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石英砂问答

高纯度石英砂用途有哪些(光伏用高纯石英砂供需或偏紧)

发布时间:2023-02-15  人气: 61

高纯石英砂是光伏、半导体行业关键性原辅材料:高纯石英砂是指由天然石英矿物经过一系列物理 和化学提纯技术生产的具有某种粒度规格的高纯非金属矿物原料,是一种坚硬、耐磨、化学性能稳 定的硅酸盐矿物。高纯石英砂纯度高、品质好,生产的石英制品具有耐高温、耐腐蚀、低热膨胀性、 高度绝缘性和透光性等优异的物理化学属性,被广泛用于光伏、电子、高端电光源、薄膜材料、国 防科技等领域,是高端制造行业不可替代的原辅材料。

高纯石英砂国际公认标准以尤尼明 IOTA-CG 为准:国际公认的高纯石英砂是以美国尤尼明公司(现 矽比科)IOTA-CG 为标准,十二种元素杂质(Al,K,Na,Li,Ca,Mg,Fe,Mn,Cu,Cr,Ni,B)的含量小于 20ppm,其 中碱金属(K,Na,Li)分别小于 1ppm 的高技术产品。

目前,高纯石英砂主要来源于石英矿物:高纯石英最初是从一、二级天然水晶中深度提纯得到的, 天然水晶制备高纯石英砂工艺较为简单,水晶原矿经过粉碎、磁选、浮选、酸浸、干燥、焙烧后得 到成品石英砂,但目前水晶资源逐渐匮乏,成本较高,且生产过程中杂质含量高、能耗高、产品质 量稳定性差。自上世纪 70 年代开始,美国等国家开始探索用普通石英代替水晶制备高纯石英砂,从 天然岩石矿物提取高纯石英砂原料是目前世界上生产天然高纯石英砂的最先进技术,对矿石的品质 要求高,提纯技术复杂,目前全球只有美国尤尼明、挪威 TQC 和石英股份等极少数公司具备规模化 量产高纯石英砂的能力。目前,石英矿物逐渐替代水晶成为高纯石英砂的主要原料。

矿源质量决定高纯石英砂产品纯度

高纯石英砂纯度取决于石英原料质量:高纯石英砂纯度与原料中杂质元素含量高低并不是简单的对 应关系,而是与原料工艺矿物学特征所决定的杂质可选性密切相关。不同类型石英矿的矿物学特征 存在明显差异,石英矿的矿物学特征主要有四类: 1)化学成分与杂质元素赋存状态:化学成分只反应了石英所含元素的种类和含量,但难以对石英原 料是否具备加工为高纯石英的潜力做出正确判断。石英原料具有杂质元素种类多、含量高、赋存状 态多样化等特点。

2) 矿物组成与嵌布特征:共伴生独立脉石矿物(如云母、长石、赤铁矿、电气石、绿泥石和黏土 矿物等)是石英中杂质元素的主要载体矿物,且在地质成矿过程中佷容易成为石英中的矿物包裹体, 是制约最终石英产品质量的重要因素之一。石英与脉石矿物嵌布特征直接影响石英单体解离度,进 而影响选矿提纯效果。石英受成岩作用和变质作用改造强度越大,石英与脉石矿物的嵌布差异越明 显,嵌布特征也逐渐由毗邻型转变为缝状、甚至包裹型,在粉碎过程中单体解离难度依次增加,被 加工为高纯石英的可能性也逐渐降低。

3) 流体包裹体:矿物或岩石中广泛存在流体包裹体,每立方厘米中含有流体包裹体数量大约为 102 -109 个,直径一般小于 50μm。流体包裹体在形成过程中所捕获的流体属过饱和溶液,当温度降低时 会从溶液中结晶形成包括石盐、钾盐以及一些硅酸盐矿物的子矿物,因此流体包裹体中含有碱金属 K、Na、Li 离子和碱土金属 Ca、Mg 离子。石英制品在高温下具有变成二氧化硅的晶体(方石英)的 趋向,通常称为析晶。析晶会影响石英制品的产品性能,而碱金属杂质会诱发析晶现象。相比于杂 质元素,流体包裹体除去难度更大,是影响最终石英产品质量的关键性因素之一。因此,选择流体 包裹体含量极少或无流体包裹体的石英作为高纯石英原料是加工高纯石英的关键之一。

4)晶格杂质:石英晶体在形成过程中,一些元素会替代硅元素进入石英晶体中,形成了石英的结构 性杂质。这些杂质含量很低,但从石英中分离难度较大,是制约高纯石英质量关键性因素之一。在 石英结构性杂质中,Al 杂质元素含量一般最高。由于 Al 是以 Al3 +替代 Si4+的形式存在,引起了石英晶 格内部电荷不平衡,当石英中存在大量 Al 杂质时,Li、K、Na 等杂质元素的含量会增加。在现有加工 技术下,石英原料中晶格杂质几乎不能被除去。以晶格杂质形式存在的 Al 元素含量虽然极低但除去 难度极大,是制约高纯石英最终质量的关键之一。

实践证明,依目前的加工技术水平,并不是所有的脉石英和花岗岩石英都能够加工高纯石英,能够 加工高端产品的只是极少数,甚至是极个别。 矿源质量差异对国产厂商提出较高的技术要求:天然石英矿石因形成的地质条件不同,直接影响了 生产提纯后的高纯石英砂的质量,全球不同产地的天然石英矿的杂质含量、杂质分布、化学元素等 指标各不相同。美国尤尼明生产的高纯石英砂利用的石英矿石是全球稀有的白岗岩矿石,经岩浆作 用形成的火成岩,具有矿体规模大、石英中流体杂质少、矿石品质稳定等优点。而国产厂商使用的 脉石英多形成于岩浆热液条件,虽然石英含量高,但具有石英中流体杂质多、矿体规模小、矿石品 质不稳定等缺点。因此,对国内矿石的提纯技术和工艺较国际更为复杂。

