（报告出品方：中信证券）
高纯石英砂的重要性
石英坩埚质量对硅片生产至关重要
光伏发电的主要原理是半导体的光电效应，光子照射到金属上时，其能量可以被金属 中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属内部引力做功，离开金属表面 成为光电子。硅原子有 4 个外层电子，如果在纯硅中掺入有 5 个外层电子的原子如磷原子， 就成为 N 型半导体；若在纯硅中掺入有 3 个外层电子的原子如硼原子，形成 P 型半导体。 当 P 型和 N 型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到 P-N 结后，空穴由 P 极区往 N 极区移动，电子由 N 极区向 P 极区移动，形成电流。
硅片生产主要包括长晶、晶端切方、切片和测试分选，其中长晶是指在特定环境下， 将硅料生长成硅晶体的过程。直拉法是目前国内大面积使用较多的单晶硅制备技术，又称 切克劳斯基法（Czoalsik：CZ 法），是 1917 年由切克斯基建立的一种晶体生长方法，主 要包括加料→熔化→缩颈生长→放肩生长→等径生长→尾部生长： 加料：将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内，杂质的种类依电阻的 N 或 P 型而 定。杂质种类有硼，磷，锑，砷。 熔化：加完多晶硅原料于石英埚内后，长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩 气使之维持一定压力范围内，然后打开石墨加热器电源，加热至熔化温度（1420℃） 以上，将多晶硅原料熔化。 缩颈生长：当硅熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中。由于籽晶与硅 熔体场接触时的热应力，会使籽晶产生位错，这些位错必须利用缩劲生长使之消 失掉。缩颈生长是将籽晶快速向上提升，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小 （4-6mm）由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能长出晶体 表面，产生零位错的晶体。
放肩生长：长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需 的大小。 等径生长：长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维 持在正负 2mm 之间，这段直径固定的部分即称为等径部分。单晶硅片取自于等 径部分。 尾部生长：在长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么效应力将使 得晶棒出现位错与滑移线。于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢 缩小，直到成一尖点而与液面分开。这一过程称之为尾部生长。长完的晶棒被升 至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。
