中國粉體網(wǎng)訊  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”在江蘇東海成功召開！在本次大會現(xiàn)場，中國粉體網(wǎng)記者有幸邀請到宜賓學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院袁小武博士做客我們的“對話”欄目。

宜賓學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院袁小武博士

中國粉體網(wǎng)：袁博士您好，據(jù)了解，您在新能源材料領(lǐng)域研究成果頗豐，其中高純石英砂技術(shù)也是您的研究方向之一。對于制備5N2及以上純度的高純石英砂，從您的專業(yè)視角看，核心的技術(shù)難點(diǎn)集中在哪些方面？

袁博士：其實(shí)在高純石英砂中不應(yīng)該叫5N2以上應(yīng)該叫4N8以上，4N8其實(shí)是個分水嶺，它相當(dāng)于工業(yè)硅或者說是物理法熔煉硅，它的極限是到6N以下（接近6N）。實(shí)際上我們國內(nèi)傳統(tǒng)石英砂技術(shù)的極限基本上4N5，然后純度再高那就是礦好。

我實(shí)際上是95年開始做單晶硅的生長的，在這個領(lǐng)域里，我深刻領(lǐng)會到坩堝質(zhì)量好壞對單晶硅生長造成的影響。就坩堝用石英砂而言，存在兩個相互矛盾的關(guān)鍵問題。一方面，要求包裹體小、雜質(zhì)少；另一方面，按傳統(tǒng)技術(shù)，將石英礦粉碎至30μm以下時，包裹體尺寸和密度能達(dá)到預(yù)期，可粒徑卻難以滿足要求。

內(nèi)層的石英砂實(shí)際上更偏向于110-120μm范圍內(nèi)，所以說進(jìn)口的矽比科或者說是挪威TQC的產(chǎn)品主要以120μm為正態(tài)分布，其中90%以上是在100-150μm的范圍內(nèi)，因此，若要涉足該領(lǐng)域，就必須要注意怎樣來破解粒徑尺寸和包裹體尺寸以及包裹體密度的矛盾。

在這種情況下，業(yè)界現(xiàn)在采取了很多辦法。包括去年，工信部給中建材的年產(chǎn)50噸的中試線，三年內(nèi)量產(chǎn)15噸的重大專項，實(shí)際上也是為了針對這個問題。但是這個問題目前難度很大。

中國粉體網(wǎng)：原料的品質(zhì)對高純石英砂的最終純度具有重大影響。以您的研究經(jīng)驗，適合生產(chǎn)5N2及以上高純石英砂的原料應(yīng)具備哪些關(guān)鍵特性？

袁博士：我的看法是，我們目前國內(nèi)用于高純石英砂原料其實(shí)3N5以上已經(jīng)足夠了，問題在于，我們目前的提純技術(shù)還達(dá)不到。因為光伏和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，我們的主材料是晶硅，晶硅最初的原材料也是石英砂，它的純度只是95%-98%就可以了。晶硅為什么可以達(dá)到9個9甚至11個9，而高純石英砂卻難以達(dá)到這一純度標(biāo)準(zhǔn)，原因并非原材料本身純度不足，而是我們的技術(shù)水平受限�；叵胛以谝痪�從事生產(chǎn)工作時，國內(nèi)晶硅純度僅能達(dá)到9個9，現(xiàn)在已經(jīng)可以達(dá)到11個9了，這就是我們的技術(shù)的進(jìn)步。

因此我認(rèn)為，原材料的尋找并不是迫在眉睫的事情，迫在眉睫的事情應(yīng)該是我們技術(shù)的進(jìn)步。

中國粉體網(wǎng)：您在過往研究中，主持或參與了多項與高純材料相關(guān)的項目。在這些項目里，針對4N8及以上高純石英砂，采取了哪些創(chuàng)新的工藝或方法？與傳統(tǒng)工藝相比，有哪些顯著優(yōu)勢，實(shí)際生產(chǎn)效果如何？

袁博士：與傳統(tǒng)工藝相比，我們新增了水熱化學(xué)合成環(huán)節(jié)，利用這一技術(shù)將粒徑較小的粉體變大。目前，這項技術(shù)已經(jīng)取得成果，相關(guān)情況我會在報告的PPT中展示。此前，我向浙江美晶新材料有限公司送樣100公斤。美晶是晶盛機(jī)電旗下子公司，專注于半導(dǎo)體坩堝生產(chǎn)。同時，我們還以協(xié)作企業(yè)的名義，向菲利華送樣100公斤。美晶的樣品由我外協(xié)企業(yè)直接送達(dá)。

