石英在光伏产业中的应用

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”。

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。

太阳能光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应，而将光能直接转变为电能的一种技术，具有安全可靠、绿色清洁、可再生、适用地区广等优点，是新能源产业的重要发展方向，近年来发展迅速。

目前，光伏发电板主要结构组成为：层压件（由上至下钢化玻璃、EVA、电池片、背板）、铝合金架、接线盒、硅胶（粘结各部件）。其中，在制造过程中使用石英资源为基础原料的部件有钢化玻璃、电池片、硅胶以及铝合金，不同组件对石英砂要求各不相同，用量各不相同。

钢化玻璃层主要起保护作用，保护位于其下的电池片等内部结构，要求其透光率透明度好、能量转化率高、自爆率低、强度高且薄。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。

太阳能光伏发电板主要结构组成

电池片是光伏发电的核心部件，主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池以及多元化合物电池等，应用最为广泛的为单晶硅电池和多晶硅电池。相较多晶硅电池，单晶硅电池具有光转化率高（15%~21%，大多在18%左右）、使用寿命长优点，但制作成本高，受材料物理性能限制，要达到30%以上的转化率的可能性较小；相较单晶硅电池，多晶硅电池光转化效率低（12%~18.5%，大多在16%左右），与单晶硅电池相比，多晶硅电池光转化效率低，使用寿命短，目前正在逐渐被单晶硅电池替代；非晶硅电池具有轻薄、质轻、柔性好等优势，应用范围非常广泛，尤其适合用在光伏建筑一体化之中，但其光转化效率偏低；多元化合物电池（如砷化镓、硫化镉电池等）光电转化效率高，但是价格昂贵，多用于航空航天等重要领域，没有规模化产业化的实用价值。

制作光伏单晶硅、多晶硅通常利用金属硅制作，受成本影响，制作多晶硅的金属硅对石英原料要求较高，通常用SiO2＞99.9%的石英砂经冶炼、提纯制成，制作多晶硅所用石英资源可从优质石英岩、石英砂岩、脉石英等资源中获取。

在生产多晶硅、单晶硅过程中用到的坩埚、扩散管等材料为光伏级高纯石英砂，通常要求石英砂SiO2≥99.99%杂质元素总含量应小于25ppm，其中K、Li、Na小于2.5ppm。而超高纯石英含量大于99.999%（Al<8 ppm，Fe<0.05 ppm，Ti<1.3 ppm等）。以美国Union Ming公司为例，其IOTA标准得到国际认可，其产品纯度达到99.9994%。制备高纯石英的方法有两种：合成法和提纯法，其中合成法依靠合成晶体，用四氯化碳气相沉积和溶胶-凝胶法进行液相沉积。由于合成成本高，以及晶体资源逐渐枯竭，将提纯方法的优化提上日程，这是石英提纯发展的现实原因。

石英提纯的主要方法有物理处理、化学处理和生物处理。进一步细分包括高温煅烧、微波加热、水淬、磨矿、筛分、色选、磁选、浮选、酸浸、超声波处理、氯化焙烧等等。目前，全球可以制作该类型高纯石英砂的石英资源主要从花岗岩石英中制得（少部分从脉石英提取），该类资源主要集中在美国。我国石英股份、福东等公司生产石英坩埚所用石英原料基本从美国尤尼明进口。

硅胶主要起密封作用，将各个组件与铝合金边框、组件与接线盒交界处等部位进行密封。目前，硅胶多通过金属硅制得，硅胶用金属硅对石英资源要求相较多晶硅、单晶硅用金属硅要低，通常石英砂品质SiO2>99.0%的石英资源可制得。

铝合金主要是在冶炼过程中加入少量金属硅，增强性能。冶炼用硅金属硅与硅胶类似，对石英砂的品质要求较低。

21世纪属于硅基材料的未来。随着半导体、光伏电池等新兴产业的快速发展，对材料数量和质量的需求越来越大。因此，如何有效提纯石英（尤其是高纯和超高纯石英）成为当前和未来的研究热点。石英的主要成分是二氧化硅。