2023年高纯石英砂行业分析 石英砂杂质含量高会降低坩埚高温强度

2023年高纯石英砂行业分析石英砂杂质含量高会降低坩埚高温强度一、高纯石英砂：高端制造领域不可或缺的材料（一）高纯石英砂是光伏、半导体等战略新兴产业的重要材料高纯石英砂是光伏、半导体等战略新兴产业的重要材料，纯度决定价值量与应用领域。石英矿石是一种半透明硅酸盐矿物，主要成分为二氧化硅（SiO2），根据SiO2和杂质含量区分纯度，国际上普遍将SiO2含量大于99.995%（即4N5）、杂质含量小于50μg/g的石英定义为高纯石英。高纯石英材料具有化学性质稳定、杂质含量少、耐高温、耐腐蚀、低热膨胀性、高度绝缘等优异物理化学属性，在光伏、半导体、光纤等战略新兴行业发挥着不可替代的作用。SiO2含量为99.5%～99.99%（2～4N）的石英砂用于光源行业，99.99%（4N）以上用于高端光学器件、激光器件，99.995%～99.9999%（4～5N）的高纯石英砂多用于光伏、半导体等领域。石英砂纯度越高其附加值越高，据粉体网数据，2023年4月2～3N石英砂价格约在400~600元/吨；纯度4～4N5价格约为50,000~120,000元/吨；而4N8价格在120,000元/吨以上，且市场供不应求。我国4N8高纯石英高端产品一直处于“卡脖子”状态，4N5高纯石英产品正处于国产替代进程中，而4N及以下高纯石英产品已完全实现国产化。高端高纯石英产品主要应用于半导体、光伏领域，从2021年12月起国内半导体销售额同比增速下行，光伏新增装机量持续高增长，驱动国内光伏用高纯石英砂（4N5、4N8）供应紧俏、价格走高。本篇报告重点分析光伏用高纯石英砂供需情况。（二）石英砂纯度是决定石英坩埚质量核心指标，关乎硅棒质量高纯石英砂在光伏领域的主要应用是石英坩埚——拉单晶硅棒的必要耗材。石英坩埚是单晶生长炉的关键部件，是用于盛装熔融硅，加热拉制单晶硅棒的器皿。根据欧晶科技招股说明书，拉晶过程中，石英坩埚要在1000℃以上的高温环境连续工作，耗损速度较快，连续直拉法下通过持续投料可以不断产出多根新的晶棒，现有石英坩埚使用寿命达到200小时以上，属于单晶硅棒生产必要耗材。目前大部分石英坩埚是用高纯石英砂经电弧法制备，生产原理是将高纯石英粉装入可任意倾动角度的旋转成型模内，利用离心力成坩埚型，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，再进行喷砂、切边、倒角、半成品检验等工序，最后坩埚清洗、成品检验包装。石英坩埚从外形上看为半透明状，有内外两层结构，由外向内品质要求提升。外层是不透明层，称为气泡复合层；内层是3-5mm的透明层，称为气泡空乏层。从结构上看，由于各家坩埚厂商技术、配方方案各不相同，内外层质量配比不完全相等，内层砂占比通常在30-40%左右。高纯石英砂纯度直接决定石英坩埚的性能和寿命，而石英坩埚的性能对成晶、拉晶质量及生产安全至关重要。石英坩埚是单晶炉中唯一与硅料直接接触的部件，据欧晶科技官网，石英坩埚内部的羟基、杂质元素和气泡含量是石英坩埚的性能和寿命的主要影响因素，其中，工艺路线能够降低羟基的含量，但杂质与气泡的含量更多依赖于原材料石英砂本身纯度。（1）杂质：①石英砂杂质含量高会降低坩埚高温强度，使其更易变形，直接影响单晶拉制，比如坩埚上口内塌造成与导流筒碰撞而阻断正常拉晶；②杂质过高还会使得石英坩埚在高温下生成方石英（即析晶现象），内层析晶过厚会脱落导致无法继续拉晶，外层析晶会导致外层与石墨坩埚粘连，出现漏硅等现象，无法正常使用；③高温下不同的石英砂杂质会以不同速率向硅液扩散，杂质的引入对单晶性能和成晶率构成直接影响，高品质石英砂的使用是单晶品质保障的关键。