艺提出了更高的要求。

高纯石英砂供应壁垒 2:提纯技术,我国起步晚于欧美 40 年,并且由于海外技术封锁+矿石品质不同,需要完 全自研。

高纯石英砂的制备工艺一直被美欧等国家控制,并且严格保密,而我国高纯石英砂制备技术研究起步比海 外晚 40 年。欧美等发达国家在 20 世纪 40 年代就已经开始研究使用低品位的石英矿经提纯制备高纯石英 砂,目前这些国家技术成熟、设备先进、生产的高品质石英砂质量稳定;相比之下,我国直到 20 世纪 80 年代才开始进行高纯石英砂的制备研究,由于技术限制,大部分厂商生产的石英砂只能达到中低端水平, 高纯石英砂主要通过进口。

海外石英砂矿和国内石英砂矿品质不一样,提纯方案借鉴意义有限。TQC、尤尼明采用美国斯普鲁斯派恩 矿床的花岗伟晶岩为原料生产高纯石英砂,该矿床石英含量仅 30%,有云母、长石等伴生矿,而国内石英 矿主要以石英岩、石英砂岩、脉石英岩为主,海外也暂未找到可供进口的与斯普鲁斯派恩矿床类似的矿源, 因此 TQC、尤尼明现有的提纯方案对国内供应商而言借鉴意义有限。

我国石英矿杂质种类、赋存状态记分布差异较大,也给提纯造成很大困难。从提纯流程来看,首先要对矿 石质量进行判别、优选,之后再根据石英矿中杂质赋存状态选择有针对性的加工技术,从而去除石英矿中 的独立矿物杂质、晶格杂质、包裹体杂质等,最终得到高纯石英砂。但国内石英矿杂质种类、赋存状态记 分布差异较大,若经常更换矿源,提纯流程中的各项参数也要不断调整,导致提纯难度加大。

3.2、投产节奏:海外扩产意愿不强,主要依靠国内龙头,预计 2023 年产量约 9.5 万吨

目前全球高纯石英砂主要的供应商包括尤尼明、TQC 和石英股份,2022 年 3 家供应商在国内光伏高纯石英砂 市场的市占率合计约为 88%。

目前高纯石英砂扩产主要以国内石英股份为主,海外龙头尤尼明、TQC 扩产意愿不强,国内二线场尽管产能不 少,但高品质的内层砂产量极少。预计 2023-2024 年全球光伏高纯石英砂供应量分别为 9.5、15.2 万吨,其中内 层砂(只算尤尼明、TQC)供给量分别为 2.8、3.2 万吨。

海外供应商:尤尼明、TQC 矿源集中且充足、提纯技术领先,但扩产意愿不强。 尤尼明和 TQC 共通持有美国北卡罗来纳州西部米切尔县的斯普鲁斯派恩矿床,该矿床主要为花岗伟晶岩,已探 明的资源储量超过 1000 万吨,矿源储备充足,但石英含量只在 30%左右(脉石英石英含量大于 99%,但提纯难 度比花岗伟晶岩高),其余主要是云母、长石(伴生矿),而美国云母、长石近 10 年出口规模持续下降,单价也 比较低,因此尤尼明、TQC 不愿意增加开采规模。目前尤尼明、TQC 每年高纯石英砂产能合计约 4.5-4.8 万吨/ 年,其中供应给光伏的部分大约在 2.5-2.8 万吨/年左右,余下的主要给半导体行业。近期高纯石英砂市场需求 较好,尤尼明、TQC 后续可能会适当扩产,新产能最快也要到 2024 年才能释放。

国内供应商:矿源分散,提纯技术参差不齐,内资龙头石英股份凭借资金、规模优势实现内层砂技术追赶,二 线厂商则以外层砂供应为主。

国内供应商中,目前只有石英股份的新产能可以供应少量内层砂,我们分析主要原因包括:(1)公司对全 球矿源做了充分的调查:公司一直积极在全球范围内找矿,最终在印度市场找到了合适的脉石英矿;(2) 检测、提纯技术领先:脉石英矿杂质种类不尽相同,能做出的石英砂品质也不一样,而公司能够通过检测 技术识别出脉石英矿的品质并加以分类,将优质的脉石英筛选出来用于制作高端高纯石英砂;(3)采购规 模大,买到优质石英砂的概率也高,并且分散了风险:脉石英资源分布比较分散,并且以中小矿床为主, 以印度市场为例,公司需要个每个矿床的矿主签订长协。在公司已经挑选出优质脉石英矿的前提下,只要 签约的脉石英矿足够多,在众多的脉石英矿中,发掘出适合生产内层砂的石英矿概率也就更大,即使个别 矿源品质与此前检测的结果有出入,影响也相对可控。我们预计石英股份 2023 年高纯石英砂产量约 5-6 万吨。

