光伏產業(yè)為技術快速更新迭代的產業(yè)，為持續(xù)降本增效和提升競爭力，需要有足夠的資金實力和技術儲備以取得最先進的技術和布局最先進的產能。舊產能的升級改造和新產能的投入，將促進上游長晶和加工設備的研制開發(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(高強度和化學穩(wěn)定性)為單晶拉制以及單晶品質提供保障，是單晶拉制系統(tǒng)的關鍵輔料之一。受益于硅片產能加速擴張、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，是一種物理性質和化學性質均十分穩(wěn)定的礦產資源。石英砂是一種堅硬、耐磨、化學性能穩(wěn)定的硅酸鹽礦物，是生產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、電學性能及化學穩(wěn)定性，石英制品作為重要的基礎材料被廣泛應用于光伏、半導體、電光源、光通信、激光技術、航天技術和軍事技術等行業(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，國際公認的高純石英砂是以美國尤尼明公司IOTA-CG為標準。
石英坩堝
石英坩堝屬于石英玻璃制品中的細分產品，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、耐高溫等性能。從物理熱學性能上看，它的形變點約為1100℃左右，軟化點為1730℃，其最高連續(xù)使用溫度為1100℃，短時間內可為1450℃。目前廣泛應用于太陽能和半導體領域提煉晶體硅的生產工藝中，是晶體硅生產過程中的消耗品。
電弧法是制備石英坩堝的主流制備技術。將高純的石英砂原料倒入坩堝模具內，通過成型裝置將石英砂原料均勻的成型在模具的內表面以成型坩堝坯，然后將坩堝模具整體移入電弧熔制爐內，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。石英坩堝分為內層透明層、中層氣泡復合層和外層薄氣泡層，各層質量占比分別為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)內外雙層結構。早期的石英坩堝是全透明的結構，這種透明的結構容易導致不均勻的熱傳輸條件，增加晶棒生長的難度，且均勻的結構對高品質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，有內外兩層結構，外層是高氣泡密度的區(qū)域，稱為氣泡復合層。氣泡復合層受熱較均勻，保溫效果較好;內層是一層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。
石英砂純度顯著影響拉晶質量。拉晶的過程中，石英坩堝內部的羥基、雜質元素和氣泡的含量將會影響硅棒的質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，國內僅石英股份可規(guī)模量產。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個國家，除中國外有14處礦床，其中尚未開采的有7處，礦源質量最高和儲量最大的為美國SprucePine礦(花崗偉晶巖)。
光伏石英坩堝產品端：光伏行業(yè)由于產品精密度程度高、技術發(fā)展快，對石英坩堝的純度、精度要求日益嚴格。我國的石英制品行業(yè)起步較晚，只有少數(shù)規(guī)模化企業(yè)的石英坩堝技術方面達到先進水平。技術上來看，近幾年我國石英制品行業(yè)的技術進步較為明顯，尤其是石英坩堝技術水平與國外企業(yè)產品的差距逐步縮小，在坩堝尺寸、純度、拉晶時間和拉晶次數(shù)等方面均取得顯著進步。此外，國內石英坩堝具有一定的成本優(yōu)勢，在質量和性能等方面與進口石英坩堝的差距正逐漸縮小。這些都為國產化創(chuàng)造了條件。從細分部件來看，外層砂已基本實現(xiàn)國產替代，中內層砂產品和客戶認可度逐步提升。目前石英股份的高純石英砂仍以外層砂為主，我們預計石英股份在中內層砂質量以及客戶認可度上均有提升，并有望逐步提高中內層砂的滲透率。我們預計21年石英股份外層砂份額約50%，中內層砂份額約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長壽石英坩堝需求。近年來，為了提高直拉單晶硅的質量和產量，連續(xù)加料、多次加料等一爐多根直拉單晶硅生長技術被開發(fā)和應用。直拉單晶硅中，石英坩堝的一次性消耗和拆裝爐的耗時在成本費用中占較高比重。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)往石英坩堝內加料，并不斷產出多根新的晶棒，對石英坩堝的壽命提出了更高要求。國內企業(yè)開發(fā)的長壽命石英坩堝，連續(xù)拉晶時間可以達到200小時以上。通過優(yōu)化多次加料的拉晶工藝，設計出新型石英加料器，配合長壽命石英坩堝，可最大程度實現(xiàn)石英坩堝利用率，大幅提高了生產效率。石英坩堝內壁用尤尼明石英砂，壽命可達450小時以上，如果用從印度進口的石英砂做內壁，坩堝使用壽命只能達到200小時左右。
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反應生成SiO后，它同時向熔體內部擴散和向熔體表面揮發(fā)，有一部分到達固-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，對應需要的石英坩堝尺寸達到36英寸。
行業(yè)供需
高純石英砂主要應用于半導體、光伏、光通訊和電光源領域。
光伏領域：受益于硅片產能加速擴張、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2022-2023年6.2萬噸、7.6萬噸的需求，供需或將處于緊平衡的狀態(tài)，價格存在進一步上漲的可能。隨著下半年硅料新增產能的逐步釋放，硅料價格松動有望推動拉晶廠商開工率提升，從而帶動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的過程中可能會出現(xiàn)階段性的短缺，屆時高純石英砂價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)提升有望驅動石英坩堝用高純砂需求提升。
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