中國粉體網(wǎng)訊 11月16日,由中國粉體網(wǎng)主辦的“2023第七屆全國石英大會(huì)暨展覽會(huì)”在安徽蚌埠成功召開!在本次大會(huì)期間,中國粉體網(wǎng)邀請(qǐng)到多位專家做客“對(duì)話”欄目進(jìn)行訪談交流。本期為您分享的是中國粉體網(wǎng)對(duì)西南科技大學(xué)孫紅娟教授的專訪。
中國粉體網(wǎng):請(qǐng)問,光伏級(jí)坩堝對(duì)于高純石英砂的品質(zhì)要求重點(diǎn)有哪些?什么類型的石英礦適合做坩堝砂?
孫教授:光伏級(jí)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(qiáng)度等系列指標(biāo),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(dá)到4N7以上,而且對(duì)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(qiáng)度。
(2)合理的金屬元素配比,雖然高純石英砂在市場(chǎng)價(jià)格上表現(xiàn)得是純度越高,價(jià)格越高,但是并非純度越高就一定對(duì)石英坩堝制備更加有利,比如根據(jù)實(shí)驗(yàn)和理論模擬的研究結(jié)論來看,在石英坩堝中的Al元素濃度很低時(shí),石英坩堝的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)隨著Al元素濃度的升高而增強(qiáng),所以適量的Al元素對(duì)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(chǎn)品雖然具有較高的純度,元素配比也相對(duì)合理,但是很難形成質(zhì)地均勻的石英坩堝,通常表現(xiàn)為坩堝內(nèi)有大量尺寸不一的氣泡,較低的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,使用起來容易軟化或破裂。這就是由于其內(nèi)部含有較多的非金屬元素的雜質(zhì),如氣液包裹體(氣體、水等)、有機(jī)物(天然形成或制備階段引入)和羥基等。因此對(duì)高純石英產(chǎn)品品質(zhì)的要求不應(yīng)當(dāng)僅僅局限于金屬元素的測(cè)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(jù)實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀來看,脈石英和花崗偉晶巖具有較多的應(yīng)用,不過實(shí)際評(píng)價(jià)的時(shí)候不能完全以礦石類型作為主要?jiǎng)澐忠罁?jù),還是要從石英結(jié)晶性、脈石礦物的嵌布特征、雜質(zhì)賦存狀態(tài)、包裹體種類和含量等多個(gè)角度來進(jìn)行評(píng)價(jià),才能獲得一個(gè)較為科學(xué)的提純潛力判斷。
中國粉體網(wǎng):與國外相比,國內(nèi)在坩堝用高純石英砂品質(zhì)方面存在哪些差距?
孫教授:在化學(xué)成分方面,國內(nèi)和國外的高純石英砂基本可以達(dá)到一致的水平,區(qū)別主要是體現(xiàn)在除化學(xué)成分以外的其他指標(biāo),比如美國Sibelco公司產(chǎn)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(jié)晶程度等方面都有所差異,特別是Sibelco公司產(chǎn)的坩堝用高純石英砂的各項(xiàng)指標(biāo)都控制得更加穩(wěn)定,而這些化學(xué)成分以外的其他參數(shù)的把控,才使得企業(yè)更愿意使用其產(chǎn)品作為坩堝用內(nèi)層砂。因此對(duì)于國內(nèi)高純石英砂制備技術(shù)而言,難點(diǎn)不在于制備出高純度的石英砂,而是要制備出高品質(zhì)且各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)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(duì)高端市場(chǎng)的壟斷。
中國粉體網(wǎng):石英砂中氣液包裹體的含量對(duì)于石英坩堝及拉單晶工藝有什么影響?針對(duì)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(shí)比較復(fù)雜,因此根據(jù)其類型的不同,對(duì)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(huán)節(jié),就很容易使得石英坩堝的局部區(qū)域雜質(zhì)元素含量過高,從而導(dǎo)致這一點(diǎn)位出現(xiàn)聚集的雜質(zhì)顆粒,污染硅料,或者導(dǎo)致這一位置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(huì)起到和羥基類似的影響,影響坩堝的成型和結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(duì)石英坩堝的影響過去認(rèn)為相對(duì)較小,主要體現(xiàn)在會(huì)影響石英坩堝中氣泡的分布,而且可以通過對(duì)石英坩堝制備工藝的調(diào)整消除這一影響;但隨著研究和生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)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(duì)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(cè)到空腔的存在及較小的氣液包裹體的殘留。
中國粉體網(wǎng):近些年,越來越多的企業(yè)還有高校、科研院所投入大量的資金和人力到高純石英領(lǐng)域中,您如何看待這一現(xiàn)象?
