中國粉體網訊 11月16日，由中國粉體網主辦的“2023第七屆全國石英大會暨展覽會”在安徽蚌埠成功召開！在本次大會期間，中國粉體網邀請到多位專家做客“對話”欄目進行訪談交流。本期為您分享的是中國粉體網對西南科技大學孫紅娟教授的專訪。
中國粉體網：請問，光伏級坩堝對于高純石英砂的品質要求重點有哪些？什么類型的石英礦適合做坩堝砂？
孫教授：光伏級坩堝是提拉單晶硅所需的硅料容器，因此其需要滿足耐高溫、高純度、具有較高強度等系列指標，這也就要求坩堝的原材料——高純石英具有以下幾大基本要素：
（1）高純度，通常要求SiO2含量達到4N7以上，而且對部分金屬元素的分布也有要求，比如Na、K、Li等堿金屬含量要盡可能的低，不然容易影響石英坩堝的強度。
（2）合理的金屬元素配比，雖然高純石英砂在市場價格上表現得是純度越高，價格越高，但是并非純度越高就一定對石英坩堝制備更加有利，比如根據實驗和理論模擬的研究結論來看，在石英坩堝中的Al元素濃度很低時，石英坩堝的結構強度會隨著Al元素濃度的升高而增強，所以適量的Al元素對于石英坩堝來說反而是有益的。
（3）較少的羥基及氣液包裹體，部分高純石英產品雖然具有較高的純度，元素配比也相對合理，但是很難形成質地均勻的石英坩堝，通常表現為坩堝內有大量尺寸不一的氣泡，較低的結構強度，使用起來容易軟化或破裂。這就是由于其內部含有較多的非金屬元素的雜質，如氣液包裹體（氣體、水等）、有機物（天然形成或制備階段引入）和羥基等。因此對高純石英產品品質的要求不應當僅僅局限于金屬元素的測定，也要考慮多方面的因素。
具體到什么類型的石英原料適合做坩堝砂，目前根據實驗研究和生產現狀來看，脈石英和花崗偉晶巖具有較多的應用，不過實際評價的時候不能完全以礦石類型作為主要劃分依據，還是要從石英結晶性、脈石礦物的嵌布特征、雜質賦存狀態、包裹體種類和含量等多個角度來進行評價，才能獲得一個較為科學的提純潛力判斷。
中國粉體網：與國外相比，國內在坩堝用高純石英砂品質方面存在哪些差距？
孫教授：在化學成分方面，國內和國外的高純石英砂基本可以達到一致的水平，區別主要是體現在除化學成分以外的其他指標，比如美國Sibelco公司產的坩堝用高純石英砂和太平洋石英股份的高純石英砂在粒度、形狀、氣液包裹體含量、結晶程度等方面都有所差異，特別是Sibelco公司產的坩堝用高純石英砂的各項指標都控制得更加穩定，而這些化學成分以外的其他參數的把控，才使得企業更愿意使用其產品作為坩堝用內層砂。因此對于國內高純石英砂制備技術而言，難點不在于制備出高純度的石英砂，而是要制備出高品質且各項指標穩定的高純石英砂，才能真正意義上突破國外坩堝用高純石英砂對高端市場的壟斷。
中國粉體網：石英砂中氣液包裹體的含量對于石英坩堝及拉單晶工藝有什么影響？針對氣液包裹體的有效去除方法有哪些？
孫教授：石英砂中的氣液包裹體組分其實比較復雜，因此根據其類型的不同，對石英坩堝及拉單晶工藝的影響也不相同，常見的影響有以下三類：
（1）氣液包裹體中含有離子鹽溶液，這些離子鹽溶液如果帶入制備石英坩堝的環節，就很容易使得石英坩堝的局部區域雜質元素含量過高，從而導致這一點位出現聚集的雜質顆粒，污染硅料，或者導致這一位置的結構強度低于其他位置，在提拉過程中破裂等。
（2）氣液包裹體中含有水，這些水分在石英坩堝制備過程中會起到和羥基類似的影響，影響坩堝的成型和結構強度，減少坩堝的使用壽命。