检测与提纯技术是制备高纯石英砂的核心技术

检测技术是制备高纯石英砂的基础和前提:高纯石英砂对 SiO2纯度要求极高,纯度依赖于矿源本身 的质量特性,因此选矿技术是制备高纯石英砂的前提技术。由于化学分析法和 X 射线萦光光谱法 (XRF)自身特点的限制,难以满足高纯石英质量的检测要求。电感耦合等离子体发射光谱法 (ICP-OES)利用光照射到某个检测单元后,产生一定量的电荷,并且储存在检测单元内,然后采用 电荷转移的方式将其读出的原理,对金属元素具有良好的检出限,并具有检测时间短、灵敏度高、 精确度好等优点,使之成为一种高纯物料微量化学成分检测的常用方法。但由于技术保密等因素, 高纯石英质量的 ICP 检测分析方法未得到普及。目前,与国际先进水平(美国尤尼明)相比,我国 高纯石英质量的 ICP 检测效果存在明显差距。

石英矿物深度提纯技术是制备高纯石英砂的主流技术:高纯石英的制备方法主要有三大类,分别为 天然水晶粉磨加工、石英矿物深度提纯及用含硅化合物化学合成。由于天然水晶资源逐渐枯竭,而 化学合成法技术较复杂、成本较高,难以大规模工业应用,因此,石英矿物深度提纯技术是制备高 纯石英砂的主流技术。 高纯石英矿物深度提纯技术包括分离杂质和去除包裹体两个核心环节:高纯石英砂提纯工艺包括分 离杂质和去除包裹体两个环节,其原理为粉碎分级使石英矿物与脉石矿物单体解离并得到相应粒级 的石英颗粒,之后再根据石英中杂质元素赋存状态选择有针对性的加工技术使独立矿物杂质、包裹 体杂质和晶格杂质与石英有效分离。主要工艺环节包括:粉碎(粗碎、细碎和磨矿)、分选(粒度 分选、浮选、磁选)和化学浸滤。

1)粉碎—分级预处理:预处理阶段目的是初步筛选杂质或将石英原料破碎到有利于杂质释放与后续 处理的所需的粒度,一般采用机械破碎、电动粉碎、光学分选、超声破碎、热冲击破碎等处理方式。

石英粉碎处理需要考虑到有效单体的解离效果和粉碎过程中二次污染两个方面因素:石英解离过程 中为了避免铁杂质的二次污染影响和提高解离效果,可采取热力粉碎、高压脉冲粉碎、超声破碎手 段。但这些方法缺点是能耗大、成本高,而传统机械法相较于上述方法具有低成本和较高的二次污 染特点。传统机械法是使用颚式破碎机或锥形破碎机将矿物粉碎到所需的粒度,颗粒形态为不规则 棱角状。相对于传统机械法,脉冲放电破碎岩石具有更明显的优势,主要分为液电效应破碎和电破 碎两种形式,高压放电产生的冲击波,使岩石沿晶界断裂并有选择性地指向矿物包裹体,有利于杂 质的释放和后续的处理,还可最大程度地保留矿物的粒度和形貌特征;脉冲放电破碎通常在水介质 中进行,具有无尘环保的特点。与传统破碎相比,电动破碎在处理杂质方面更有效,而且不会引入 大量的铁污染。

2)共伴生独立矿物分选:分选石英中矿物杂质最常用方法是磁选和浮选。多段强磁选不仅可以从石 英中分选出已单体解离的强磁性和弱磁性矿物杂质,而且对石英中磁性矿物包裹体和连生体也有一 定分选效果。云母、长石等硅酸盐矿物是石英中铝杂质的主要来源之一,由于其与石英物理、化学 性质类似,常采用浮选法进行分离。为了有效降低石英中铝杂质含量,需要进行多次精选。通过预 处理和物理分选后,石英中绝大部分独立矿物杂质已被分离,SiO2 含量一般可以达到 99.9%左右,但 并未达到高纯石英的技术要求,主要因为预处理和物理分选只对石英和独立矿物杂质分离具有显著 效果,对降低石英中包裹体杂质和晶格杂质几乎没有作用。

3)包裹体杂质与石英分离:与物理选矿相比,化学处理去除杂质的效率更高,酸可在微裂缝和晶界 内深度渗透的优势可更好地处理包裹体和晶格类型的杂质。酸洗、浸出和热氯化是三种主要的化学 处理工艺。酸洗和浸出对包裹体杂质处理效果较好,而热氯化可以清除较难处理的晶格杂质。酸洗 是使用盐酸或硫酸等溶解力较低的酸,而浸出则使用高温的氢氟酸,以最有效地去除表面游离杂质 和富集在微裂纹和沿位错的杂质。

①矿物包裹体混合酸溶解:矿物包裹体混合酸溶解利用石英只能溶解在氢氟酸中,而其他矿物包裹 体杂质能被酸溶解的特点,实现石英与杂质的分离,常用的酸有硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸等。天 然石英矿物中杂质种类多且存在形式复杂,使用混合酸溶解石英中矿物包裹体杂质对石英砂提纯效 果最佳。混合酸溶解矿物杂质被认为是高纯石英加工过程中最重要环节之一,在矿物杂质被溶解的 同时也可能脱除石英中的晶格杂质。但混合酸溶解矿物杂质反应程度低、过程缓慢,不仅消耗了大 量时间和酸溶液,同时也造成了严重的环境问题。