孫教授:出現(xiàn)這一現(xiàn)象主要有如下四個(gè)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(xué)儀器、新能源和芯片等領(lǐng)域,是現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)材料。
(2)二是國家的雙碳戰(zhàn)略:節(jié)能降碳、生態(tài)環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展已成為我國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要策略與關(guān)注點(diǎn),高純石英與新型光伏能源密切相關(guān),太陽能對(duì)人類來講可以說是用之不竭的能源,通過光伏產(chǎn)業(yè)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,用于生產(chǎn)、生活各領(lǐng)域,可減少大量化石能源的消耗,進(jìn)而減少溫室氣體的排放和環(huán)境的污染,這對(duì)于我國雙碳戰(zhàn)略的實(shí)施與人類社會(huì)可持發(fā)展具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。
(3)三是解決卡脖子工程的問題:當(dāng)前我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快,光伏發(fā)電裝機(jī)容量已躍居世界前列,產(chǎn)品出口量和占有量也很大。但對(duì)于支撐光伏產(chǎn)業(yè)的原料—高純石英,特別是用于石英坩堝的內(nèi)層高純石英砂仍主要依賴進(jìn)口,包括生產(chǎn)高純石英砂的石英礦石原料。因此,高純石英產(chǎn)品和原料是一個(gè)潛在的嚴(yán)重卡脖子問題,一旦受到封鎖限制,將嚴(yán)重影響我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展根基,打擊我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
(4)四是高純石英不僅用途廣,技術(shù)含量高,而且產(chǎn)品的附加值也非常高。從2020年以來,在不到三年的時(shí)間里,高純石英砂噸平均價(jià)格已由約2萬元增加到42萬元左右,增加了20倍,經(jīng)濟(jì)效益是極為可觀的。
基于以上原因,越來越多的企業(yè)還有高校、科研院所投入大量的資金和人力到高純石英領(lǐng)域中,以查明影響高純石英生產(chǎn)的關(guān)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(guān)鍵技術(shù),并代替進(jìn)口產(chǎn)品,進(jìn)而獲得更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
從當(dāng)前的市場(chǎng)形勢(shì)來看,高純石英砂的價(jià)格和市場(chǎng)需求量一直增加,加上高純石英砂作為當(dāng)前光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的戰(zhàn)略性非金屬礦產(chǎn)資源,會(huì)有大量的企業(yè)、高校以及科研院所投入精力到這一領(lǐng)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(yè)和科研同仁加入這一行業(yè)來,是一件很值得開心的事情,一個(gè)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展離不開多方力量的共同支持,特別是當(dāng)一個(gè)領(lǐng)域可以吸引不同學(xué)科領(lǐng)域之間思想和技術(shù)的交流,這就會(huì)帶來蓬勃的生命力和創(chuàng)造力,比如使用其他學(xué)科的思維和方法來解決傳統(tǒng)礦物加工技術(shù)的短板,實(shí)現(xiàn)更低成本更高效率的高純石英砂制備。
進(jìn)一步的,這也使得這一研究領(lǐng)域有機(jī)會(huì)在科研院所和企業(yè)之間進(jìn)行深度的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合,讓實(shí)驗(yàn)室中成熟的技術(shù)可以在與企業(yè)合作中,一步一步地推向中試級(jí)乃至實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中去,從而解決實(shí)際生產(chǎn)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(shù)難題。
(中國粉體網(wǎng)采編/平安)
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