不過，我們在技術(shù)應(yīng)用過程中仍面臨兩個問題：一是堿金屬含量的控制問題；二是許多外協(xié)廠家在生產(chǎn)過程中存在酸堿使用不當(dāng)?shù)膯栴}。如今，粉體行業(yè)普遍避免使用酸堿，這與生產(chǎn)高純石英砂的要求相矛盾。過去幾年，我走訪了近十家傳統(tǒng)石英砂企業(yè)，發(fā)現(xiàn)他們大多采用干法生產(chǎn)，研磨后僅進(jìn)行水洗。在這種情況下，石英砂表面的金屬雜質(zhì)很難被徹底去除。部分企業(yè)采用酸浸、浮選、磁選等工藝，但是由于很多雜質(zhì)處于晶格內(nèi)部，這些打破鍵能的難度較大，因而提純的效率較低。

中國粉體網(wǎng)：您剛才所提到的水熱化學(xué)合成法，它用的原料是天然的高純石英嗎？還是一些含硅的化合物？

袁博士：我們以天然石英礦作為原材料，對天然石英砂開展一系列處理。通過前期處理，將3N5純度的礦提升到4N2。在此基礎(chǔ)上，借助水熱化學(xué)合成技術(shù)，進(jìn)一步把純度提升至5N2。

中國粉體網(wǎng)：從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度看，隨著光伏、半導(dǎo)體等行業(yè)對4N8及以上高純石英砂需求的持續(xù)增長，您預(yù)測未來該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢會是怎樣的？在工藝優(yōu)化、設(shè)備升級等方面，可能會出現(xiàn)哪些新突破？

袁博士：我目前正處于實(shí)驗和研發(fā)機(jī)構(gòu)籌建階段，這是一家新型民辦研發(fā)機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)聚焦于光伏和半導(dǎo)體晶硅用坩堝的高純石英砂領(lǐng)域，力求實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。為此，計劃搭建一條小型生產(chǎn)線或?qū)嶒炑b置，對裝置的等級要求較高。

當(dāng)下，我正在與宜賓高新區(qū)方面進(jìn)行協(xié)調(diào)，他們已同意提供場地。不過，由于我正在申報的一些國家項目尚未獲批，暫時無法和高新區(qū)方面確定所需場地的具體面積。

基于目前的研究以及外協(xié)成果，我們計劃將水熱化學(xué)合成技術(shù)作為核心，同時結(jié)合傳統(tǒng)石英砂制造工藝，打造一套集成創(chuàng)新技術(shù)體系。具體來說，把傳統(tǒng)石英砂技術(shù)與其他產(chǎn)業(yè)中已成熟的技術(shù)相互匹配，開辟一條全新的技術(shù)路線。這條路線并非單純追求成本最低，而是致力于充分滿足高純石英坩堝對高純石英砂的特定需求，確保在技術(shù)適配性上達(dá)到最優(yōu)。

中國粉體網(wǎng)：相較于國際先進(jìn)技術(shù)，我國在4N8及以上高純石英砂技術(shù)研究方面，目前的差距主要體現(xiàn)在哪些方面？我們該如何縮小這些差距，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的彎道超車？

袁博士：在材料研究領(lǐng)域，材料四要素是我們做材料研究的重要理論依據(jù)。材料的組成決定其構(gòu)成方式，構(gòu)成又決定材料性質(zhì)，而性質(zhì)最終決定材料的用途。常規(guī)的材料研發(fā)，往往遵循這一邏輯展開。然而，當(dāng)面對國家或行業(yè)的特定痛點(diǎn)時，我們也可以反向推導(dǎo)——從應(yīng)用領(lǐng)域出發(fā)，倒推所需材料的組成。

就拿高純石英砂來說，最初，高純石英砂主要應(yīng)用于其他領(lǐng)域。在我從事拉單晶工作的那幾年，石英坩堝對高純石英砂的用量極少，每年僅幾十噸。由于用量小，當(dāng)時石英砂價格也不算貴，大概幾萬美元一噸，所以沒多少人專門去研究它，需要時直接進(jìn)口即可。