②流体包裹体高温爆裂:石英在高温焙烧过程中,随着温度升高当流体包裹体内部压力大于石英对 包裹体束缚压力时,流体包裹体发生突然爆裂内部杂质得以释放,再经后续酸清洗可以溶解流体包 裹体内部杂质。

③氯化脱气:氯化脱气是将石英加热到 1000-1500℃并通入 Cl2、HCl 或混合气体的高温处理方法,不 仅可以使金属杂质元素在高温下生成气态氯化盐挥发出来,更对石英中的流体包裹体有一定的脱除 效果。其原理为:高浓氯气作用下,石英颗粒表面与内部会存在促使流体包裹体向外扩散的化学位 梯度,进而脱除了石英中的气液包裹体和羟基。

4)晶格杂质脱除:氯化脱气除了有助于脱除流体包裹体外,也有助于脱除晶格杂质。其原理为:1500℃ 高温时,石英向方石英相转化,会发生键的断裂和重组,石英晶格发生膨胀,有利于金属杂质元素 向石英表面迁移扩散。相比于真空气氛焙烧,氮气气氛焙烧时石英向方石英转化率更大,石英晶格 杂质元素迁移扩散效率可能更高。石英中的杂质组分与氯化剂作用转变为氯化物而挥发出来,石英 在高温氯化焙烧过程中存在晶型转变,使得石英晶格中的金属离子可能会迁移扩散到石英表面,与 HCl、NH4Cl 和 Cl2等发生化学反应变成易挥发组分而实现与石英的分离,同时也阻止了杂质元素在冷 却过程再迁移扩散至石英晶格中。

化学合成高纯石英:高纯石英砂潜在量产新技术

合成石英砂崭露头角:随着全球范围内天然水晶和高品质石英矿脉的逐渐枯竭,化学合成生产高纯 石英得到重视。此外,合成石英材料因为其纯度更高、光学性能更良等特性,除了在高端光学领域 得到广泛应用以外,也符合半导体制程对石英制品高纯、无污染、耐高温的要求,尤其是随着半导 体芯片线宽越来越窄,普通的天然石英材料已经无法满足高端生产工艺的要求,合成石英成为 10nm 制程以下的半导体芯片刻蚀环节中的重要部件。光掩模版需求旺盛,也带动合成石英材料的需求。 目前全球高纯合成石英材料主要生产企业包括美国康宁公司、德国贺利氏、日本东曹株式会社、日 本信越石英株式会社以及国内的菲利华。(报告来源:未来智库)

目前,制备高纯合成石英的技术路线主要有四种,即气相合成法、化学沉淀法、溶胶-凝胶法、四氯 化硅液相水解法:

1)气相合成法:即火焰水解法,与气相白炭黑工艺类似,其原理是采用硅或有机硅的氯化物(如 SiCl4 或 CH3SiCl3等) 作为原料,将其气化后与氢气、氧气混合,在高温下发生水解形成雾状的 SiO2,最 后通过冷却、分离、脱酸等气固分离得到产品。 该法得到的产品为气相 SiO2,粒径小于 100nm,外 观蓬松多孔,比表面积大,化学纯度高,分散性较好。 工艺特点:生产流程简单,合成条件易控制,反应速度快,适合大规模生产;由于过程中需要高温 环境,反应生成的 HCl 会严重腐蚀设备,因此对生产设备的材质、加热形式等要求比较严格。 由于 气相法耗能大,加工成本较高,还需在反应条件与设备选型等方面进一步探讨和研究。

2)化学沉淀法:化学沉淀法是合成石英粉体较为广泛的方法之一,目前技术已经成熟,已用于工业 化生产。 沉淀法生产 SiO2的原理:采用硅酸钠与二氧化碳或酸溶液(加盐酸、硫酸或硝酸)作为原 料,在一定的合成温度和表面活性剂的作用下混合反应,得到偏硅酸沉淀,再经过滤、洗涤、干燥、 煅烧工序制备出 SiO2。 工艺特点:该生产工艺具有操作方便,生产流程简单,原料易得,能耗和投资低等优点;但是 Fe3+、 Al3+、Ca2+等杂质的存在会导致凝块的形成,严重影响产品的质量,导致产品性能差、纯度低、粒径 大、易发生团聚;也存在反应体系的浓度较低、沉淀速度快、沉淀过程不易控制的缺点;另外,废 酸、废水的处理给环境带来一定的破坏。

3)溶胶-凝胶法:溶胶-凝胶法是以无机盐或者金属醇盐(一般为硅酸乙酯)为原料,以醇作为共溶 剂,加入酸或碱溶液作为催化剂,进行水解,缩聚反应形成 SiO2凝胶,过滤并对凝胶中的有机溶剂 进行洗涤,干燥、煅烧得到 SiO2粉体。采用该方法制备 SiO2,生产流程简单,合成条件易控制,对 设备材料的要求不严格,且过程中无其他添加剂,所以制备出的 SiO2 纯度较高、均匀度好、比表面 积大, 但是成本较高,生产周期长,工业化价值不大;另外,因为实验过程中可变因素较多,不能 达到准确控制(如水解体系、干燥方式及烧结途径等),目前只停留在实验室小试阶段。