（2）气泡：拉晶过程中，内层与硅液接触并不断向硅液中熔解，透明层中的微气泡不断长大，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）。内层与硅液直接接触，气泡破裂、杂质扩散风险更大，因而内层对高纯石英砂的纯度要求更高。根据粉体网数据，内层砂纯度一般在4N8以上，最外层达到4N5即可。据中国有色金属工业协会硅业分会，当前石英坩埚内层必须采用进口砂，中外层砂有趋势。二、终端需求高景气，多因素驱动光伏石英砂需求高增（一）光伏石英砂需求趋势受硅片大尺寸、N型渗透、坩埚长寿命等多重趋势影响光伏用石英坩埚作为硅棒生产设备重要耗材，其需求变化与光伏终端需求、单晶硅技术发展动态高度相关。光伏产业近几年硅片向大尺寸方向发展，N型加速渗透，以及持续推进拉晶环节降本，体现在石英坩埚上即要求更大尺寸、更高纯度以及更长使用寿命性能。大尺寸硅片占比上升带动石英坩埚向大尺寸方向发展，影响石英坩埚的单体重量和总消耗数量。大尺寸硅片输出功率更高，可显著降低度电成本及组件以外的系统成本，目前182mm、210mm等大规格尺寸硅片已成为主流发展趋势。大尺寸硅片由大尺寸硅棒切割而来，拉制更大尺寸硅棒需要配套更大的坩埚，而坩埚大尺寸化对高纯石英砂需求总量有两重作用：一方面，大尺寸化使坩埚单体重量提升，单只坩埚高纯石英砂用量增加；另一方面，大尺寸化使单只坩埚装料量变大，拆装炉耗时缩短，单炉生产效率提升，减少相同硅棒产量下石英坩埚的耗用只数。N型纯度要求更高，石英坩埚更换频率提高，影响坩埚消耗数量。N型电池凭借更高的电池效率极限以及更低温度系数及衰减率，更高抗PID性能等正在逐步取代P型组件，根据CPIA2022预测数据，下游的N型硅片渗透率正在快速提升，有望在2025年达到58%。N型硅片比P型对纯度的要求更苛刻，基于N型硅片纯度标准，防止坩埚加热时间过长引入过多杂质，单晶石英坩埚需要相应提高更换频率，从而增加坩埚消耗数量。适应下游多次投料拉晶需求，坩埚厂商通过技术优化尽量延长坩埚使用寿命。下游拉晶厂投料工艺历经从最初的Cz（直拉法）→当前主流工艺RCz（多次投料复拉法）→研发CCz（连续投料直拉法），工艺演进的核心始终是要实现利用一只坩埚尽可能多地投料、拉棒，这就倒逼坩埚厂商改进技术方案，延长产品使用寿命。据欧晶科技招股说明书，欧晶科技2021年石英坩埚产品有效使用寿命较2019年初提升一倍以上，客观上减少了坩埚耗用量。当前技术框架下，坩埚使用寿命、内层砂结构进一步优化空间有限，预计未来对硅棒生产单位耗费石英砂量（包括内层砂量）的影响不大。（1）坩埚使用寿命。拉制单晶对坩埚的洁净度要求很高，复投拉晶过程中，硅液残留杂质无可避免地会越来越多，析晶、气泡风险在高温工作环境中随时间不断提升，同时近些年坩埚使用寿命已实现大幅改进，预计使用寿命优化或逐渐接近天花板。（2）内层砂结构。据2022年10月31日隆基绿能答投资者问，制造硅片过程中若使用质量较差的石英砂会影响坩埚寿命与硅片质量，进而影响生产成本与工艺管控难度。进口砂矿源优质品质更好，内层砂直接接触硅液，必须使用进口砂，外层砂可用国产砂补缺。当前内层砂合理配比在30-40%左右，突破底线或将造成坩埚品质严重下降、寿命缩短，导致拉晶断线率提升，效率下降反而增加非硅成本。