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光伏行业,不可替代的石英砂

日期:2023-12-11    来源:全球光伏

国际太阳能光伏网

2023
12/11
15:34
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关键词: 石英砂 石英坩埚 光伏玻璃

石英是花岗岩、片麻岩等许多岩石的主要矿物成分,是一种十分重要的工业矿物,石英资源在光伏领域应用广泛,是光伏行业的关键基础性原材料之一。

01
工业硅的原材料:硅矿

硅矿是工业硅冶炼最主要的原料,也是脉石英、石英岩、石英砂岩等以石英为主矿物的总称。工业硅又称金属硅,是由硅矿石(主要成分是二氧化硅)、木炭、煤及石油焦等碳质还原剂,经高温还原反应后生成,工业硅经过进一提纯,可制备成为多晶硅。

光伏硅料即太阳能级多晶硅,是光伏发电系统的核心原材料,是光伏产业链上游原材料,为带有金属光泽的灰黑色固体,具有熔点高、硬度大、有脆性、常温下化学性质不活泼等特性,且具有半导体性质,是极为重要的优良半导体材料,被称为光伏产业链中的“黑金”。当前主流的多晶硅生产技术主要有改良西门子法和硅烷流化床法,产品形态分别为棒状硅和颗粒硅。

多晶硅可作拉制单晶硅的原料。单晶硅生产工艺包括无坩埚悬浮区熔法和坩埚直拉法两种。无坩埚悬浮区熔法指在真空炉室中,利用高频线圈在单晶籽晶及多晶硅棒的接触处产生熔区,最终制得高纯度、小直径单晶硅。

坩埚直拉法又称切克老斯基法,该法需先对原材料多晶硅进行清洗,以去除其表面杂物,再将籽晶卡在拉杆卡具上,经过引晶、放肩、等径生长、收尾等流程,最终制得单晶硅。

02
石英坩埚的原材料:高纯石英砂


石英坩埚实际上就是一种容器,是由高纯石英砂通过模具定型,使用电弧法高温制作而成。具有耐高温、使用时间长、高纯度等特点,主要是用于半导体与太阳能拉制单晶硅棒的辅助性耗材。

在单晶硅生产中,石英坩埚是一次性使用的熔硅和晶体生长的关键材料,对单晶硅的生产成本和产品产量质量都有直接的影响。

我国用于单晶硅生产的石英坩埚通常采用双层或三层结构,石英砂的纯度会直接影响硅棒拉晶质量。石英砂纯度越低,在高温熔制过程中越容易产生黑点气泡。用作内层砂时,长时间处于高温环境下会使石英坩埚内壁所含气泡受热释放,从而影响到单晶硅片生产的稳定性和成功率。因此内层砂对石英砂的纯度要求更高,价格也更高。我国石英坩埚用内层砂等高纯石英高端产品仍需要从美国、挪威等进口,而质量要求略低的石英坩埚中外层砂,其矿石原料也需要从印度等国进口解决。通常来讲,石英坩埚用内层砂的原料为美国北卡罗来纳州Spruce Pine地区的花岗伟晶岩石英,其特点是w(SiO2)≥99.998%(4N8)且质量稳定。中层砂原料为印度等国进口的脉石英A级矿,特点是w(SiO2)≥99.998%(4N8)。外层砂主要原料为印度等国进口的质量和稳定性稍次的脉石英A级或接近A级的B级矿,特点是w(SiO2)≥99.995%(4N5)。总之,石英坩埚产品质量直接影响直拉单晶硅的品质和成本,而拉晶工艺升级则对石英坩埚纯度、寿命和尺寸提出了更高的要求,进一步激发高端石英坩埚需求。石英砂作为制作石英坩埚的核心原料,其品质水平及成本等级很大程度上决定了石英坩埚的性能及成本,因此,需要从石英矿源筛选、加工等多个方面对高纯石英砂品质进行提升,从而提高石英坩埚的品质,以满足其在光伏直拉单晶制造中的需求。

03
光伏玻璃原材料:低铁石英砂


光伏玻璃是光伏产业链上重要的辅件,也是光伏发电组件中不可替代的组成部分,而石英砂则是生产光伏玻璃的主要原料之一,石英砂的品质对于光伏玻璃的品质有着重要影响。光伏玻璃不同于普通玻璃,是由超白玻璃原片进行深加工制成。超白玻璃是一种超透明低铁玻璃,也称低铁玻璃、高透明玻璃,具有自爆率低、颜色一致性、可见光透过率高、通透性好、紫外线透过率低等优点透光率是影响光伏超白玻璃性能的重要指标之一,由于铁离子易染色,为保证光伏超白玻璃的高透光率,光伏超白玻璃含铁量要求较低。光伏玻璃生产需要含铁量较低的超白石英岩砂矿,占玻璃成本13%左右;国内优质低铁超白石英砂矿较为稀缺,集中分布在安徽凤阳、广东河源、湖南、广西和海南等地,行业存在一定的天然垄断性;以目前光伏玻璃龙头为例,信义光能和福莱特的生产基地集中在广西北海、安徽芜湖及凤阳等地,配套高质量的硅砂矿,原材料质量稳定且成本低廉,有利于提高成品稳定性降低生产成本。

石英原料中存在各种杂质,如Fe、Al、K、Na、Ca等,而在超白玻璃生产中最有害的杂质是铁杂质,它既可以游离的形式存在,也可以薄膜、晶格替代或夹杂矿的形式存在,需要通过一系列的工艺过程才能有效去除。

对于铁杂质的去除,需经过一系列物理和化学深加工过程,按去除方式分类主要分为物理法(水洗和分级脱泥、擦洗法、磁选法、重选法)、化学法(浮选法、酸浸法)和微生物法等方法,在石英原料深加工过程中可根据铁杂质的存在形式和状态,组合这些方法,以便寻找到适合于该矿源的深加工工艺。

04
结语

总之,石英砂在光伏行业工业硅、石英坩埚和光伏玻璃等环节发挥着不可替代的作用。随着全球对可再生能源的需求不断增长,光伏产业迅速发展,光伏装机量不断高增,其对石英砂的需求也迎来了快速增长。

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