4)四氯化硅液相水解法:其原理是 SiCl4与纯水接触发生水解或缩聚反应,之后将反应产物经洗涤、 过滤、干燥、煅烧、筛选等流程,制备 SiO2粉体。 采用 SiCl4液相水解法制备高纯石英粉,由于原料 中不含碳,故制备得到 SiO2 粉体纯度较高、羟基含量较低。 但是,在规模化生产过程中,四氯化硅 与水发生的水解和缩聚反应剧烈,中间过程难以管控,粉体易团聚,形成的石英粉致密度较低。 因 此,为了满足产业化生产,该法仍需更深入地探究其工艺控制(如水解控制、干燥及烧结过程等), 有效减少颗粒团聚现象的发生。

高端制造支撑,高纯石英砂需求无忧

高纯石英砂主要应用于半导体、光伏、光通讯和电光源领域:根据智研咨询数据,2012-2019 年,全 球高纯石英砂消费量由 73.35 万吨增长到 121.44 万吨,年化复合增速为 7.47%。其中,半导体、光伏、 光通讯、电光源等领域对高纯石英砂的需求较大。2019 年全球消费高纯石英 121.44 万吨,其中用于 半导体领域消费 79.30 万吨,占比 65.30%;光通讯领域消费 17.97 万吨,占比 14.80%;光伏领域消费 14.52 万吨,占比 11.93%;电光源领域消费 4.74 万吨,占比 3.90%;其他领域消费 4.91 万吨,占比 4.04%。 半导体、光伏、光通讯、电光源等战略性新兴产业领域约占消费量的 96%。

全球脱碳支撑光伏终端需求较快增长,石英坩埚用高纯砂需求空间广阔

全球光伏新增装机有望快速增长

全球“脱碳”支撑中长期需求:当前,尽快实现碳中和已成为全球共识,在拜登就任以后,美国已重 新加入巴黎协定,计划投入 2 万亿美元在交通、建筑和清洁能源等领域,在政治上把气候变化问题 纳入美国外交政策和国家安全战略,继续推动美国―3550‖碳中和进程,即 2035 年电力部门实现碳中和, 2050 年实现 100%清洁能源,实现净零排放;近期美国《重建更好法案》通过众议院表决,光伏 ITC 政 策延长至 2026 年并首次适用于储能资产,PTC 恢复且风电保持全额抵扣至 2026 年,有望刺激美国新 能源发电装机进入高增长通道。根据美国能源署能源数据管理局(EIA)最新发布的预期,美国将在 2022-2023 年部署 38.3W 新增太阳能发电装机。欧盟委员会提出到 2050 年欧洲在全球范围内率先实现 碳中和,同时为 2030 年设定了减排中期目标,其温室气体排放量至少要比 1990 年的排放水平减少 55%。2022 年 5 月,欧盟委员会提出 REPower EU 方案,计划到 2025 年,光伏累计装机量达到 320GW, 到 2030 年光伏累计装机量达到 600GW。根据欧盟委员会最新的能源战略,SolarPowerEurope 认为乐观 预期,2030 年欧盟有望实现 1TW(1000GW)的太阳能发电总装机。日本首相菅义伟则于 2020 年 10 月 宣布日本将于 2050 年前实现碳中和。随着全球主要经济体进入―脱碳‖周期,预计全球新能源发电新 增装机量有望维持稳定增长。

高纯石英砂是石英坩埚核心原材料,其纯度显著影响拉晶效果

高纯石英砂在光伏领域的应用为制造石英坩埚:石英坩埚是光伏领域高纯石英砂的主要制品,主要 应用于支持高温条件下连续拉晶,是用来装放多晶硅原料的消耗型石英器件。石英坩埚具有洁净、 同质、耐高温等性能。从物理热学性能上看,石英坩埚的形变点约为 1100℃,软化点约为 1730℃, 其最高连续使用温度约为 1100℃,短时间内可达到 1450℃,其高纯和高耐温耐久性为单晶拉制以及 单晶品质提供保障,是单晶拉制系统的关键辅料之一。

电弧法是制备石英坩埚的主流制备技术:目前,拉单晶的石英坩埚一般是采用电弧法生产,其原理 为:将高纯石英粉装入可任意倾动角度的旋转成型模内,利用离心力成型,将已成坩埚形的旋转着 的装臵移动至电极棒处,然后将电极送电启弧,同时启动真空系统,使其快速熔化成坩埚形状的熔 融石英,经冷却后取出,即完成一个石英坩埚的熔制。

石英坩埚呈现内外双层结构:早期的石英坩埚是全透明的结构,这种透明的结构容易导致不均匀的 热传输条件,增加晶棒生长的难度,且均匀的结构对高品质的高纯石英砂需求较大,成本较高,因 此这种石英坩埚的制备方法基本被淘汰。电弧法制备的石英坩埚为半透明状,有内外两层结构,外 层是高气泡密度的区域,称为气泡复合层。气泡复合层受热较均匀,保温效果较好;内层是一层 3-5mm 的透明层,称为气泡空乏层。气泡空乏层的存在使坩埚与溶液接触区的气泡密度降低,从而改善单 晶生长的成功率及晶棒品质。

石英砂纯度显著影响拉晶质量:拉晶的过程中,石英坩埚内部的羟基、杂质元素和气泡的含量将会 影响硅棒的质量和石英坩埚的使用寿命,其中工艺路线能够改善羟基的含量,但杂质与气泡的含量 更多依赖于石英砂本身的纯度。

1)羟基(-OH)含量:坩埚中的羟基(-OH)是影响坩埚强度的核心因素,由于羟基的存在,改变了 SiO2的键合结构,致使坩埚的耐温性能大幅降低,例如坩埚中的羟基含量超过 150ppm,1050 摄氏度 就会开始软化变形,无法正常使用。坩埚中的羟基含量主要与坩埚制备所选取的工艺路线直接相关, 也与环境湿度以及原料选取等有关。