（3）N型渗透趋势下坩埚纯度性能要求更高。（二）需求测算：下游光伏景气支撑需求高增，关注坩埚尺寸、寿命等边际变量本节旨在测算多因素趋势综合作用下的石英砂需求总量，测算基本逻辑为高纯石英砂总需求(吨)=光伏装机硅片需求量(GW)×单GW硅片消耗石英砂数(吨)×坩埚尺寸、寿命变化等趋势下坩埚耗用的变化系数。坩埚大尺寸趋势既会增大单只坩埚石英砂用量（坩埚体积变大），又会减少单GW硅片耗用只数（坩埚容积变大）；N型硅片占比提升坩埚更换频率提高，以及据中国有色金属协会硅业分会23年3月16日消息，进口内层砂紧缺导致坩埚平均品质降低，坩埚使用寿命缩短。三、资源+提纯技术构筑壁垒，光伏用内层砂供需趋紧高纯石英砂未来三年供给或无法满足需求，制约供给的主要因素有：原料矿源资源壁垒、提纯工艺限制、海外龙头企业存在客观扩产阻力。主流制备高纯石英砂的方法为石英矿物深度提纯，但由于优质原料矿源稀缺，矿源品质分化，深度提纯技术不易掌握，高纯石英砂产能扩张受阻。目前全球范围内能够规模化量产供应高纯石英砂的企业仅三家：美国尤尼明、挪威TQC、中国石英股份（据IndianMineralsForum，2019年CR2高达80%，CR3约85%），而海外两大龙头开采经济性较差，扩产意愿较低，未来供给增量主要源自石英股份等国内企业。（一）稀缺优质矿石资源+先进提纯及检验工艺构筑高纯石英砂生产壁垒资源稀缺性构成主要壁垒之一，而矿源杂质含量和赋存状态不一是矿源稀缺性的关键因素。优质原矿石属于稀缺资源，是制约高纯石英砂产量提升的壁垒之一。在选取用于生产高纯石英砂的原料矿石时，不仅要考虑其本身化学纯度以及杂质的排列情况，同时还要考虑石英矿物的嵌布特征、共存的脉石矿物和种类等，根据工艺指标和商业价值综合评估选取。原料中杂质元素含量高低与高纯石英质量优劣并不是简单对应关系，而是与原料工艺矿物学特征所决定的杂质可选性有关，天然石英矿物中杂质元素的赋存状态是决定能否用于提纯高纯石英的重要因素，原矿石中的杂质主要是包裹体和晶格杂质两种形式存在，晶格杂质主要是指取代Si4+的离子，如Al3+、Fe2+、Fe3+、B3+、Ti4+、Ge4+、P5+等。在现有加工技术下，石英原料中的晶格杂质除去难度非常大，往往会成为加工过程中难以突破的最终瓶颈，是制约高纯石英最终质量的关键之一。主要高纯石英制备原料有花岗伟晶岩和脉石英，二者性质差异较大。根据郭文达2019年发表的《高纯石英砂资源及加工技术分析》，虽然花岗伟晶岩的石英含量仅30%左右，但其结晶粒度极粗（d>5mm），磨矿后能与脉石完全解离，且单体石英杂质含量极少，是最理想的原料。脉石英等矿物石英含量高（均在95%以上），但由于脉石英是从地下的热水中生长出来的，往往含有很多气泡包裹体和羟基，杂质含量多，分离相对较难，品质较差。我国石英资源品质整体不佳，已探明的石英矿物包括23.1亿吨石英岩、15.5亿吨石英砂岩以及0.5亿吨脉石英，国产高纯石英砂一般以脉石英为原料生产。原料矿床集中度高，资源储量稀缺，优质矿源开发权被三大厂商掌握在手。全球高纯石英原料矿床分布于美国、挪威、印度、澳大利亚等国家，在产矿山少且分布集中度极高，储量都相对有限。市场公认矿源品质排序为美国斯普鲁斯派恩矿＞印度矿＞国产矿，按照品质梯度，海外砂、国产砂当前分别应用在光伏用石英坩埚的内、外层。