石英坩埚是影响直拉单晶硅片质量的主要因素。大直径的单晶硅（200mm 以上）基 本都是通过直拉（CZ）法生产的，生长如此大尺寸的硅晶体需要更多的时间和资源，因此， 提高每炉次硅晶体生长成功率是非常重要的。在直拉硅晶体生长过程中，无位错单晶生长 失败会造成很大的资源和时间损失。无位错单品生长失败有多种原因，在目前直拉硅单晶 炉及其热场设计都很成熟的条件下，与硅熔体直接接触的石英坩埚的纯度及其生长时释放 的微小方石英颗粒被普遍认为是导致大直径无位错直拉晶体生长失败的主要原因之一。
（1）变形对拉晶的影响： 石英坩埚变形后，在拉晶过程中随着埚位的上升，石英坩埚变形的凸出部分将碰 撞到导流筒，轻则影响正常拉晶，严重时将无法拉晶； 溶料中发生挂边造成的石英坩埚变形，坩埚上口向内凸出过多，当溶完料埚位上 升到正常引晶位置时，已碰撞到导流筒，这将直接导致不能拉晶的严重后果；溶料中发生鼓包且鼓包较大时，在拉晶过程中随着液位的下降，鼓包会渐渐露出 液面，这时已经拉出的晶棒会碰擦鼓包，如不及时停炉会发生晶棒跌落的情况。
（2）析晶对拉晶的影响： 石英坩埚内壁发生析晶时有可能破坏坩埚内壁原有的涂层，导致涂层下面的气泡 层和熔硅发生反应，造成部分颗粒状氧化硅进入熔硅内，使得正在生长中的晶体 结构发生变异而无法长晶； 析晶将减薄石英坩埚原有的厚度，降低了坩埚的强度容易引起石英坩埚的变形。
光伏石英坩埚为半透明状，有内外两层结构，外层是高气泡密度的区域，称为气泡复 合层；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。 坩埚最内层是指透明层中最靠近内表面 1-2mm 的部分，坩埚对硅液起作用的机理— —由于与硅液接触的内表面不断向硅液中熔解，并且伴随着透明层中的微气泡不断长大， 靠近最内表面的气泡破裂，伴随着硅液释放石英微颗粒以及微气泡。而这些杂质会以微颗 粒以及微气泡的形式伴随着硅液流遍整个硅熔体，直接影响到硅的成晶（整棒率、成晶率、 加热时间、直接加工成本等）以及单晶硅的质量（穿孔片、黑芯片等）。
石英坩埚质量的核心在于原材料高纯石英砂
石英坩埚的几何尺寸和外观是生产工艺确定的，但纯度是由原材料石英砂决定的，石 英坩埚用的高纯石英砂原料要求主要在于纯度、气液包裹体、粒度分布、一致性，杂质成 分高会影响坩埚的耐温性，还会出现气泡、色斑、脱皮等现象，严重影响石英坩埚的质量。 纯度：杂质含量高会导致坩埚破裂及影响单晶生长：石英坩埚在高于 1000℃以上使 用过程中（拉晶温度在 1430℃-1500℃），外表面 SiO2 分子振动加速，如果杂质含量高，钠、钾、锂、钙等元素会导致析晶，一旦析晶，跟周围液态玻璃性质不一样，包括热膨胀 系数、机械强度。随着使用时间的加长，析晶层越来越厚，如果析晶层达到一定厚度，则 石英坩埚随之破裂。析晶主要出现在石英坩埚内外表面，原因是内外表面容易沾污，引起 杂质离子的局部集聚，特别是碱离子，如 K、Na、Li、Ca、Mg 等，高温后引起粘度降低， 促使失透加速，形成析晶。
当硅液不断腐蚀石英坩埚，坩埚内层的杂质会进入硅液，进而进入到晶棒中，这会降 低少子寿命，从而影响电池发电效率。尤其 N 型晶棒对杂质更为敏感，所以纯度尤为重要。 杂质进入到硅液有两种方式，一种是通过硅液腐蚀，一种是通过扩散，石英砂里的杂质可 以迁移，如果外层杂质较多，在 300~400h 的拉晶中，外层砂的杂质也会有足够的时间迁 移到内层，进入到硅液，因此坩埚外层砂质量也有一定要求。 因此考虑到杂质元素对单晶性能和成品率构成直接的影响，根据中国电子材料行业协 会 2018 年发布制定的《光伏单晶硅生长用石英坩埚》，要求锂、钠、钾三种元素之和不大 于 2 微克每克，同时内层砂杂质含量要求比内层低。另外，杂质元素中对铝的含量不能过 低，如果碱金属含量/铝含量比值越高，石英粘度越低，也意味着坩埚的熔点越低。