2003年，光伏行業(yè)興起，此后歷經(jīng)起伏。直到2022年底至2023年初，高純石英砂價格突然飆升。一方面，光伏產(chǎn)業(yè)爆發(fā)式增長，達(dá)到了一個臨界點(diǎn)；另一方面，中美科技脫鉤，導(dǎo)致國內(nèi)難以從矽比科（原尤尼明）進(jìn)口內(nèi)層砂原料。當(dāng)前，國內(nèi)矽比科的原料，基本被隆基、TCL中環(huán)等大廠，以及美晶等大型坩堝企業(yè)，通過長單鎖定。

如今，高純石英砂價格相對較低，這與長單模式密切相關(guān)。盡管價格有所波動，但市場對高純石英砂的需求量一直較為穩(wěn)定。以去年為例，國內(nèi)光伏市場實(shí)際裝機(jī)量達(dá)到249GW，遠(yuǎn)超光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會最樂觀預(yù)期的220GW。然而，光伏產(chǎn)業(yè)卻陷入產(chǎn)能過剩的困境。市場需求量每年以20%-30%的幅度增長，而產(chǎn)能擴(kuò)張幅度卻高達(dá)70%-80%。持有長單的進(jìn)口商手中貨物積壓，為緩解壓力，紛紛拋售，加上其他因素的影響，進(jìn)一步壓低了價格。但在國內(nèi)技術(shù)無法替代進(jìn)口的情況下，其價格最終仍可能回升至20-25萬元每噸。

對于光伏和半導(dǎo)體行業(yè)而言，晶硅品質(zhì)、硅片品質(zhì)以及硅片尺寸的提升，遠(yuǎn)比坩堝價格更受關(guān)注。畢竟，坩堝成本在光伏組件和光伏系統(tǒng)中僅占電站成本的1%左右。試想，如果能將坩堝的使用壽命從目前的350-400小時提升到500-600小時，甚至更長，同樣數(shù)量的坩堝就能生產(chǎn)出更多單晶。在國內(nèi)尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)替代進(jìn)口的情況下，即便石英砂價格難以回到60萬元每噸，維持在20-25萬元每噸的區(qū)間，只要提升坩堝壽命，下游企業(yè)也不會過于在意價格。

因此，當(dāng)前我們的首要任務(wù)并非尋找新礦源，而是突破技術(shù)難題。當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)不僅需要攻克技術(shù)難題，還需要全體產(chǎn)業(yè)同仁的協(xié)同配合。

中國粉體網(wǎng)：您剛才說您用水熱化學(xué)合成法制作的高純石英砂是4N8及以上嗎？還是5N2？那它主要應(yīng)用在哪幾個領(lǐng)域呢？

袁博士：目前，我們的研發(fā)重點(diǎn)圍繞4N8至5N2純度的產(chǎn)品展開，首要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)光伏石英坩堝內(nèi)層材料的進(jìn)口替代，后續(xù)再逐步拓展至整個坩堝。至于5N8純度的產(chǎn)品，通常應(yīng)用于半導(dǎo)體坩堝。當(dāng)下，半導(dǎo)體坩堝完全依賴進(jìn)口。值得注意的是，并非石英砂純度越高就越好，一旦超過特定純度，坩堝的使用壽命會大幅縮短，且容易出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

對于坩堝用石英砂而言，不僅要求純度達(dá)標(biāo)，對雜質(zhì)含量的控制也十分講究，部分雜質(zhì)甚至對坩堝性能有益。因此，要實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，就必須對標(biāo)進(jìn)口砂的指標(biāo)，展開針對性攻關(guān)。從我們前幾年的研究成果來看，在堿金屬總含量方面，我們的產(chǎn)品略高于進(jìn)口產(chǎn)品；與之相反，鋁含量方面，我們的產(chǎn)品相對偏低。如何進(jìn)一步降低堿金屬含量，是我們正在努力的方向。除了堿金屬和鋁之外，鈣、鐵等元素的含量也至關(guān)重要，它們都是影響石英砂品質(zhì)和坩堝性能的關(guān)鍵因素。

中國粉體網(wǎng)：好的，感謝袁老師接受我們的采訪。

袁博士：好，謝謝。