国内二线供应商:在矿源储备、检测、提纯技术水平方面参差不齐,主要以生产外层砂为主,总产能规模 不小,但由于石英矿供应不稳定,整体开工率较低,预计 2023 年高纯石英砂合计产量在 1.2 万吨左右。

3.3、平衡表分析:预计 2023 年供应紧张,价格持续上涨,但不是硬缺口

基于高纯石英砂的供需情况,我们判断 2023-2024 年石英砂供应都将比较紧张,但不是光伏产业链的硬缺口; 考虑行业格局集中度,预计高纯石英砂价格在未来几年都会维持高位。 在不考虑石英坩埚内外层的情况下:预计 2023 年供应紧平衡,2024 年将得到缓解。2023 年:全球光伏石英砂供给为 9.5 万吨,需求为 9.3 万吨,供需整体紧平衡,通过提升单个石英坩埚使 用时长、场景速率、缩短复投料时间,能够在一定程度上缓解高纯石英砂的紧缺现状。 2024 年:全球光伏石英砂供给为 15.2 万吨,需求为 13.1 万吨,供需紧张的局面将得到缓解。

从石英坩埚内层用砂考虑,预计 2023-2024 年内层砂可能会分别出现 0.4、0.9 万吨缺口,但通过略微降低石英 坩埚单耗和内层砂占比能够填补缺口。

解决方案 1:2023-2024 年分别降低内层砂占比 4.8、6.6pct。在石英砂单耗维持在 P 型硅片 175 吨/GW、N 型硅片 307 吨/GW 的前提下,2023-2024 年石英坩埚内层砂占比分别从 35%下降至 30.2%、28.4%,可以将 内层砂缺口填上;

解决方案 2:2023-2024 年分别降低石英砂单耗 13.7%-19%。在内层砂占比维持在 35%的前提下,2023-2024 年石英砂单耗分别下降 13.7%、19%,可以将内层砂缺口填上,其中,下降 19%对应上文提到的 4 种降单 耗方法一起使用的场景,在可行范围内;

预计 2023 年高纯石英砂价格、石英坩埚持续上涨,2024 年价格继续维持高位。 截止 2023 年 3 月 7 日,石英股份内、中、外层石英砂价格已经分别来到 12、13、14 万元/吨,进口砂价格 已经来到 20 万元/吨; 2023 年:考虑光伏高纯石英砂供需比已经来到 105%、头部硅片企业为了稳固行业地位可能主动囤货、石 英坩埚在硅片、组件成本中占比分别仅为为 3.5%、1.5%,占比较低,但其质量可靠性在硅片拉晶关节至关重要,我们判断硅片厂、一体化组件厂对石英坩埚成本不敏感,石英坩埚、高纯石英砂价格弹性较大,我 们判断 2023 年内高纯石英砂价格可能持续上涨。 2024 年:随着石英股份新产能释放,预计高纯石英砂供应紧张的情况能够略微缓解,但考虑石英砂环节格 局集中度极高(2022 年 TOP3 市占率合计 88%),行业龙头议价能力较强,我们预计 2024 年高纯石英砂价 格依然将维持高位。

3.4、合成石英砂:进口价格过高,国内量产还需要时间

除了石英矿物深度提纯以外,制备高纯石英砂的方法还有使用含硅化合物(如 SiCl4、CH3SiCl3 和 Na2SiO3 等) 化学合成,但这种方法原料成本高、能耗大、产量低、工艺复杂、设备要求高,且产品粒度太细容易团聚,目 前尚难以大规模工业应用。 合成石英价格较高且性能尚不能满足合光伏石英坩埚要求,目前主要在半导体石英器件中。目前海外进口的合 成石英价格已经上升到 50 万元/吨以上,价格极高;另外,由于合成石英中铝含量较低,制作的石英坩埚耐高 温性相对较差,长时间在高温环境中坩埚容易发生形变,不能满足光伏硅片拉晶长时间高温环境的使用需求。

