中國粉體網(wǎng)訊 石英坩堝是石英玻璃制品中的細分產(chǎn)品，由高純石英砂通過模具定型，使用電弧熔融法高溫制作而成。石英坩堝具有耐高溫、使用時間長、高純度等特點，主要用于光伏高純單晶硅棒的拉制的輔助性耗材，是單晶硅棒拉制過程中用于盛裝熔融硅液的關鍵性消耗品。近年來，光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，帶動光伏產(chǎn)業(yè)鏈上游的石英坩堝及高純石英砂產(chǎn)業(yè)的快速增長。
石英坩堝的構造分為不透明層、真空透明層及內(nèi)涂層，其中石英坩堝內(nèi)層砂對純度要求高，達4N8（大于99.998%），且對氣液包裹體、晶格雜質、穩(wěn)定性也有較高要求。全球高純石英砂的生產(chǎn)地主要集中在美國、挪威、中國等國家。主要生產(chǎn)企業(yè)包括美國尤尼明、挪威 TQC 和中國石英股份。中國石英礦物資源雖然豐富，但高純石英礦床少且規(guī)模較小，高品質脈石英僅占石英礦資源的0.93%，受制于原材料的限制，國內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)能力受到一定的影響。目前，中外層石英砂的品質要求相對較低，已基本實現(xiàn)國產(chǎn)替代。4N8及以上高端石英砂市場幾乎被國外企業(yè)壟斷，國產(chǎn)高純砂純度和穩(wěn)定性亟待進一步提高。
在此背景下，國內(nèi)石英行業(yè)除積極多渠道尋找礦源，不斷擴張產(chǎn)能，提升提純技術之外，一部分企業(yè)開始布局不同賽道，以高純含硅化合物為原料、采用化學方法制備合成石英砂。目前，合成砂的技術路線包括氣相合成法、液相合成法、氟硅酸法、化學沉淀法、溶膠凝聚法、四氯化硅水解法等。
氟硅酸是磷酸和無水氫氟酸生產(chǎn)的副產(chǎn)品，用以生產(chǎn)氟硅酸鹽、氟化鹽、氟硼酸酸鹽、無水氟化氫、四氟化硅等，現(xiàn)也用多種方式提取二氧化硅。應盛榮等以氟硅酸和液態(tài)氨為原料，氟硅酸經(jīng)過脫色、去雜、脫游離酸、去除無機雜質、過濾等一系列提純過程后，與液氨發(fā)生氨化反應，所得硅膠固體經(jīng)過清洗、分離、干燥后可以制備出高純石英砂。用該石英砂制作的石英坩堝，通過單晶拉制試驗證明高溫狀態(tài)使用壽命達220小時以上，達到進口坩堝水平。
氣相合成法又稱為氣相沉積法或火焰水解法，其工藝路線與白炭黑制備路線相似，即以四氯化硅（SiCl4）或甲基氯硅烷等硅基材料作為原料，在1200-1600℃條件下與氫氣、氧氣混合，發(fā)生水解反應得到霧狀的無定型產(chǎn)品。沉淀法是以硅酸鈉與二氧化碳或酸溶液為原料，在一定的溫度下，得到偏硅酸沉淀，再經(jīng)過過濾、洗滌、高溫煅燒等工藝過程得到SiO2，此工藝路線相對成熟，已有工業(yè)化應用。四氯化硅水解法是指高純原料在液相條件下與純水發(fā)生水解反應，在經(jīng)洗滌、過濾、煅燒等工序得到高純SiO2粉體。
合成石英砂與天然砂在純度、雜質元素含量等方面差別較大。未來，石英坩堝將朝著長壽命、高品質、高溫定性、低成本等方向發(fā)展，坩堝強度需求更高，坩堝抗腐蝕速率、強度、氣泡數(shù)量控制需要進一步優(yōu)化，內(nèi)層石英砂供應緊缺，坩堝成本占整個拉晶成本比例逐步提升，坩堝品質的穩(wěn)定性將極大影響拉晶單產(chǎn)、晶棒品質。而受限于合成成本、設備材質、生產(chǎn)周期、產(chǎn)品穩(wěn)定性等因素，國內(nèi)合成石英砂尚處于研發(fā)階段，合成石英砂在配方、熔制工藝、拉晶熱場將面臨極大的挑戰(zhàn)。
2025年3月27日，由中國粉體網(wǎng)主辦的“2025第三屆集成電路及光伏用高純石英材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會”將在江蘇東海召開，江蘇雙良低碳產(chǎn)業(yè)技術研究院的光伏創(chuàng)新中心主任黃晶晶，將做題為《合成石英砂在光伏級石英坩堝應用進展》的報告，屆時他將詳細介紹光伏石英坩堝對合成砂的需求及合成砂的研究進展情況。
參考來源：
黃晶晶.光伏用石英坩堝技術展望
《光伏單晶硅生長用石英坩堝高純內(nèi)層砂》（征求意見稿）編制說明
銀波.化學法制備高純石英砂工藝與應用研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初末）
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