（1）全球高纯石英砂两大巨头美国尤尼明（子公司矽比科）和挪威TQC的主要矿源是斯普鲁斯派恩矿，该矿床是国际上公认的最好的矿床，属于花岗伟晶岩型/白岗岩型，其形成具备独特属性，目前全球罕见能够与斯普鲁斯派恩矿品质齐肩的矿床。（2）石英股份原矿主要采购自印度等地区，2021年海外采购占比达93.32%。石英股份拥有印度石英矿石有限开采权，主要供应商较为稳定，有长期框架协议保障。（3）我国矿床主要是脉矿石，散发、单处矿石储量较小，品质相对较差。提纯工艺根据原矿成分调整，若厂商无法保证矿石品质一致性，则必须具备成熟的提纯与检验技术。不同地质成因岩石中石英质和量不尽相同，提纯工艺和难度千差万别。高纯石英砂提纯工艺流程可以概括为预处理、物理处理和化学处理三个环节，先将原矿破磨到一定粒度，脱除部分杂质，再通过矿物表面物理性质差异分离伴生矿物杂质，之后再利用酸在微裂缝和晶界内深度渗透优势，去处理包裹体和晶格类型杂质。提纯工艺设计时就要匹配原矿的成分与品位，提纯工艺切换也需要磨合期和相应的专用设备，如钠含量较高石英矿需要进行高温煅烧，钙镁较高的碳酸盐矿物需要进行盐酸预处理。因此，提纯工艺流程环节看似简单，实际难点在于如何通过甄别原矿石成分、品位，并通过组合工艺实现晶格杂质的极致化提纯。如果厂商拥有的原矿矿体规模小或内部品质不一、一致性较差，就需要以更先进、更灵活、更全面的提纯和检验技术力来应对，保障产出石英砂质量的稳定性。国内检测技术与海外技术存在一定差距，这也是制约国内有效供给的重要因素。检测技术不仅用在高纯石英砂的质量检测环节，同样也运用在原矿石的筛选环节。电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）因其检测时间短、灵敏度高、精确度好等优点，是目前主要的检测方法。ICP检测技术的精准程度会很大程度影响高纯石英砂的质量，由于国内起步较晚、技术保密等原因，国内ICP检测效果和国外还存在明显差距。对比运用国内ICP检测技术和美国尤尼明高纯石英样品检测结果，我国在低杂质检测技术上仍有较大提升空间，致使深度提纯工艺落后于海外。合成石英砂技术开发中，建议关注后续工业化、商业化动态。除物理深度提纯法外，高纯石英砂还有化学合成法制备路线，当前国内凯盛科技、江瀚新材正在开展技术研发与产能建设。合成石英砂优势在于纯度高达6N以上，理论上满足半导体及光伏石英坩埚内层应用纯度要求，并摆脱了矿石资源的制约，但当前合成石英砂技术还存在成本高、难大规模工业化生产等问题。凯盛科技2022年8月26日、2023年3月13日答投资者问时提到，凯盛科技年产5000吨合成二氧化硅项目中试线相关产品已送下游验证，效果良好，正在开展量产线的技术转化，预计23年第三、四季度试生产，产能包含1000吨电子级硅溶胶、3000吨半导体用二氧化硅及1000吨光伏用二氧化硅。江瀚新材2023年2月20日答投资者问，IPO募投年产2000吨高纯石英砂产业化建设项目（合成石英砂）于2022年12月开工建设，建设周期为36个月。（二）海外龙头厂商扩产阻力大，国内石英股份积极规划扩张石英矿属于斯普鲁斯派恩伴生矿，海外两大龙头若大量扩产会造成长石和云母堆积，扩产动力不强。海外两大龙头美国尤尼明和挪威TQC尚未公布明确的光伏级石英砂扩产计划，但总体而言扩产条件较为苛刻。斯普鲁斯派恩矿床是一种岩体矿，由长石、云母、石英三部分组成，其中仅有石英（约占30%）可以通过提纯加工为高纯石英砂，石英矿属于斯普鲁斯派恩矿的伴生矿。