2)杂质含量:石英砂的流体包裹体和晶格杂质中的碱性离子的存在是导致石英坩埚析晶的主要因素, 尤其是碱金属离子的存在,将会降低析晶温度 200-300℃,导致析晶加速。石英坩埚内壁发生析晶时 有可能破坏坩埚内壁原有的涂层,将导致涂层下面的气泡层和熔硅发生反应,造成部分颗粒状氧化 硅进入熔硅内,使得正在生长中的晶体结构发生变异而无法正常长晶。此外,析晶将减薄石英坩埚 原有的厚度,降低了坩埚的强度,容易引起石英坩埚的变形。因此石英砂纯度对拉晶质量有较大程 度的影响。

3)气泡(气体包裹体)含量:气泡(气液包裹体)主要由结晶水和气组成,气的成分主要有 CO2、 H2O、H2O2、N2、CH4、CO。在坩埚使用过程中,由于与硅液接触的内表面不断向硅液中熔解,并且 伴随着透明层中的微气泡不断的长大,靠近最内表面的气泡破裂,伴随着硅液释放石英微颗粒以及 微气泡。而这些杂质会以微颗粒以及微气泡的形式伴随着硅液流遍整个硅熔体,直接影响到硅的成 晶(整棒率、成晶率、加热时间、直接加工成本等)以及单晶硅的质量(穿孔片、黑芯片等)。目 前,通过使用低气泡密度的高纯度石英砂作为石英坩埚的内层,可有效减少内表面气泡破裂现象, 为长时间拉晶(如多次复投料)提供保障。

连续多次投料等拉晶发展方向对石英砂纯度提出更高要求:拉棒单炉投料量是指一只坩埚用于多次 拉棒生产的总投料量,其中坩埚使用时间为关键因素之一。根据 CPIA 数据,2021 年,拉棒单炉投料 量约为 2800kg,较 2020 年的 1900kg 有大幅提升,主要得益于热场尺寸增加以及所拉棒数增加。在连 续投料和 RCZ 复投技术的应用下,拉晶对石英坩埚的寿命、强度和尺寸提出了更高的要求,对应到 坩埚的具体性能来看,石英砂的低气泡含量成为至关重要的指标。此外,拉晶厂对不断提升成晶率 和硅棒品质需求也对石英坩埚核心性能——内表层气泡含量提出更高要求。

硅片快速扩产&N 型硅片渗透加速,支撑坩埚用高纯石英砂需求快速增长

硅片环节积极扩产,石英坩埚需求有望爆发:单晶硅片环节积极扩产,其中,隆基股份预计在 2022 年以后在曲靖、丽江和楚雄共扩建 30GW 硅片产能,中环股份在宁夏扩建 50GW 单晶硅棒产能,上机 数控、京运通、亿晶光电、通威股份、双良节能、高景太阳能等企业亦有较大的扩产计划。下游龙 头企业积极扩产,大幅新增单晶炉装机量,石英坩埚的需求有望爆发。

N 型电池渗透,石英坩埚用高纯砂需求无忧:与 P 型电池相比,N 型电池具有转换效率高、双面率高、 温度系数低、无光衰、弱光效应好、载流子寿命更长等优点。目前,P 型 PERC 电池逐渐迫近效率天 花板,而 N 型电池效率天花板较高,未来转换效率提升空间较大。随着 N 型电池工艺和效率的不断 优化,N 型电池中技术相对成熟的 HJT 和 TOPCon 渗透率将进一步提升。根据 CPIA 数据,HJT 和 TOPCon 的市场份额将由 2020 年的 4%提升至 2030 年的 36%。在光伏硅片中,P 型硅片单晶纯度<200ppm、N 型单晶硅片纯度<100ppm 。为满足 N 型硅片对纯度的更高要求,拉制 N 型硅棒的石英坩埚需要增加 更换的频率以减少杂质的累积,因此 N 型单晶石英坩埚的更换频率高于 P 型单晶坩埚,更换次数提 升有望驱动石英坩埚用高纯砂需求提升。

2022-2025 年光伏行业高纯石英砂需求量平均复合增速有望达到 25.52%:根据我们的测算,2022-2025 年全球光伏行业高纯石英砂需求量分别为 6.23 万吨、7.56 万吨、9.18 万吨、12.32 万吨,年均复合增 速为 25.52%。

光源、光纤、半导体三重驱动,高纯石英砂需求无忧

半导体:电子信息行业快速发展带动高纯石英材料需求提升

高纯石英制品在半导体领域不可或缺:高纯石英材料物理性能优异,是半导体产业中不可缺少的支 撑材料。高纯石英材料由于其耐温,耐酸,低膨胀和极佳的管够透过性的特殊物理性能,满足了半 导体工业对载具材料中碱金属和重金属含量的苛刻要求,在半导体生产过程中需要消耗大量的石英 片、环、板、法兰、刻槽舟、扩散炉管、清洗槽等高品质石英材料,石英材料的应用贯穿了半导体 制程扩散、氧化、沉积、蚀刻等关键过程。在电子信息技术快速发展的环境下,半导体产业的快速 发展也将促进石英材料和制品的应用范围和使用量的增长。(报告来源:未来智库)