（3）氣液包裹體中含有氣體組分，這些氣體組分對石英坩堝的影響過去認為相對較小，主要體現在會影響石英坩堝中氣泡的分布，而且可以通過對石英坩堝制備工藝的調整消除這一影響；但隨著研究和生產應用實踐其中的甲烷氣體在高溫和還原條件下也可能形成碳化物，影響坩堝的性能。
針對氣液包裹體的去除主要還是依靠高溫法或微波法，使其爆裂，但是這些方法只能使得較大的氣液包裹體中的氣液組分逸出，在顯微鏡下依然可以觀測到空腔的存在及較小的氣液包裹體的殘留。
中國粉體網：近些年，越來越多的企業還有高校、科研院所投入大量的資金和人力到高純石英領域中，您如何看待這一現象？
孫教授：出現這一現象主要有如下四個方面的原因：
（1）一是高純石英的用途廣、附加值高：高純石英可廣泛用于高檔玻璃、光學儀器、新能源和芯片等領域，是現代高技術產業的重要基礎材料。
（2）二是國家的雙碳戰略：節能降碳、生態環境保護與可持續發展已成為我國社會和經濟發展的主要策略與關注點，高純石英與新型光伏能源密切相關，太陽能對人類來講可以說是用之不竭的能源，通過光伏產業將太陽能轉化為電能，用于生產、生活各領域，可減少大量化石能源的消耗，進而減少溫室氣體的排放和環境的污染，這對于我國雙碳戰略的實施與人類社會可持發展具有重要的社會和經濟意義。
（3）三是解決卡脖子工程的問題：當前我國光伏產業發展很快，光伏發電裝機容量已躍居世界前列，產品出口量和占有量也很大。但對于支撐光伏產業的原料—高純石英，特別是用于石英坩堝的內層高純石英砂仍主要依賴進口，包括生產高純石英砂的石英礦石原料。因此，高純石英產品和原料是一個潛在的嚴重卡脖子問題，一旦受到封鎖限制，將嚴重影響我國光伏產業的發展根基，打擊我國光伏產業的發展。
（4）四是高純石英不僅用途廣，技術含量高，而且產品的附加值也非常高。從2020年以來，在不到三年的時間里，高純石英砂噸平均價格已由約2萬元增加到42萬元左右，增加了20倍，經濟效益是極為可觀的。
基于以上原因，越來越多的企業還有高校、科研院所投入大量的資金和人力到高純石英領域中，以查明影響高純石英生產的關鍵因素并解決高純石英的原料問題，攻克石英礦石高效提純關鍵技術，并代替進口產品，進而獲得更大的經濟和社會效益。
從當前的市場形勢來看，高純石英砂的價格和市場需求量一直增加，加上高純石英砂作為當前光伏產業發展所需的戰略性非金屬礦產資源，會有大量的企業、高校以及科研院所投入精力到這一領域是很正常的一件事情。
作為科研人員來說，能有更多的企業和科研同仁加入這一行業來，是一件很值得開心的事情，一個領域的蓬勃發展離不開多方力量的共同支持，特別是當一個領域可以吸引不同學科領域之間思想和技術的交流，這就會帶來蓬勃的生命力和創造力，比如使用其他學科的思維和方法來解決傳統礦物加工技術的短板，實現更低成本更高效率的高純石英砂制備。
進一步的，這也使得這一研究領域有機會在科研院所和企業之間進行深度的產學研結合，讓實驗室中成熟的技術可以在與企業合作中，一步一步地推向中試級乃至實際生產當中去，從而解決實際生產存在的一些問題，這才有望真正突破高純石英制備的“卡脖子”技術難題。
（中國粉體網采編/平安）
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