高纯石英砂：抢手的“沙子” 

　　文／袁素 

　　高纯石英砂或成为资本市场新风口。 

　　去年，二级市场上光伏行业龙头股价一路下跌超过25%，在此大背景下，石英砂公司石英股份却一路上涨，从2022年年初到现在，不到一年半的时间涨了近3倍。此外，高纯石英砂创业公司拱心石和风日石英也相继在2022年10月和2023年1月获得了千万级别的融资。一时间，“沙子”成为抢手货。 

　　随着光伏产业的迅速扩张，产业链关键环节中的石英坩埚开始变得紧俏。 

　　据了解，石英坩埚主要应用于光伏和半导体领域，在光伏产业链中位于硅料与硅片之间，是切克劳斯基法（提拉法）拉制单晶硅棒的器皿，用来盛装熔融硅并制成晶棒，是硅片生产中不可替代的关键耗材。通常石英坩埚为一次性消耗品，使用350小时之后就需要更换，属于高频易耗品。而高纯度石英砂就是制作石英坩埚的主要原材料。 

　　石英砂对光伏的重要性相当于碳酸锂对新能源汽车的重要性。也因此，高纯度石英砂被视为光伏行业下一个“卡脖子”资源。 

　　近来，高纯石英砂价格上涨迅猛，半月涨幅达50%。根据行业的统计，高纯石英砂的价格从去年年中的5万/吨，涨到了今年4月的14万元/吨左右。 

　　这一涨势让人想起碳酸锂在新能源电池行业曾经上演的故事。不过，与碳酸锂相比，业内对高纯石英砂的进口依赖性更大。 

　　高纯石英砂持续紧缺 

　　所谓石英砂又称硅砂，是由天然水晶、石英矿物加工而成或化学合成的二氧化硅材料。它具有硬度大、膨胀系数低等特点，在耐高温性、耐腐蚀性、透光性、化学稳定性、电绝缘性等方面表现良好，广泛应用于铸造、建材、电光源、光纤、 光伏、半导体等领域。 

　　其中，高纯石英砂就是对石英砂进行提纯，使其二氧化硅含量达到99.998%以上， 锂、钠、钾的含量小于等于百万分二，而且要除去石英颗粒内部的包裹体。 

　　极低的杂质含量使高纯石英砂呈现出优越的理化性能，在我国九大类战略新兴产业中有四类涉及高纯或超纯石英砂，可见其重要地位。 

　　据中国建筑材料工业地质勘查中心安徽总队高级工程师郝文俊等在2020年发表的论文《全球高纯石英资源现状、生产、消费及贸易格局》显示，我国高纯石英砂下游主要集中在半导体（50%）、光通信（23%）、光伏（17%）等领域。 

　　不过，随着光伏行业在2020～2022年的高速扩产，高纯石英砂在光伏行业的消费占比大大提高。 

　　高纯石英砂应用于光伏行业的下游制品中，如石英坩埚、石英扩散管、石英承载器等，是光伏领域重要的结构材料，尤其是生产光伏石英坩埚最重要的原料。 

　　根据中信建投的分析，当前高纯石英砂在石英坩埚中的成本占比超过90%，是石英坩埚的核心原材料。目前主流的32寸、36寸坩埚石英砂单耗分别约为90千克、110千克。参考当前石英坩埚内、中、外层砂占比分别为 35%、35%、40%，内、中、外层高纯石英砂含税单价分别为 7万、12万、20万元，对应32寸和36寸高纯石英砂成本占比分别为92%和93%。当前，石英坩埚在硅片、组件成本中占比分别为 3.5%、1.5%（按照32寸石英坩埚含税价格1.5万元/只），进而推算高纯石英砂在硅片、组件中的成本占比分别为3.15%、1.35%。 

　　高纯石英砂的纯度、气泡、粒度分布、一致性、杂质成分等，会影响坩埚的耐温性及其质量，因此生产制备石英坩埚必须要求所选用的高纯石英砂符合相关标准。 

　　从石英砂的类别来看，用于制作石英坩埚的高纯石英砂所要求的纯度最高，二氧化硅纯度要求达到4N5级别。 

　　按石英坩埚结构划分，高纯石英砂又可分为内层砂、外层砂和中层砂，其中内层砂会直接接触硅溶液，所以其纯度要求最高，价格也相应更高，完全靠进口；中层砂纯度要求次于内层砂，外层砂再次之，中外层砂基本已经实现国产。 

　　根据中国光伏行业协会名誉理事长王勃华预测，2023年全球光伏新增装机容量预计为280吉瓦～330吉瓦，光伏产业扩张对高纯石英砂的支撑较强。同时，光伏行业正在经历从P型硅片到N型硅片的转型，而N型硅片对于多晶硅原料及部分辅材的纯度要求更高，且更换石英坩埚的频率也更高，大大增加了对高纯石英砂的需求。 

