中國粉體網訊 以太陽能利用為目的的光伏能源具有清潔、環保、可再生等特點，成為我國大力發展的新能源和戰略性新興產業之一。光伏產業的主導產品有晶體硅太陽能電池等，其中單晶硅電池更是憑借著高轉換率和高穩定性占據重要地位。
目前，單晶硅采用多晶硅為原料和直拉法生產工藝。在單晶硅生產中，石英坩堝是一次性使用的熔硅和晶體生長的關鍵材料，對單晶硅的生產成本和產品質量都有直接重要的影響。
石英坩堝主要用于單晶硅拉制
來源：歐晶科技招股說明書、德邦研究所
石英坩堝在直拉單晶硅生長中的作用
石英坩堝是直拉單晶爐的關鍵部件。單晶制備階段決定了硅材料的直徑、晶向、摻雜導電類型、電阻率范圍及分布、氧碳濃度、少子壽命、晶格缺陷等技術參數，要求微缺陷、氧濃度、金屬雜質、載流子濃度均勻性等都需要控制在一定范圍內。 在直拉單晶工藝中，石英坩堝需要承受高于硅熔點（1420℃）的高溫。石英坩堝多為半透明狀，有多層結構復合而成，外層是高氣泡密度的區域，稱為氣泡復合層；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的密度降低，從而改善單晶生長的成功。
從質量方面看，石英坩堝內層由于與硅液直接接觸，在拉晶過程中不斷向硅液中溶解，并且坩堝透明層微氣泡不斷長大至破裂將向硅液中釋放石英顆粒和微氣泡，這些雜質又以微顆粒和微氣泡的形式伴隨硅液流遍整個硅熔體，直接影響到硅的成晶和單晶的質量。
從成本方面看，石英坩堝在單晶硅產業鏈中具備較強的消耗品屬性特征，連續直拉法的運用也對石英坩堝的壽命提出了更高的要求。石英坩堝的高純和高耐溫耐久性為單晶拉制以及單晶品質提供了保障。基于單晶硅片純度的要求，石英坩堝一次或幾次加熱拉晶完成后即報廢，需要定期更換，屬于消耗性器皿。另外，在拉晶環節，倘若石英坩堝出現質量問題，會造成單根單晶硅棒報廢。
直拉單晶硅對石英坩堝品質的要求
石英坩堝直接與硅液接觸，若其生產過程中未能有效控制雜質、氣泡，易影響拉晶質量，甚至導致拉晶失敗、投料報廢，由于單晶硅片對純度要求高、且單次拉晶成本較高，因此對石英坩堝在純度、氣泡表現、品質穩定性方面具有較高的要求：
雜質：雜質會對單晶性能和成品率造成直接影響，因此與硅熔體直接接觸的石英坩堝的雜質含量至關重要。坩堝雜質過高往往會帶來石英坩堝析晶（雜質離子局部集聚后導致粘度降低），如果析晶靠近內表面，局部的析晶殼層過厚則極易脫落，導致單晶拉制無法繼續；如果外壁形成較厚的析晶，極易發生底部或者弧度的鼓包現象；如果析晶貫穿坩堝本體，容易引起漏硅等一系列嚴重后果。
石英坩堝中的雜質引發析晶
來源：歐晶科技官網，東方財富證券研究所
氣泡：高純石英砂本身含有氣液包裹體，拉晶過程中與硅液接觸的坩堝內表面不斷向硅液中熔解，伴隨著透明層中的微氣泡不斷長大，靠近最內表面的氣泡破裂，硅液釋放石英微顆粒以及微氣泡，其中的雜質會以微顆粒以及微氣泡的形式伴隨著硅液流遍整個硅熔體，直接影響到硅的成晶（整棒率、成晶率、加熱時間、直接加工成本等）以及單晶硅的質量（穿孔片、黑芯片等）。
石英坩堝內表面氣泡含量影響硅成晶
來源：歐晶科技、東方財富證券研究所
石英砂對石英坩堝品質的影響
石英坩堝主要使用電弧法生產，核心原材料為高純石英砂，石英砂的純度是影響石英坩堝品質的重要因素。石英坩堝分為內外兩層結構，外層是高密度區域，稱為氣泡復合層；內層是3-5mm的透明層，稱為氣泡空乏層，內層，即氣泡空乏層的存在使坩堝與溶液接觸區的氣泡密度降低。石英砂純度越低，在高溫熔制過程中越容易產生黑點氣泡。用作內層砂時，長時間處于高溫環境下會使石英坩堝內壁所含氣泡受熱釋放，從而影響到單晶硅片生產的穩定性和成功率。因此內層砂對石英砂的純度要求更高，價格也更高。此外，坩堝用石英砂對不同雜質含量都存在要求，如堿金屬雜質含量過高會促使坩堝析晶，使坩堝失透和變形，羥基含量過高會導致坩堝鼓包等。
石英坩堝對高純石英砂純度要求
來源：王向東.光伏直拉單晶對于石英坩堝及石英砂的產業化需求、東亞前海證券研究所
礦源直接影響高純石英砂的產品質量，海外石英砂企業擴產規劃較少。美國西比科、挪威TQC基本依賴美國的斯普魯斯派恩礦床，該礦床屬于花崗偉晶巖（白崗巖），具有儲量大、雜質少、氣泡表現好、礦石品質穩定等優點，但石英含量較低，開采時會伴隨產生大量其他副產品，考慮開采經濟性，海外企業擴產意愿較低。石英股份等國內企業使用印度等地的脈石英礦源，品質穩定性略差，在雜質含量、穩定性等方面尚與進口產品有一定差異，目前大部分國產砂僅可用于坩堝外層，僅石英股份的部分產品可用于坩堝中內層。由于高品質原礦資源稀缺、海外高純石英砂行業擴產積極性不足，高品質內層砂的供應或將面臨更加嚴重的供給缺口。
小結
石英坩堝產品質量直接影響直拉單晶硅的品質和成本，而拉晶工藝升級則對石英坩堝純度、壽命和尺寸提出了更高地要求，進一步激發高端石英坩堝需求。石英砂作為制作石英坩堝的核心原料，其品質水平及成本等級很大程度上決定了石英坩堝的性能及成本，因此，需要從石英礦源篩選、加工等多個方面對高純石英砂品質進行提升，從而提高石英坩堝的品質，以滿足其在光伏直拉單晶制造中的需求。
參考來源：
張大虎等.單晶硅生長用石英坩堝的組成與結構特征
石星宇等.連續拉晶下石英坩堝內氣泡變化規律及晶棒的性能研究
王向東.光伏產業概況及直拉單晶石英制品的需求
王向東.光伏直拉單晶對石英坩堝與石英砂的產業化需求
國金證券.歐晶科技.石英坩堝龍頭，技術領先+供應保障助力成長
東方財富證券.歐晶科技.高端石英坩堝龍頭，十年一劍成長可期
東亞前海證券.石英股份.領跑高端石英領域，量價齊升邁入新階
（中國粉體網編輯整理/初末）
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