2023年高纯石英砂行业分析 石英砂杂质含量高会降低坩埚高温强度

一、高纯石英砂：高端制造领域不可或缺的材料

（一）高纯石英砂是光伏、半导体等战略新兴产业的重要材料

高纯石英砂是光伏、半导体等战略新兴产业的重要材料，纯度决定价值量与应用领 域。石英矿石是一种半透明硅酸盐矿物，主要成分为二氧化硅（SiO2），根据SiO2 和杂质含量区分纯度，国际上普遍将SiO2含量大于99.995%（即4N5）、杂质含量小 于50μg/g的石英定义为高纯石英。高纯石英材料具有化学性质稳定、杂质含量少、 耐高温、耐腐蚀、低热膨胀性、高度绝缘等优异物理化学属性，在光伏、半导体、光 纤等战略新兴行业发挥着不可替代的作用。

SiO2含量为99.5%～99.99%（2～4N）的石英砂用于光源行业，99.99%（4N）以上 用于高端光学器件、激光器件，99.995%～99.9999%（4～5N）的高纯石英砂多用 于光伏、半导体等领域。石英砂纯度越高其附加值越高，据粉体网数据，2023年4月 2～3N石英砂价格约在400~600元/吨；纯度4～4N5价格约为50,000~120,000元/吨； 而4N8价格在120,000元/吨以上，且市场供不应求。

我国4N8高纯石英高端产品一直处于“卡脖子”状态，4N5高纯石英产品正处于国产 替代进程中，而4N及以下高纯石英产品已完全实现国产化。高端高纯石英产品主要 应用于半导体、光伏领域，从2021年12月起国内半导体销售额同比增速下行，光伏 新增装机量持续高增长，驱动国内光伏用高纯石英砂（4N5、4N8）供应紧俏、价格 走高。本篇报告重点分析光伏用高纯石英砂供需情况。

（二）石英砂纯度是决定石英坩埚质量核心指标，关乎硅棒质量

高纯石英砂在光伏领域的主要应用是石英坩埚——拉单晶硅棒的必要耗材。石英坩 埚是单晶生长炉的关键部件，是用于盛装熔融硅，加热拉制单晶硅棒的器皿。根据 欧晶科技招股说明书，拉晶过程中，石英坩埚要在1000℃以上的高温环境连续工作， 耗损速度较快，连续直拉法下通过持续投料可以不断产出多根新的晶棒，现有石英 坩埚使用寿命达到200小时以上，属于单晶硅棒生产必要耗材。目前大部分石英坩埚 是用高纯石英砂经电弧法制备，生产原理是将高纯石英粉装入可任意倾动角度的旋 转成型模内，利用离心力成坩埚型，然后将电极送电启弧，同时启动真空系统，使其 快速熔化成坩埚形状的熔融石英，经冷却后取出，再进行喷砂、切边、倒角、半成品检验等工序，最后坩埚清洗、成品检验包装。

石英坩埚从外形上看为半透明状，有内外两层结构，由外向内品质要求提升。外层 是不透明层，称为气泡复合层；内层是3-5mm的透明层，称为气泡空乏层。从结构 上看，由于各家坩埚厂商技术、配方方案各不相同，内外层质量配比不完全相等，内 层砂占比通常在30-40%左右。高纯石英砂纯度直接决定石英坩埚的性能和寿命，而石英坩埚的性能对成晶、拉晶 质量及生产安全至关重要。石英坩埚是单晶炉中唯一与硅料直接接触的部件，据欧 晶科技官网，石英坩埚内部的羟基、杂质元素和气泡含量是石英坩埚的性能和寿命 的主要影响因素，其中，工艺路线能够降低羟基的含量，但杂质与气泡的含量更多 依赖于原材料石英砂本身纯度。

（1）杂质：①石英砂杂质含量高会降低坩埚高温强度，使其更易变形，直接影响单 晶拉制，比如坩埚上口内塌造成与导流筒碰撞而阻断正常拉晶；②杂质过高还会使 得石英坩埚在高温下生成方石英（即析晶现象），内层析晶过厚会脱落导致无法继 续拉晶，外层析晶会导致外层与石墨坩埚粘连，出现漏硅等现象，无法正常使用；③ 高温下不同的石英砂杂质会以不同速率向硅液扩散，杂质的引入对单晶性能和成晶 率构成直接影响，高品质石英砂的使用是单晶品质保障的关键。