光纤:5G 推动光纤用高纯石英砂需求平稳增长

高纯石英砂在光通讯领域主要用于制造光纤预制棒和辅材:光纤预制棒是具有特定折射率剖面、用 以制造光纤的石英玻璃棒,是光纤拉制工艺中的重要材料,由芯棒和外包层套管组合而成。芯棒决 定了光 纤的传输性能,而外包层决定了光纤的制造成本和质量,两个部件对于石英材料纯度的要求 均非常高。除了光纤预制棒外,石英还应用在靶棒、尾棒、烧结管等辅材,也可以用于光纤预制棒 生产支撑材料、光纤拉丝用支撑材料等。

5G 建设步入正轨有望推动全球光纤光缆需求量平稳增长:受政策支持及 5G 需求推动,国产光纤迎 来快速增长。根据 CRU 研究数据,2011-2018 年全球光纤光缆需求量保持平稳增长,年均复合增速为 14.13%,其中 2018 年全球光纤光缆需求量为 5.12 亿芯公里。光纤作为 5G 智能时代的神经网络,随着 未来 5-10 年的 5G 建网周期,光纤的需求量将会持续增长,尤其是 5G 从 NSA 到 SA 组网演变以后, 全球光纤需求将增长上量。此外,随着疫情逐步得到有效控制,全球经济恢复正常,运营商的固网、 5G 建设将步入正轨,全球光纤需求有望迎来快速增长。根据 CRU 的预测,2021 年全球光纤光缆需求 量将达到 6.17 亿芯公里,同比增长 7%。到 2025 年,全球光纤电缆市场规模将达到 278.8 亿美元,期 间年均复合增速将达到 11.7%。

光源:光源市场整体需求保持稳步发展

光源市场整体需求保持稳步发展:光源石英管是传统光源的重要原材料,一般用于生产卤素灯、HID 灯、汽车灯等照明产品以及红外加热灯、紫外杀菌灯等特种光源,是上述电光源产品的基本泡壳材 料。根据 QYR(恒州博智)的统计及预测, 2021 年全球光源市场销售额达到了 319.8 亿美元,预计 2028 年将达到 439 亿美元,年复合增长率(CAGR)为 4.2%(2022-2028)。

特种光源市场需求快速增长:近年来,特种光源仍在深度发展,农用植物生长灯、影院灯、激光灯、 半导体光清洗灯等高端光源石英材料市场需求仍保持一定的增速,尤其是在紫外领域特种光源更有 着 LED 无法比拟的优势。特种光源是采用特种石英材料作为主体材料的光源产品,这些特种石英材 料一般具有高透紫外光谱或红外光谱等性能的石英主体材料。红外加热、紫外固化、紫外线消毒、 紫外活化处理、紫外氧化、高品质分析等高端光源应用快速提升,其中红外光源广泛应用于热加工 工艺,紫外固化应用于涂料、颜料涂层领域。随着人们的个人卫生及公共安全意识大幅度提高,促 使消毒杀菌的紫外光源行业获得了空前的发展。紫外活化处理及紫外氧化应用于污水处理及废气降 解领域,也可应用于饮用水过滤领域,广受环保行业青睐,高品质分析及测量灯具越来越多的应用 于分析及测量设备领域;因此,随着我国工业技术的进一步发展、人们大健康意识日益提高以及高 尖端设备仪器的应用推广,促使未掺杂/掺杂浓度不一的天然石英玻璃管和合成熔融石英管的需求呈 现新高。

高端供给有限,光伏用高纯石英砂供需或偏紧

全球高纯石英原料储量有限,高纯石英砂产能平稳提升

全球共有 14 处高纯石英原料矿床,美国斯普鲁斯派恩(Spruce Pine) 矿的高纯石英原料资源规模最大: 目前,全球高纯石英原料矿床分布于美国、挪威、澳大利亚、俄罗斯、印度、中国、加拿大等 7 个 国家。除中国外,共有 14 处矿床,其中,有生产矿山的 7 处,尚未开采生产的 7 处。美国斯普鲁斯 派恩(Spruce Pine) 矿的高纯石英原料主要为花岗伟晶岩(白岗岩),矿源质量较高,资源规模最 大,超过 1000 万吨;资源量最小的是挪威德拉格(Drag)矿,仅有 26.7 万吨。

全球高纯石英原料存储量有限,呈现下滑趋势:随着新兴战略行业的不断发展,市场对高纯石英的 需求量逐渐增多,高纯石英原料存储量呈现下滑的趋势。根据智研咨询数据,以 SiO2 含量≥ 99.9% 为 口径,2014 年以来,高纯石英原料的存储量从 9494 万吨下降至 2019 年的 7287 万吨。储量结构方面, 巴西是高纯石英砂全球第一大资源量国,2019 年存储量为 2111 万吨,占比 28.97%,矿石类型主要为 天然水晶。但由于巴西政府强令禁止原矿出口,加上基础设施的落后和矿石质量变化大,出口量较 小;美国是第二大资源量国,2019 年资源量为 1822 万吨,在全球占比 25.0%,矿石类型主要为花岗 伟晶岩,分布在北卡罗来纳州 Spruce Pine 地区;加拿大位列全球第三,2019 年资源量为 1000 万吨, 占比 13.72%,矿石类型主要为脉石英,主要分布在魁北克省东南部约翰比兹湾的海岸带。我国的脉 石英和水晶 2019 年资源量为 685 万吨,其中水晶资源量仅为 0.69 万吨。挪威、俄罗斯和印度的脉石 英资源,马达加斯加的水晶资源在全球占一定比例。

