光伏產(chǎn)業(yè)為技術(shù)快速更新迭代的產(chǎn)業(yè)，為持續(xù)降本增效和提升競爭力，需要有足夠的資金實(shí)力和技術(shù)儲(chǔ)備以取得最先進(jìn)的技術(shù)和布局最先進(jìn)的產(chǎn)能。舊產(chǎn)能的升級改造和新產(chǎn)能的投入，將促進(jìn)上游長晶和加工設(shè)備的研制開發(fā)與升級換代。
石英坩堝廣泛用于太陽能或半導(dǎo)體單晶拉制行業(yè)，是用來裝放多晶硅原料(工作中原料處于熔化狀態(tài)的硅液)的一次性石英器件，其高純和高耐溫耐久性(高強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性)為單晶拉制以及單晶品質(zhì)提供保障，是單晶拉制系統(tǒng)的關(guān)鍵輔料之一。受益于硅片產(chǎn)能加速擴(kuò)張、N型硅片滲透率提高，高純石英砂和石英砂坩堝需求有望快速增長。
石英砂
石英石又名硅石，主要成分為二氧化硅，是一種物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)均十分穩(wěn)定的礦產(chǎn)資源。石英砂是一種堅(jiān)硬、耐磨、化學(xué)性能穩(wěn)定的硅酸鹽礦物，是生產(chǎn)石英制品的主要原料。石英玻璃制品主要包括石英坩堝、石英管、石英棒、石英砂、石英片、石英砣、石英舟等。由于具有良好的透光性能、耐熱性能、電學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性，石英制品作為重要的基礎(chǔ)材料被廣泛應(yīng)用于光伏、半導(dǎo)體、電光源、光通信、激光技術(shù)、航天技術(shù)和軍事技術(shù)等行業(yè)。
高純石英砂分為天然高純石英砂和合成高純四氯化硅，并按純度劃分等級(N)。高純石英砂分為低端(3N)、中端(4N)、高端(4N8)和超高純(5N2)。合成石英砂指合成玻璃的原材料高純四氯化硅，純度為6N-9N。目前，高純石英砂主要來源于石英礦物，國際公認(rèn)的高純石英砂是以美國尤尼明公司IOTA-CG為標(biāo)準(zhǔn)。
石英坩堝
石英坩堝屬于石英玻璃制品中的細(xì)分產(chǎn)品，是制成的石英坩堝是光伏工業(yè)中盛裝融熔硅并制成硅錠的一種容器。由于石英坩堝具有潔凈、同質(zhì)、耐高溫等性能。從物理熱學(xué)性能上看，它的形變點(diǎn)約為1100℃左右，軟化點(diǎn)為1730℃，其最高連續(xù)使用溫度為1100℃，短時(shí)間內(nèi)可為1450℃。目前廣泛應(yīng)用于太陽能和半導(dǎo)體領(lǐng)域提煉晶體硅的生產(chǎn)工藝中，是晶體硅生產(chǎn)過程中的消耗品。
電弧法是制備石英坩堝的主流制備技術(shù)。將高純的石英砂原料倒入坩堝模具內(nèi)，通過成型裝置將石英砂原料均勻的成型在模具的內(nèi)表面以成型坩堝坯，然后將坩堝模具整體移入電弧熔制爐內(nèi)，通過石墨電極釋放高溫電弧使石英砂熔化，最后快速冷卻形成石英坩堝毛坯。石英坩堝分為內(nèi)層透明層、中層氣泡復(fù)合層和外層薄氣泡層，各層質(zhì)量占比分別為25%-70%、20%-40%和5%-30%，通常比例為4:3:4或者3:4:3。
石英坩堝呈現(xiàn)內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)。早期的石英坩堝是全透明的結(jié)構(gòu)，這種透明的結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致不均勻的熱傳輸條件，增加晶棒生長的難度，且均勻的結(jié)構(gòu)對高品質(zhì)的高純石英砂需求較大，成本較高，因此這種石英坩堝的制備方法基本被淘汰。電弧法制備的石英坩堝為半透明狀，有內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)，外層是高氣泡密度的區(qū)域，稱為氣泡復(fù)合層。氣泡復(fù)合層受熱較均勻，保溫效果較好;內(nèi)層是一層3-5mm的透明層，稱為氣泡空乏層。氣泡空乏層的存在使坩堝與溶液接觸區(qū)的氣泡密度降低，從而改善單晶生長的成功率及晶棒品質(zhì)。
石英砂純度顯著影響拉晶質(zhì)量。拉晶的過程中，石英坩堝內(nèi)部的羥基、雜質(zhì)元素和氣泡的含量將會(huì)影響硅棒的質(zhì)量和石英坩堝的使用壽命，其中工藝路線能夠改善羥基的含量，但雜質(zhì)與氣泡的含量更多依賴于石英砂本身的純度。
石英坩堝行業(yè)格局
在原材料端：高純石英砂市場被美國尤尼明長期壟斷，國內(nèi)僅石英股份可規(guī)模量產(chǎn)。全球高純石英原料礦床分布于美國、挪威、澳大利亞、俄羅斯、印度、加拿大、中國等7個(gè)國家，除中國外有14處礦床，其中尚未開采的有7處，礦源質(zhì)量最高和儲(chǔ)量最大的為美國SprucePine礦(花崗偉晶巖)。