（2）气泡：拉晶过程中，内层与硅液接触并不断向硅液中熔解，透明层中的微气泡 不断长大，靠近最内表面的气泡破裂，伴随着硅液释放石英微颗粒以及微气泡。而 这些杂质会以微颗粒以及微气泡的形式伴随着硅液流遍整个硅熔体，直接影响到硅 的成晶（整棒率、成晶率、加热时间、直接加工成本等）以及单晶硅的质量（穿孔片、 黑芯片等）。内层与硅液直接接触，气泡破裂、杂质扩散风险更大，因而内层对高纯 石英砂的纯度要求更高。 根据粉体网数据，内层砂纯度一般在4N8以上，最外层达到4N5即可。据中国有色金 属工业协会硅业分会，当前石英坩埚内层必须采用进口砂，中外层砂有国产替代趋 势。

二、终端需求高景气，多因素驱动光伏石英砂需求高增

（一）光伏石英砂需求趋势受硅片大尺寸、N型渗透、坩埚长寿命等多重趋势影响

光伏用石英坩埚作为硅棒生产设备重要耗材，其需求变化与光伏终端需求、单晶硅 技术发展动态高度相关。光伏产业近几年硅片向大尺寸方向发展，N型加速渗透，以 及持续推进拉晶环节降本，体现在石英坩埚上即要求更大尺寸、更高纯度以及更长 使用寿命性能。

大尺寸硅片占比上升带动石英坩埚向大尺寸方向发展，影响石英坩埚的单体重量和 总消耗数量。大尺寸硅片输出功率更高，可显著降低度电成本及组件以外的系统成 本，目前182mm、210mm等大规格尺寸硅片已成为主流发展趋势。大尺寸硅片由大 尺寸硅棒切割而来，拉制更大尺寸硅棒需要配套更大的坩埚，而坩埚大尺寸化对高 纯石英砂需求总量有两重作用：一方面，大尺寸化使坩埚单体重量提升，单只坩埚 高纯石英砂用量增加；另一方面，大尺寸化使单只坩埚装料量变大，拆装炉耗时缩 短，单炉生产效率提升，减少相同硅棒产量下石英坩埚的耗用只数。

N型纯度要求更高，石英坩埚更换频率提高，影响坩埚消耗数量。N型电池凭借更高 的电池效率极限以及更低温度系数及衰减率，更高抗PID性能等正在逐步取代P型组件，根据CPIA 2022预测数据，下游的N型硅片渗透率正在快速提升，有望在2025年 达到58%。N型硅片比P型对纯度的要求更苛刻，基于N型硅片纯度标准，防止坩埚 加热时间过长引入过多杂质，单晶石英坩埚需要相应提高更换频率，从而增加坩埚 消耗数量。

适应下游多次投料拉晶需求，坩埚厂商通过技术优化尽量延长坩埚使用寿命。下游 拉晶厂投料工艺历经从最初的Cz（直拉法）→当前主流工艺RCz（多次投料复拉法） →研发CCz（连续投料直拉法），工艺演进的核心始终是要实现利用一只坩埚尽可能 多地投料、拉棒，这就倒逼坩埚厂商改进技术方案，延长产品使用寿命。据欧晶科技 招股说明书，欧晶科技2021年石英坩埚产品有效使用寿命较2019年初提升一倍以上， 客观上减少了坩埚耗用量。

当前技术框架下，坩埚使用寿命、内层砂结构进一步优化空间有限，预计未来对硅 棒生产单位耗费石英砂量（包括内层砂量）的影响不大。（1）坩埚使用寿命。拉制 单晶对坩埚的洁净度要求很高，复投拉晶过程中，硅液残留杂质无可避免地会越来 越多，析晶、气泡风险在高温工作环境中随时间不断提升，同时近些年坩埚使用寿 命已实现大幅改进，预计使用寿命优化或逐渐接近天花板。

（2）内层砂结构。据2022 年10月31日隆基绿能答投资者问，制造硅片过程中若使用质量较差的石英砂会影响 坩埚寿命与硅片质量，进而影响生产成本与工艺管控难度。进口砂矿源优质品质更 好，内层砂直接接触硅液，必须使用进口砂，外层砂可用国产砂补缺。当前内层砂合 理配比在30-40%左右，突破底线或将造成坩埚品质严重下降、寿命缩短，导致拉晶 断线率提升，效率下降反而增加非硅成本。（3）N型渗透趋势下坩埚纯度性能要求 更高。