全球 3N(SiO2>99.9%)以上高纯石英产能不断提升:全球生产高纯石英砂的国家主要有美国、中国、 挪威、加拿大、俄罗斯、巴西等国。随着技术的不断进步,全球及各国的高纯是石英产能在不断提 升。根据智研咨询数据,全球纯度在 3N 以上的高纯石英砂的产能从 2012 年的 105.22 万吨/年增长到 2019 年的 173.14 万吨/年,其中美国高纯石英砂的产能由 55.77 万吨/年增长到 95.23 万吨/年,中国高纯 石英砂的产能由 10 万吨/年增长到 27 万吨/年。

适用于光伏、半导体纯度等级的高纯石英砂产能有限:目前,纯度等级在 4N5(SiO2=99.995%)以上 的高端产品产能较少,这类高端产品主要用于制造石英坩埚、石英管、石英棒、石英舟和石英锭。 其中,石英坩埚内涂层对高纯石英砂纯度要求更高,纯度等级需要达到 4N8(SiO2=99.998%),而石 英坩埚外涂层、石英管、石英棒、石英舟和石英锭等产品达到 4N5 即可。根据我们的统计,目前 4N5 以上高纯石英砂产能较少,总产能不超过 10 万吨。

海外企业主导供应格局

美国尤尼明(现矽比科)、挪威 TQC 等海外企业主导高纯石英砂供应:全球范围内高纯石英砂的主 要生产厂商有美国矽比科,挪威 TQC 以及石英股份。美国矽比科与挪威 TQC 占有矿产资源优势,高 纯石英原料储量丰富、产品质量高,长期主导全球高纯石英砂供应。

1)矽比科:美国尤尼明自 1970 年起即在美国 Spruce Pine 矿区采矿,采用 MRL 改进的提纯工艺生产 高纯石英砂,并建立了超纯石英的 IOTA 标准,一度垄断了世界高纯石英砂市场。2018 年美国尤尼明 的高纯石英砂业务被整合至比利时矽比科集团,负责位于美国 Spruce Pine 的石英矿开发及高纯石英 砂生产。美国矽比科拥有的白岗岩矿石,矿体规模大、流体杂质少, 品质稳定,加之其领先的高纯 砂提纯技术,在全球高纯石英砂市场占据垄断地位。据统计,矽比科的高纯石英保有资源量可满足 数十年的矿山服务年限。

2)挪威 TQC: 挪威 The Quartz Corp(TQC)由挪威微晶公司( Norwegian Crystallites AS) 与斯普鲁斯派恩 的 KT 长石公司(K-T Feldspar Corp.) 、长石公司(The Feldspar Corp.) 于 2011 年合并而成。其石英矿石来源 有:一是和矽比科一样,来自北卡罗来纳州 Spruce Pine 地区的花岗质伟晶岩;二是挪威当地的石英。 TQC 将在美国 Spruce Pine 矿区开采的矿石在当地进行碎磨、分选和初次浮选,然后将半成品海运至 挪威的深加工厂,经二次浮选、磁选、酸浸、高温焙烧后,制得质量类似于矽比科高纯石英砂的产 品。据统计,TQC 公司拥有的高纯石英原料资源量大于 1000 万吨。

3)石英股份:2009 年,石英股份成功攻克了高纯石英砂提纯技术难题,实现了高纯石英砂规模化生 产。目前,石英股份高纯石英原料主要来源于印度、挪威、俄罗斯和美国的进口石英砂,以及部分 高质量国产石英矿。

光伏用高纯石英砂供需或偏紧

下游需求旺盛叠加海运交期延长,2021 年高纯石英砂价格上涨:2021 年,单晶硅片企业扩产速度加 快,对石英坩埚需求大幅上升,造成光伏用高纯石英砂价格持续上升。此外,受疫情影响,海运交 付周期延长,货运成本上升,也推动了光伏用进口高纯石英砂价格进一步上升。

2022-2023 年高纯石英砂供需或偏紧:根据矽比科、挪威 TQC、石英股份等现有国内外企业产能和扩 产规划,我们预计 2022 年光伏用高纯石英砂可能的供给量范围在 6.2-6.3 万吨,对应 6.2 万吨的需求, 供需或处于紧平衡状态;2023 年光伏用高纯石英砂可能的供给量范围在 7.7-7.8 万吨,对应 7.6 万吨的 需求,供需或仍将处于紧平衡的状态。其中,进口砂供应量在 2.5 万吨,对应 2022-2023 年的 3.1 万吨 和 3.8 万吨的需求更显紧俏。 在紧张的供需格局下,高纯石英砂存在持续涨价的可能。此外,随着 下半年硅料新增产能的逐步释放,硅料价格松动有望推动拉晶厂商开工率提升,从而带动光伏石英 坩埚用高纯石英砂需求的快速上升,光伏用高纯石英砂在季度拉晶需求波动的过程中可能会出现阶 段性的短缺,届时高纯石英砂价格仍有短期上涨的可能性。

高纯石英砂在拉晶成本中占比较低,下游对涨价敏感度有限:按照近期硅料价格 250 元/kg,我们测 算石英坩埚在拉晶成本中占比 2%,单瓦成本 0.017 元/W。根据我们的测算,高纯石英砂每上涨 1 万 元/吨,硅片厂石英坩埚成本增加 0.004 元/W,成本增幅较小,下游对涨价敏感度有限。

石英股份

高端石英领域先锋,领衔国产替代

高端石英材料深加工领域的优质供应商:石英股份前身东海县太平洋石英制品有限公司成立于 1999 年,经历股权转让后于 2010 年完成股份制改革,2014 年 10 月公司在上交所上市。公司是一家集科研、 生产、销售为一体的高端石英材料深加工领先企业,在光源、光伏、光纤、光学及半导体等领域用 石英材料的市场及技术位居行业前列,主导产品有高纯石英砂、石英管棒、大口径石英扩散管、石 英筒、石英锭、石英板等及多种石英器件。