气液包裹体：气泡较多易导致拉晶成晶率降低。目前长寿命坩埚主要表现在坩埚透明 层微气泡含量的控制，气泡（气液包裹体）主要由结晶水和气组成，气的成分主要有 CO2、 H2O、H2O2、N2、CH4、CO。拉晶成晶率最大的杀手是硅液里面混入其他颗粒，如果坩 埚内层的微气泡比较多，拉晶高温下就会膨胀，把内层拱破，颗粒就进入硅液当中，造成 硅棒断棱，影响拉晶成晶率；同时，气体进入硅液形成后期的硅片孔片导致报废。 石英由于其晶体生长的环境及机理不同，石英中气液包裹体在数量、分布和成分组成 上也会存在较大的差异。石英中包裹体有原生、假次生、次生三种不同类型，由于这三种 包裹体性质的差异，目前的选矿提纯工艺对这三种类型的包裹体的去除效果也有较大差别。原生包裹体是伴随着石英晶体的生长而形成的，存在于石英晶体的结晶面，所以 原生包裹体很难被现有提纯工艺去除。 次生包裹体相对来说较容易去除，因为次生包裹体是石英晶体结晶完成后形成的 且主要分布在石英颗粒的裂缝愈合部位。
微气泡形成方式有三种，一个是石英颗粒缝隙之间的空气；一个是石英中的气液包裹 体；一个是羟基在高温下结合成水。如果坩埚融制工艺比较好，可以把石英缝隙间的空气 抽出来，但如果石英本身的气液包裹体和羟基含量比较高，由于这些包裹体通常位于石英 晶体内部，且其体积大部分都较小(微米级)，那么融制工艺较难取得非常好的效果。当前 石英砂中气液包裹体的去除方法主要有以下几种：
高温氯化脱气法：将石英砂加热到 1000~1200℃并在高温的条件下通入 Cl2 和 HCl 气体，这种方法是利用在高温条件下 Cl2 和杂质离子发生反应，反应生成的 气态盐类可以从石英晶体微裂纹处排出达到提纯的效果，这种方法对石英中的羟 基有一定去除效果。美国尤尼明公司在 2006 年利用高温氯化脱气法制备的高纯 石英砂对气液包裹体的去除效果明显，其 IOTA 系列高纯石英砂质量在全球处于 绝对领先水平。 差异腐蚀法：在酸或碱的腐蚀下，利用石英晶体与气液包裹体有着不同的腐蚀速 率达到去除气液包裹体的目的。这种处理工艺能有效的去除石英矿中气液包裹体， 有的可以接近四级水晶的气液包裹体含量标准，但是当石英中气液包裹体去除到 一定程度后继续增加差异强度，去除效果不再明显。
热或冷爆裂法：当石英处于高温的条件下，石英基体与其中的气液包裹体界面产 生极大的压力差使得气液包裹体爆裂，再经过清洗工艺可以达到去除气液包裹体 的效果。高温下由于石英发生相转变可使得石英中气液包裹体爆裂，爆裂后再经 酸洗工艺可以有效去除气液包裹体。在极冷的条件下，石英中气液包裹体的去除 效果与气液包裹体自身的形状和大小有关系，一部分较大的气液包裹体容易爆裂 从而去除，但是难以去除微小气液包裹体。 机械破碎法：石英中的气液包裹体的大小约为 1-50μm 之间，理论上只要石英矿 被破碎的足够细就能去除夹杂在石英基体裂隙之间的大部分气液包裹体。高科技 破碎方式(如高压电破碎)更容易去除石英裂隙中的气液包裹体。
微波法：利用微波选择性加热特性去除石英矿中气液包裹体。微波是一种交变电 磁波，具有独特的选择性加热、体积加热、加热效率高以及可将高介电常数物质 在几分钟内加热几千度等特点。这些特征对去除介电常数有差异的杂质有独特优 势。 目前，通过使用低气泡密度的高纯度石英砂作为石英坩埚的内层，可有效减少内表面 气泡破裂现象，为长时间拉晶（如多次复投料）提供保障。