光伏石英坩堝產(chǎn)品端：光伏行業(yè)由于產(chǎn)品精密度程度高、技術(shù)發(fā)展快，對石英坩堝的純度、精度要求日益嚴(yán)格。我國的石英制品行業(yè)起步較晚，只有少數(shù)規(guī)?；髽I(yè)的石英坩堝技術(shù)方面達(dá)到先進(jìn)水平。技術(shù)上來看，近幾年我國石英制品行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步較為明顯，尤其是石英坩堝技術(shù)水平與國外企業(yè)產(chǎn)品的差距逐步縮小，在坩堝尺寸、純度、拉晶時(shí)間和拉晶次數(shù)等方面均取得顯著進(jìn)步。此外，國內(nèi)石英坩堝具有一定的成本優(yōu)勢，在質(zhì)量和性能等方面與進(jìn)口石英坩堝的差距正逐漸縮小。這些都為國產(chǎn)化創(chuàng)造了條件。從細(xì)分部件來看，外層砂已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代，中內(nèi)層砂產(chǎn)品和客戶認(rèn)可度逐步提升。目前石英股份的高純石英砂仍以外層砂為主，我們預(yù)計(jì)石英股份在中內(nèi)層砂質(zhì)量以及客戶認(rèn)可度上均有提升，并有望逐步提高中內(nèi)層砂的滲透率。我們預(yù)計(jì)21年石英股份外層砂份額約50%，中內(nèi)層砂份額約8%。
石英坩堝行業(yè)發(fā)展
連續(xù)多次投料拉晶工藝提升帶動(dòng)長壽石英坩堝需求。近年來，為了提高直拉單晶硅的質(zhì)量和產(chǎn)量，連續(xù)加料、多次加料等一爐多根直拉單晶硅生長技術(shù)被開發(fā)和應(yīng)用。直拉單晶硅中，石英坩堝的一次性消耗和拆裝爐的耗時(shí)在成本費(fèi)用中占較高比重。在傳統(tǒng)的直拉法下，石英坩堝只能用一次，一次僅能產(chǎn)出一根晶棒。而連續(xù)直拉法可以在拉晶過程中持續(xù)往石英坩堝內(nèi)加料，并不斷產(chǎn)出多根新的晶棒，對石英坩堝的壽命提出了更高要求。國內(nèi)企業(yè)開發(fā)的長壽命石英坩堝，連續(xù)拉晶時(shí)間可以達(dá)到200小時(shí)以上。通過優(yōu)化多次加料的拉晶工藝，設(shè)計(jì)出新型石英加料器，配合長壽命石英坩堝，可最大程度實(shí)現(xiàn)石英坩堝利用率，大幅提高了生產(chǎn)效率。石英坩堝內(nèi)壁用尤尼明石英砂，壽命可達(dá)450小時(shí)以上，如果用從印度進(jìn)口的石英砂做內(nèi)壁，坩堝使用壽命只能達(dá)到200小時(shí)左右。
石英坩堝向大尺寸化發(fā)展。石英坩堝尺寸大小(或容積大小)取決于晶體生長的直徑和長度，同時(shí)還要考慮拉晶工藝中對堝、晶直徑比的要求，一般堝-晶直徑比以3:1為佳。主要原因是石英坩堝與熔液直接接觸，熔硅與石英坩堝的SiO2反應(yīng)生成SiO后，它同時(shí)向熔體內(nèi)部擴(kuò)散和向熔體表面揮發(fā)，有一部分到達(dá)固-液界面附近，混入到正在生長的晶體中，從而使單晶體中的氧含量增高。采取較大的渦-晶直徑比，將有利于氧的大量揮發(fā)，提升晶棒的質(zhì)量。此外，大尺寸的石英坩堝裝料量較大，有助于攤薄拉晶廠商的生產(chǎn)成本。目前，硅片逐漸向大尺寸化發(fā)展，M10(182)硅片成為主流，M10硅片需要拉制出10英寸的硅棒，對應(yīng)于石英坩堝的尺寸為30英寸及以上，G12(210)硅片則需要12英寸硅棒，對應(yīng)需要的石英坩堝尺寸達(dá)到36英寸。
行業(yè)供需
高純石英砂主要應(yīng)用于半導(dǎo)體、光伏、光通訊和電光源領(lǐng)域。
光伏領(lǐng)域：受益于硅片產(chǎn)能加速擴(kuò)張、N型硅片滲透率提高，高純石英砂和石英砂坩堝需求有望快速增長。根據(jù)測算，2022-2023年光伏用高純石英砂可能的供給量范圍分別為6.2-6.3萬噸、7.7-7.8萬噸，對應(yīng)2022-2023年6.2萬噸、7.6萬噸的需求，供需或?qū)⑻幱诰o平衡的狀態(tài)，價(jià)格存在進(jìn)一步上漲的可能。隨著下半年硅料新增產(chǎn)能的逐步釋放，硅料價(jià)格松動(dòng)有望推動(dòng)拉晶廠商開工率提升，從而帶動(dòng)光伏石英坩堝用高純石英砂需求的快速上升，光伏用高純石英砂在季度需求波動(dòng)的過程中可能會(huì)出現(xiàn)階段性的短缺，屆時(shí)高純石英砂價(jià)格仍有短期上漲的可能性。
在光伏硅片中，P型硅片單晶純度<200ppm、N型單晶硅片純度<100ppm。為滿足N型硅片對純度的更高要求，拉制N型硅棒的石英坩堝需要增加更換的頻率以減少雜質(zhì)的累積，因此N型單晶石英坩堝的更換頻率高于P型單晶坩堝，更換次數(shù)提升有望驅(qū)動(dòng)石英坩堝用高純砂需求提升。
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