公司主要产品为石英管棒与高纯石英砂,高纯石英砂收入占比逐渐提升:公司主要产品为应用于高 端光源和光纤半导体及光伏行业的高端石英管棒和高纯石英砂。2017-2021 年,电子级石英管棒占比 超过 65%,近几年占比逐渐下降,主要系公司逐步扩大高纯石英砂业务销售规模。2019-2021 年,高 纯石英砂收入占比分别为 14.57%、22.38%、31.43%。公司业务收入主要来自中国境内,2016-2019 境 内销售收入占比超过 60%,2020 和 2021 年境内销售占比高达 70%以上。(报告来源:未来智库)

光伏石英砂行业有望迎来高景气,光纤半导体需求无忧

硅片快速扩产&N 型硅片渗透加速,支撑坩埚用高纯石英砂需求快速增长:2020 年至今下游龙头企业 积极扩产,单晶石英坩埚的替换、更新需求量将不断释放,需求空间广阔。此外,随着 N 型电池工 艺和效率的不断优化,N 型电池中技术相对成熟的 HJT 和 TOPCon 渗透率将进一步提升。为满足 N 型 硅片对纯度的更高要求,拉制 N 型硅棒的石英坩埚需要增加更换的频率以减少杂质的累积,因此 N 型单晶石英坩埚的更换频率高于 P 型单晶坩埚,更换次数提升有望驱动石英坩埚用高纯砂需求提升。 根据我们的测算, 2022-2025 年全球光伏行业高纯石英砂需求量分别为 6.23 万吨、7.56 万吨、9.18 万 吨、12.32 万吨,年均复合增速为 25.52%。

5G 建设步入正轨有望推动全球光纤光缆需求量平稳增长:根据 CRU 研究数据,2011-2018 年全球光 纤光缆需求量保持平稳增长,年均复合增速为 14.13%,其中 2018 年全球光纤光缆需求量为 5.12 亿芯 公里。光纤作为 5G 智能时代的神经网络,随着未来 5-10 年的 5G 建网周期,光纤的需求量将会持续 增长,尤其是 5G 从 NSA 到 SA 组网演变以后,全球光纤需求将增长上量。此外,随着疫情逐步得到 有效控制,全球经济恢复正常,运营商的固网、5G 建设将步入正轨,全球光纤需求有望迎来快速增 长。根据 CRU 的预测,2021 年全球光纤光缆需求量将达到 6.17 亿芯公里,同比增长 7%。到 2025 年, 全球光纤电缆市场规模将达到 278.8 亿美元,期间年均复合增速将达到 11.7%。

高纯石英砂量产技术领先行业,光纤半导体业务持续突破

公司掌握高纯石英砂量产核心技术,外销规模快速增长

生产高纯石英砂具有较高的技术壁垒:生产高纯石英砂是一项复杂的系统工程,不仅需要高质量的 天然石英矿石、先进的生产设备,更需要严谨的粗碎、细碎、磨矿、浮选、磁选、化学、物理等多 个步骤的复杂工艺和核心的提纯技术,因此,进入高纯石英砂行业的技术门槛较高,目前国内外只 有少数几家公司掌握了高纯石英砂的生产技术。

连熔技术创新发展,半导体客户认证持续突破

高端石英管棒技术壁垒较高:生产高端石英管棒的核心技术主要体现在两方面,一方面需要高纯度 的石英砂原料,高纯石英砂提纯工艺十分复杂、技术水平要求高,全球仅有少量几家石英企业掌握 该技术,同行业公司进入该业务领域的壁垒较高;另一方面生产石英制品需要系统的连熔法等生产 工艺,该等生产工艺的应用除了需要先进的生产设备,还需要长时间的经验与技术积累,因此,行 业竞争对手进入高端石英制品领域所需的技术水平、研发积累等壁垒较高。

不断突破半导体石英产品国际认证,高端石英市场份额不断扩大:公司半导体领域用石英系列产品 陆续通过了日本东京电子株式会社(TEL)扩散和刻蚀领域官方认证,成为全球少数通过 TEL 高温扩 散领域认证的原材料供应商,实现了国产石英材料零的突破;特别是高温扩散领域认证,由于该认 证技术难度大、认证门槛高、认证程序复杂等特点,短期内难以有新的进入者。随着公司认证的逐 步推进,又通过了美国拉姆研究(LamResearch)刻蚀环节的国际认证;美国应用材料(AMAT)认证 也陆续取得阶段性成果,日本及国内其他国际知名半导体厂商认证也处于快速推进中。半导体产品 认证的逐步通过,使得公司在国际高端半导体石英材料应用市场的份额进一步扩大。

石英管棒出货量稳定增长,新增产能加速落地:公司石英管棒销量稳步提升,2021 年实现石英管棒 销量 9326 吨,同比增长 18.47%。公司加速推动石英管棒新增产能落地,6,000 吨/年电子级石英产品 项目预计 2022 年 10 月达产;1,800 吨/年的石英砣项目进展顺利,已建成投产。

市场化技术创新激励机制促长期高质量发展:公司把技术创新作为提升核心竞争力的关键,研发费 用率常年保持在较高水平。在以市场为导向、以绩效为核心的主导思想下,公司大力鼓励技术人员、 管理人员及一线员工开展新产品开发、新设备研究、新工艺革新等技术创新活动,以不断提高生产 效率,提升产品品质。

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高纯度石英砂用途有哪些(光伏用高纯石英砂供需或偏紧)
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