粒度分布：又细又窄的颗粒分布是更好的。不同类型的石英原料的嵌布粒度特征存在 明显的差异，这与矿床成因密切相关。如脉石英的嵌布粒度主要受成矿环境制约和岩浆活 动影响，常常共生有白云母等铝硅酸盐矿物，这些矿物的嵌布粒度大小直接影响石英的单 体解离度，当粉碎颗粒粒度小于后期石英脉宽时，脉石矿物才能从连生体中解离出来。石 英受成岩作用和变质作用改造强度越大，与其他矿物的嵌布粒度差异越明显，与白云母等 脉石矿物的连生体类型也渐由毗邻型变为缝状、甚至包裹型，越不容易解离。 对于石英砂颗粒度而言，窄的颗粒大小接近于彼此，细的颗粒可以快速融化，更细的 颗粒度也意味着彼此之间更小的缝隙，所以缝隙中空气形成的微气泡也更小，那么他们在 拉晶过程中就需要更长的时间才能长大到拱破内表面的程度，因此也就更不容易产生异物 颗粒进入到硅液。
一致性：高纯石英砂的一致性决定了拉晶工艺路线的稳定。在坩埚使用之前，不敲碎 的话无法知道好坏，所以只能依赖坩埚供应商品质稳定性来保障拉晶工艺的稳定。如果一 个石英矿储量不是很大，或者矿体内的品质变化差异较大，则生产出的石英砂品质就不会 很一致。 单个石英矿仅仅是储量大和品质一致还不够，还要适合加工。因为两个石英砂样本在 普通显微镜可能看起来差不多，但在偏光镜下，脉石英矿可以看到很多微小的石英晶体， 美国的石英晶体是比较大的一块，杂质都存在于一颗晶体的外面，在加工的时候，通过酸 洗、磁选去杂质比较容易；如果石英砂里面有很多微小的晶体，交界处会有不少杂质、包 裹体是不容易洗出来的。
高纯石英砂的稀缺性
生产高纯石英砂需要同时具备较高的矿石质量和先进的生产设备及工艺。目前全球能 够规模化量产供应高纯度石英砂企业包括美国尤尼明 Unimin、挪威 TQC、石英股份等。 其中，美国尤尼明和挪威 TQC 具备高纯石英砂供给能力主要源自其矿源，两家公司 共同开采 Spruce Pine 石英矿，该矿床位于阿巴拉契亚山系的蓝岭构造区，分布在斯普鲁 斯派恩深成岩系的花岗伟晶岩带中，为白岗岩型高纯石英矿，由泥盆纪 3.8 亿年前花岗质 岩浆侵入前寒武纪 Ashe 组的云母和角闪石片麻岩、片岩中缓慢结晶而成矿。矿石的主要 造岩矿物为斜长石、钾长石、石英、白云母，几乎不含镁铁质矿物，石英的杂质元素含量 极低。 尤尼明公司自 1970 年起即在该矿区采矿，所拥有的矿区原料中铝含量较高，能够增 强坩埚的粘度，同时碱金属元素含量较低，微气泡含量比脉石英含量低，石英砂一致性也 较好，因此公司能生产出更高纯度的石英 IOTA-4/6/8，并建立了超纯石英的 IOTA 标准， 一度垄断了世界高纯石英砂市场。
挪威 TQC 跟尤尼明开采同一个矿区，公司通过高温氯化等提纯技术，气液包裹体更 少，同时氯化后的碱金属更低，铝含量却不变，意味着石英砂的粘度更高，石英坩埚的强 度更高，可以抑制微气泡的生长。
但对于全球其他区域的脉石英矿而言，由于杂质含量存在差异，同时单体矿床规模小， 对企业的提纯技术提出更高的要求，企业需要积累不同的提纯技术来应对品质不同的矿源。 同时，不同矿源的颗粒度和一致性差异较大，对坩埚的质量提出一定的挑战，需要靠后期 的提纯技术来改善不同矿源的颗粒度及一致性差异。 另外，石英砂中的部分杂质含量或许可以通过酸洗、磁选等方式降低，但如果石英砂 里面存在较多微小的晶体，则晶体之间交界处会存在不少杂质、包裹体，会增加提纯的难 度、成本。另外，如果石英砂晶体里面天生存在一定的气液包裹体，后期的提纯技术较难 去除这类型气泡。因此，石英矿资源的天生品质也较为关键。 如果矿源品质和提纯技术无法同时满足要求，那么生产出来的石英砂就会导致石英坩 埚寿命下降 50~100h，如果发生漏硅现象则会导致整个热场系统受损，甚至导致生产事故。
