光伏产业链原料三种不同石英砂介绍

2023-07-13

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石英是一种架状结构氧化物矿物,具有硬度高、化学性能稳定、隔热性好等优点,石英因其高折射率而被广泛应用于光纤传输和光伏领域,同时,石英具有透光性,可制成石英玻璃,被称为“玻璃材料之冠”。

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高纯度石英用于高科技领域,如生产半导体晶体硅,将其制成二氧化硅坩埚以容纳高温硅熔体。石英的优良性能及广泛应用使其在高科技发展的时代脱颖而出,石英资源既是光伏发电行业的关键基础性原材料之一,更是一种重要的战略性非金属矿资源。

光伏产业链中有三种不同的石英砂,他们分别是金属硅的原材料---硅石、拉棒环节石英坩埚的原材料---高纯石英砂、光伏玻璃原材料---超白石石英砂。今天那我们来看一下这三种光伏原料有何不同。

1.金属硅的原材料---硅石(SiO2≥99%)

硅石一般是指脉石英、石英岩、石英砂岩的总称。硅石通常大量用作建筑材料的主要原料,也是建材用于无机盐工业的重要原料。硅石一般指纯度较高的天然石英砂,也就是二氧化硅,在自然界中分布较广,储藏量很是可观,我国有大型优质矿产资源,硅石主要用于冶金工业用的酸性耐火砖。

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图一 硅石

我国工信部发布的《中华人民共和国黑色冶金行业标准》对不同用途硅石的理化指标做出了规定,冶金用硅石中,生产工业硅的硅石中SiO2的质量分数下限为99%,而生产硅质合金的硅石则为97%;水泥用硅石、玻璃用硅石中SiO2的质量分数下限分别为80%和96%。

我国硅石资源丰富,分布广泛又相对集中。我国自然资源部发布的数据显示,2020年我国冶金用硅石、玻璃用硅石和水泥用硅石总储量为23.62亿吨,主要分布在江西、安徽、海南等省份,仅江西和安徽两省储量之和占比就达25%以上。

99硅石作为生产工业硅的重要原料,占工业硅成本13.2%,2020年冶金用硅石的国内总储量为2.45亿万吨,我国作为工业硅生产大国,对硅石需求较大,进口量也较大。2015-2021年我国硅石进口量远大于出口量,且呈快速增长趋势。2021年,我国进口硅石共419.56万吨,净进口硅石共296.09万吨。

2.石英坩埚的原材料---高纯石英砂(SiO2≥99.99%,杂质总含量小于25ppm)

高纯石英是由水晶、脉石英、花岗伟晶岩等矿石作为原料经提纯后的一种矿产品,是硅产业高端产品的物质基础,广泛应用于战略性新兴产业。

全球高纯石英原料矿床主要分布于巴西、美国、加拿大、挪威、澳大利亚、俄罗斯、中国等。据美国地质调查局统计数据,截至2019年底,全球高纯石英原料矿产资源约7300万t,其中,巴西是全球第一大资源量国,资源量为2111万t,矿石类型主要为天然水晶;美国是第二大资源量国,资源量为1822万t,矿石类型主要为花岗伟晶岩型石英。加拿大位列全球第三,资源量为1000万t,矿石类型主要为脉石英。

拉晶环节的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,目前占硅片成本1.2%,占硅片非硅成本的15%。石英坩埚一般是内外双层(或三层)结构,石英砂的纯度会直接影响硅棒拉晶质量,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。

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图二 石英坩埚

随着光伏产业链的不断发展,对高纯石英砂的需求也日益见长,但是国外内层石英砂企业暂无扩产计划,在国内在没有找到合适内层砂矿源或合适的替代材料的情况下,高纯石英砂可能近两年会成为光伏产业链的卡脖子环节。

3.光伏玻璃原材料---超白石英砂(SiO2≥99.30%,Fe2O3≤60ppm)

光伏玻璃不同于普通玻璃,是由超白玻璃原片进行深加工制成。超白玻璃是一种超透明低铁玻璃,也称低铁玻璃、高透明玻璃,具有自爆率低、颜色一致性、可见光透过率高、通透性好、紫外线透过率低等优点。

目前太阳能钢化玻璃应用最为广泛为低铁超白玻璃,低铁超白玻璃通常要求石英砂中主要元素SiO2≥99.30%,Fe2O3≤60ppm等,制作太阳能光伏玻璃所用石英资源多采用石英岩、石英砂岩、滨海石英砂等资源经选矿提纯获取。

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图三 光伏超白玻璃vs普通玻璃

光伏玻璃生产需要含铁量较低的超白石英岩砂矿,占玻璃成本13%左右;国内优质低铁超白石英砂矿较为稀缺,集中分布在安徽凤阳、广东河源、湖南、广西和海南等地,行业存在一定的天然垄断性;以目前光伏玻璃龙头为例,信义光能和福莱特的生产基地集中在广西北海、安徽芜湖及凤阳等地,配套高质量的硅砂矿,原材料质量稳定且成本低廉,有利于提高成品稳定性降低生产成本。


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