当前国内高纯合成石英砂主要依靠进口,主要供应商包括美国康宁、德国贺利氏、本东曹株式会社,在国内市 场市占率合计 71.3%。国内合成石英砂生产企业包括菲利华、凯盛科技、江瀚新材等。

4、投资分析

我们判断 2023-2024 年石英砂供应都将比较紧张,但不是光伏产业链的硬缺口。

需求方面,我们预计 2023-2025 年全球光伏硅片对应高纯石英砂需求量分别为 9.3、13.1、16.8 万吨,通过 延长单个石英坩埚的使用时长 25 个小时、提升拉晶速率 0.1mm/min,缩短复投料时间 3h,提升方棒成品率 3pct,预计 2023 年光伏高纯石英砂需求量最多可以减少 1.9 万吨至 7.4 万吨;

供给方面,由于稳定的矿源稀缺,检测和提纯技术壁垒较高,国内厂商扩产高纯石英砂步履维艰,海外供 应商尤尼明、TQC 又考虑其石英矿有云母、长石这类低价伴生矿也对扩产较为慎重,最终扩产的压力绝大 部分落在了太平洋石英股份肩上。根据各家供应商扩产节奏,我们预计 2023-2024 年光伏高纯石英砂产量 分别为 9.5、15.2 万吨;

供需平衡分析:在不考虑石英坩埚内外层要求不同的前提下,预计 2023 年供应紧平衡,2024 年将得到缓 解;若进一步考虑石英坩埚内层用砂要求较高,必须使用尤尼明、TQC 的进口砂,按照内层用砂占比在 35%左右,预计 2023-2024 年内层砂分别会出现 0.4、0.9 万吨缺口,则需要通过降低石英砂单耗或者内层 砂占比来填补,具体而言,填补 2023 年缺口可以通过降低内层砂占比 4.8pct 或者降低石英砂单耗 13.7%, 填补 2024 年缺口可以通过降低内层砂占比 6.6%或者降低石英砂单耗 19%,以上参数均在可行范围内。

预计 2023 年高纯石英砂价格、石英坩埚持续上涨,2024 年价格继续维持高位。

截止 2023 年 3 月 7 日,石英股份内、中、外层石英砂价格已经分别来到 12、13、14 万元/吨,进口砂价格 已经来到 20 万元/吨;

2023 年:考虑光伏高纯石英砂供需比已经来到 105%、头部硅片企业为了稳固行业地位可能主动囤货、石 英坩埚在硅片、组件成本中占比分别仅为为 3.5%、1.5%,占比较低,但其质量可靠性在硅片拉晶关节至关 重要,我们判断硅片厂、一体化组件厂对石英坩埚成本不敏感,石英坩埚、高纯石英砂价格弹性较大,我 们判断 2023 年内高纯石英砂价格可能持续上涨。

2024 年:随着石英股份新产能释放,预计高纯石英砂供应紧张的情况能够略微缓解,但考虑石英砂环节格 局集中度极高(2022 年 TOP3 市占率合计 88%),行业龙头议价能力较强,我们预计 2024 年高纯石英砂价 格依然将维持高位。

石英坩埚价格上涨、使用寿命缩短可能导致硅片企业之间成本出现较大分化。根据我们的测算结果,在使用寿 命相同的情况下,石英坩埚含税价格买上涨 1 万元/只,对应硅片成本增加约 1.6 分/W;石英坩埚价格相同的情 况下,使用寿命从 350h 下降到 200h,硅片成本涨价幅度在 0-3.5 分/W;若石英坩埚价格从 1.5 万元/只上涨至 3 万元/只,同时寿命从 350h 下降至 200h,对硅片成本的影响最多可达 6 分/W。

合成石英价格较高且性能尚不能满足合光伏石英坩埚要求,目前主要在半导体石英器件中,短期来看对缓解光 伏高纯石英砂供应紧张局面的作用有限。目前海外进口的合成石英价格已经上升到 50 万元/吨以上,价格极高; 另外,由于合成石英中铝含量较低,制作的石英坩埚耐高温性相对较差,长时间在高温环境中坩埚容易发生形 变,不能满足光伏硅片拉晶长时间高温环境的使用需求。

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