海外两大龙头是综合性厂商，除了半导体级石英砂还销售长石、云母，而长石、云母市场稳定空间不大（下游市场有水泥、陶瓷等），若大量扩产石英矿会造成堆积，有环保处罚风险。矽比科（尤尼明）公司财报显示，近几年高纯石英砂产线均是满负荷状态运转，2025计划中着重提及节能减排，暂时没有扩产计划和产能建设安排。石英股份近几年抓住市场机遇，持续扩大产能。从矿源上看，石英股份以往石英石基本外采，采购地包括印度、巴西、非洲、美国等国家和地区，长期以来合作关系稳定，且有签订框架协议。多处分散布点既避免了单一矿源风险，又驱动石英股份不断提升应对不同原矿成分的提纯、检验技术能力。2014年石英股份的高纯石英砂产能仅为7,300吨/年。2021年，石英股份通过技改及增加生产班次等措施最大限度释放产能，将原有的15,000吨/年高纯石英砂产线产能提升至20,000吨/年。2022年2月，石英股份新建的20,000吨/年的新生产线投产。2022年10月，石英股份公告拟投资建设三期60,000吨/年高纯石英砂产线，有望充分享受行业供需紧缺红利，提升市场份额。主要三大厂商优势领域不同，海外两大巨头凭借资源禀赋更注重供应更高附加值的半导体领域应用。（1）美国尤尼明，其矿源斯普鲁斯派恩矿品质极佳，总储量超1000万吨，矿石性质稳定，掌握优质矿源使其几乎垄断国际市场上4N8及以上高端石英砂产品生产。（2）挪威TQC，依靠与美国尤尼明共同开采的斯普鲁斯派恩矿和挪威本地石英矿成为全球第二大高纯石英砂供应商。海外两大巨头凭借优质矿源产出质量极高的产品，部分产品SiO2含量在5N以上，契合半导体用石英砂的纯度要求，产能优先布局价格更高的半导体领域和光伏内层砂应用。（3）石英股份，石英股份2009年通过自主研发高纯石英砂提纯技术，实现了在矿源质量不如海外龙头背景下，大规模量产高纯石英砂能力。由于资源禀赋差异，石英股份优势领域集中于光伏石英砂。随近些年产品质量改进和市场认可度建立，石英股份内层砂渗透率有望持续提高。（三）供需缺口：未来2年内层砂供需持续紧缺（1）需求端：根据前文测算，按照内层砂占比35%估算未来内层砂供需情况，预计22-24年全球光伏用高纯石英砂的总需求为6.12、10.22、12.91万吨，其中内层砂需求分别约为2.14、3.58、4.52万吨。（2）供给端：主要三大厂商仅石英股份积极扩产。①根据广发电新组统计，海外企业高纯石英砂内层砂22-24年供给为2.00/2.50/2.63万吨。②据石英股份年报，2022年石英股份高纯石英砂外销量达3.08万吨。假设石英股份正在建设的赣榆经开区6万吨/年产能自2023年下半年起陆续投产爬坡，23-24年总产能预计为6.00/10.00万吨。石英股份目前正在提高内层砂的比例，保守估计22-24年石英股份内层砂供给量为0.35、0.73、1.85万吨（随技术水平提升，内层砂比例有望继续提升）。另外，由于合成石英砂产能落地仍存不确定性，暂不纳入考虑。（3）缺口：预计22-24年内层砂供需缺口为0.21、-0.35、-0.04万吨，供需关系持续紧张，24年由于石英股份新产能完全释放，供需形势相对缓和，如果后续厂家扩产计划调整，缺口可能继续放大。测算结果看，未来几年内层砂供应有望持续紧缺。此外，内层砂紧缺背景下，外层砂需求量也存在超预期可能性，一是下游硅片厂商呈双寡头格局，大小厂商内层砂保有量存在明显差异，小厂商可能减薄内层而强拉硅片开工率，据中国有色金属工业协会硅业分会2023年3月16、17日消息，近期进口石英砂短缺