综合而言，满足光伏坩埚使用的高纯石英砂资源具备一定的稀缺性。一方面，由于光 伏拉单晶使用石英坩埚是因为它在高温下机械强度高，且不污染硅液，而石英坩埚对高纯 石英砂的纯度、气液包裹体、粒度分布、一致性等方面要求较高，后期的提纯工艺对石英 砂中的气液包裹体去除难度较大，杂质含量高会相应提高提纯成本及提纯难度，石英砂的 不一致也会影响拉晶工艺的稳定性，因此光伏坩埚使用的高纯石英砂门槛较高，需要同时 满足矿源品质及提纯工艺方面的要求，供给端存在一定的稀缺性。
另一方面，中小企业受限于矿源的保障、提纯工艺技术的积累、资金等因素，较难出 现大规模的扩产现象，即使小规模扩产也较难在质量上满足内层砂的要求，用在外层砂上 的质量跟头部企业也存在一定的质量差距。另外，当前合成石英技术普遍成本较高，虽然 纯度较高，但铝含量较低，导致合成石英做成的坩埚熔点较低，从而合成石英较难替代天 然石英砂的成本低、熔点高等优势，即使技术快速进步，当前合成石英产能规模也较小。 从作为中环股份旗下坩埚核心供应商的欧晶科技来说，近三年来高纯石英砂采购主要 来自于北京雅博（进口砂）及石英股份，其他企业的采购量只有 200 吨左右，占自身采购 额的 5%左右，一方面说明行业中小企业产销规模普遍偏小，另一方面说明中小企业的产 品质量跟头部企业存在一定差距，并未获得下游头部企业认可，也较难应用在内层砂领域。
预计高纯石英砂具备进一步涨价空间
下游客户倾向于使用质量更优的高纯石英砂
硅片成本主要由硅料与非硅成本构成，硅料成本为主要成本，非硅成本为次要成本。 根据欧晶科技招股说明书，石英坩埚一旦出现问题，造成的损失重大：
在拉晶环节，倘若石英坩埚出现质量问题，会造成单根单晶硅棒报废，直接损失 在 5 万元以上，一只坩埚可拉制 8 根左右硅棒，还将造成其他本批次非硅成本的 上升，如出现漏硅，将影响热场，造成的损失更为巨大，远高于单价不足 0.3 万 元的石英坩埚。
因此，考虑到高纯石英砂（即石英坩埚）占下游硅片的成本占比只有 1%左右，石英 砂涨价对下游成本影响较小，在优先保障生产安全质量的考量下，下游企业倾向于尽可能 使用质量较优的高纯石英砂。
2023 年供需缺口或进一步放大
综合考虑下游装机、硅片大尺寸化、N 型电池、石英砂品质等因素，我们对 2022~2024 年高纯石英砂的需求测算如下，预计随着后续硅料逐步释放，而高纯石英砂供给增量有限， 2023 年供需缺口或进一步放大。 随着欧洲能源危机加快海外需求释放，以及硅料投产，根据中信证券电信组的预 测，预计 2022~2024 年全球新增光伏装机量分别为 245/330/430GW。考虑到大尺寸硅片可有效降低产业链制造成本，提高组件单串功率，降低非硅成 本和光伏系统 BOS 成本，发展趋势明确，我们预计 36 寸坩埚按产出占比 2022~2024 年分别为 60%/70%/80%。 考虑到 N 型电池发电效率更高，拥有低衰减、高双面率、低温度系数等优点，提 升组件发电增益，N 型电池发展趋势明确，我们预计 N 型电池占比 2022~2024 年分别为 15%/25%/40%，且 N 型电池由于对坩埚的纯度要求更高，N 型电池寿 命比 P 型电池寿命下降 50~100 小时。 高纯石英砂资源受限，海外增量有限的情况下，国产砂占比持续提升，但国产砂 质量相比海外有一定差距，从而导致石英坩埚的寿命下降、更换频率加快。