　　具体来说，传统P型硅片的坩埚拉晶次数为5次，N型硅片对硅棒纯度有更高的要求，坩埚拉晶次数将减少至3次。P型硅片用光伏石英坩埚的寿命约350小时，N型硅片用光伏石英坩埚的寿命仅250小时左右。 

　　根据天风证券的研究，整体看2023～2024年高纯石英砂仍较为紧缺，尤其是内层砂。 

　　高纯石英砂技术壁垒明显 

　　目前全球能够供应高纯度石英砂的企业少之又少。 

　　在国外，高纯度石英砂的供应企业主要是美国尤尼明的子公司西比科公司（SIBELCO NORTH AMERICA,INC.）、挪威天阔石公司（The Quartz Corp）、日本的石英砂公司 （ Covalent Materials Corporation）等。其中，美国西比科公司无论是石英矿原料品质还是其石英砂提纯技术均处于行业领先水平，是全球少数能够批量供应半导体用高纯石英砂的领军企业。在国内，石英股份、江苏阳山硅材料科技有限公司等是高纯度石英砂的主要供应企业。 

　　根据中信建投的分析，2022年美国尤尼明、挪威天阔石和中国石英股份这3家供应商在国内光伏高纯石英砂市场的市占率合计约为88%。 

　　生产高纯石英砂的壁垒在于上游原矿质量和提纯工艺。首先，高纯石英砂所需要的优质石英矿石相对稀缺。石英矿石中杂质的存在形式与含量决定了后期的提纯工艺，也间接决定了石英砂的纯度上限。一般认为，能够加工提纯至3N级以上石英砂的高纯石英矿需达到98.8%的二氧化硅纯度。 

　　截至2019年，全球范围内查明的高纯石英矿资源量为7287万吨左右，主要分布于巴西、北美等地，共15处矿床，在产矿山仅7座，在产资源量为2000万～2500万吨。其中，美国北卡罗来纳州Spruce Pine地区的白岗岩石英矿凭借矿体规模大、流体杂质少、品质稳定等优点成为高端石英砂主要出产地，资源量超过1000万吨，矿床为美国优尼明和挪威天阔石所有。 

　　我国石英矿资源储量约685万吨，全球占比仅9.4%，且均为中小型矿区，优质矿石资源相对稀缺。 

　　与美国相比，我国石英矿石由于形成温度高、结晶比较快，导致石英矿石在形成时包裹了大量的介质，致使矿石中羟基或水含量很高。我国政府已投入大量经费组织相关单位进行石英矿产的品质评估，以期获得超高纯石英砂生产矿石。 

　　其次，高纯石英砂提纯工艺复杂。在高纯石英砂制备过程中，企业需根据原矿品位、杂质成分、应用特点等设计提纯流程，如钠、钾、锂等碱金属与石英制品热稳定性密切相关，而铬、铜、铁等过渡金属元素将显著影响石英制品的导电性。4N级以上高纯砂制备工艺目前仅掌握在美国尤尼明、挪威天阔石和中国石英股份等少数公司手中。 

　　在高纯石英砂领域，我国目前虽然已经实现4N级以下石英砂的稳定供应，但仅有石英股份能够达到IOTA-STANDARD 水准，且产品质量相比美国尤尼明、挪威天阔石存在明显差距。 

　　据联合国的统计数据，2019年，我国3N级以上的石英砂产量为23.7万吨，全球占比19.2%；4N级以上石英砂产量仅1.36万吨，全球占比3.2%。 

　　从产能供应来看，高纯石英砂扩产主要以国内石英股份为主，海外龙头美国尤尼明、挪威天阔石扩产意愿不强，国内二线厂商产能不少，但高品质的内层砂产量极少。 

　　中信建投预计，2023～2024年全球光伏高纯石英砂供应量分别为9.5万吨、15.2万吨，其中内层砂（只算美国尤尼明、挪威天阔石）供给量分别为2.8万吨、3.2万吨。 

　　除天然石英砂提纯之外，人工合成石英砂也值得关注。所谓人工合成石英砂，即使用含硅化合物化学合成高纯石英砂，但这种方法原料成本高、能耗大、产量低、工艺复杂、设备要求高，且产品粒度太细容易团聚，目前尚难以大规模工业应用。 

　　研究发现，人工合成石英价格较高且性能尚不能满足光伏石英坩埚的制备要求，目前海外进口的合成石英价格已经上升到50万元/吨以上，同时由于合成石英中铝含量较低，制作的石英坩埚耐高温性相对较差，长时间在高温环境中坩埚容易发生形变，不能满足光伏硅片拉晶长时间高温环境的使用需求。因此，它目前主要应用在半导体石英器件中。 

　　一位光伏行业的资深投资人认为，高纯石英砂有创业投资的机会，值得关注的技术方向包括：一是提升基于非Spruce Pine地区白岗岩石英矿的提纯工艺，这样就可以解决优质石英矿资源被人垄断的难题；二是突破人工合成石英砂的技术和成本瓶颈，彻底摆脱对优质石英资源的进口依赖。