分季度来看，我们以高纯砂为代表的供给和以硅料产能为代表的需求对比来看，预计 高纯石英砂供需缺口从 2022 年四季度到 2023 年基本上是逐季放大的，即高纯石英砂供需 基本会一直维持偏紧的状态，价格维持上涨的态势。
下游竞争加剧，增大高纯石英砂价格弹性
在全球光伏政策支持下，硅片企业纷纷大幅扩产，我们统计单晶硅片行业 Top15 企业 2021 年底总产能约 360GW，预计 2022 年底名义产能将达 590GW 左右。从名义产能角 度来看，头部企业隆基、中环的产能市占率有所下降，意味着需求端竞争格局有所分散， 而供给端在资源受限的情况下维持高集中度，因此高纯石英砂的定价权将有所增强，价格 弹性或进一步放大。
石英股份：有望跻身全球光伏高纯石英砂规模最大企业
提纯技术进步下，公司产销规模快速增长
目前美国 Spruce Pine 拥有独特的白岗岩型高纯石英原料矿，尤尼明公司也因此垄断 了 IOTA 超纯石英的生产和销售，其他国家尚未发现类似的矿床，全球其他矿源主要以脉 石英矿为主。 近年来，石英股份通过针对不同矿源的提纯技术的积累进步，叠加匹配印度、巴西、 南非、中国等各地合适的矿源，生产出满足下游光伏企业要求的高纯石英砂，该类产品具 有超低碱金属含量，可以实现不同铝含量的化学品质，纯度高，无色点，具有独特的抗析 晶能力和优良的耐高温性能。公司也成为全球第三家规模化量产的企业。 公司光伏高纯砂产品钾、钙、铁等杂质元素含量已明显低于《光伏单晶硅生长用石英 坩埚》所要求的标准；石英砂的钙、铜、镍等元素含量已降低至与尤尼明差不多水平，甚 至部分产品杂质含量更低、质量更优。
得益于提纯技术积累及矿源储备，公司光伏高纯砂产品质量不断获得下游认可，其中 根据欧晶科技的招股说明书，2021 年，欧晶科技从石英股份采购高纯石英砂 5792 万元， 占石英股份光伏高纯砂销售额的 20%左右，按销量口径测算我们估计同比大幅增长 230%， 但欧晶科技针对海外石英砂采购量却有所减少，显示欧晶科技在高纯砂方面的国产替代有 所加速，体现了下游企业对石英股份高纯石英砂产品质量的认可。
在下游光伏需求持续增长背景下，叠加自身提纯技术及矿源的储备，公司光伏高纯砂 产销规模持续大幅增长。在收购强邦石英及新投产 2 万吨项目的贡献下，预计 2022 年公 司产销规模将超越海外尤尼明及 TQC，成为全球产销规模最大企业。2023 年在新建 6 万 吨项目投产的贡献下，公司产销规模有望进一步增长。
内层砂渗透率快速提升
在原材料高纯石英砂的产品品质方面，目前尤尼明/TQC 为第一梯队，产品质量最优， 高纯砂主要应用在坩埚内层为主；而石英股份受益于自身提纯技术进步及储备品质不错的 矿源成为第二梯队，国内其他小企业为第三梯队，石英砂质量偏次且以外层为主、售价也 偏低。
由于海外产能满产及下游需求不断增长，石英坩埚内层砂缺口不断扩大。石英股份高 纯石英砂产品质量与海外不断缩小差距，石英股份内层砂的产销量 2021 年以来快速提升。 在上文需求测算的基础上，我们假设石英坩埚 40%为内层砂，预计 2022~2023 年全球内 层砂总需求分别为 3.3/4.8 万吨，剔除掉尤尼明及 TQC 内层份额，预计内层砂的缺口分别 为 0.7/2.0 万吨左右，石英股份有望因此受益，内层砂销量占比持续提升。
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
详见报告原文。
精选报告来源：【未来智库】