（二）需求测算：下游光伏景气支撑需求高增，关注坩埚尺寸、寿命等边际变量

本节旨在测算多因素趋势综合作用下的石英砂需求总量，测算基本逻辑为 高纯石英 砂总需求(吨) = 光伏装机硅片需求量(GW)×单GW硅片消耗石英砂数(吨)×坩埚尺 寸、寿命变化等趋势下坩埚耗用的变化系数。坩埚大尺寸趋势既会增大单只坩埚石 英砂用量（坩埚体积变大），又会减少单GW硅片耗用只数（坩埚容积变大）；N型 硅片占比提升坩埚更换频率提高，以及据中国有色金属协会硅业分会23年3月16日 消息，进口内层砂紧缺导致坩埚平均品质降低，坩埚使用寿命缩短。

三、资源+提纯技术构筑壁垒，光伏用内层砂供需趋紧

高纯石英砂未来三年供给或无法满足需求，制约供给的主要因素有：原料矿源资源 壁垒、提纯工艺限制、海外龙头企业存在客观扩产阻力。主流制备高纯石英砂的方 法为石英矿物深度提纯，但由于优质原料矿源稀缺，矿源品质分化，深度提纯技术 不易掌握，高纯石英砂产能扩张受阻。目前全球范围内能够规模化量产供应高纯石 英砂的企业仅三家：美国尤尼明、挪威TQC、中国石英股份（据Indian Minerals Forum， 2019年CR2高达80%，CR3约85%），而海外两大龙头开采经济性较差，扩产意愿 较低，未来供给增量主要源自石英股份等国内企业。

（一）稀缺优质矿石资源+先进提纯及检验工艺构筑高纯石英砂生产壁垒

资源稀缺性构成主要壁垒之一，而矿源杂质含量和赋存状态不一是矿源稀缺性的关 键因素。优质原矿石属于稀缺资源，是制约高纯石英砂产量提升的壁垒之一。在选 取用于生产高纯石英砂的原料矿石时，不仅要考虑其本身化学纯度以及杂质的排列 情况，同时还要考虑石英矿物的嵌布特征、共存的脉石矿物和种类等，根据工艺指 标和商业价值综合评估选取。

原料中杂质元素含量高低与高纯石英质量优劣并不是简单对应关系， 而是与原料工艺矿物学特征所决定的杂质可选性有关，天然石英矿物中杂质元素的 赋存状态是决定能否用于提纯高纯石英的重要因素，原矿石中的杂质主要是包裹体 和晶格杂质两种形式存在，晶格杂质主要是指取代Si4+的离子，如Al3+、Fe2+、Fe3+、 B3+、Ti4+、Ge4+、P5+等。在现有加工技术下，石英原料中的晶格杂质除去难度非常 大，往往会成为加工过程中难以突破的最终瓶颈，是制约高纯石英最终质量的关键 之一。

主要高纯石英制备原料有花岗伟晶岩和脉石英，二者性质差异较大。根据郭文达 2019年发表的《高纯石英砂资源及加工技术分析》，虽然花岗伟晶岩的石英含量仅 30%左右，但其结晶粒度极粗（d>5mm），磨矿后能与脉石完全解离，且单体石英 杂质含量极少，是最理想的原料。脉石英等矿物石英含量高（均在95%以上），但由 于脉石英是从地下的热水中生长出来的，往往含有很多气泡包裹体和羟基，杂质含 量多，分离相对较难，品质较差。我国石英资源品质整体不佳，已探明的石英矿物包 括23.1亿吨石英岩、15.5亿吨石英砂岩以及0.5亿吨脉石英，国产高纯石英砂一般以 脉石英为原料生产。

原料矿床集中度高，资源储量稀缺，优质矿源开发权被三大厂商掌握在手。全球高纯石英原料矿床分布于美国、挪威、印度、澳大利亚等国家，在产矿山少且分布集中 度极高，储量都相对有限。市场公认矿源品质排序为美国斯普鲁斯派恩矿＞印度矿 ＞国产矿，按照品质梯度，海外砂、国产砂当前分别应用在光伏用石英坩埚的内、外 层。

（1）全球高纯石英砂两大巨头美国尤尼明（子公司矽比科）和挪威TQC的主要 矿源是斯普鲁斯派恩矿，该矿床是国际上公认的最好的矿床，属于花岗伟晶岩型/白 岗岩型，其形成具备独特属性，目前全球罕见能够与斯普鲁斯派恩矿品质齐肩的矿 床。（2）石英股份原矿主要采购自印度等地区，2021年海外采购占比达93.32%。 石英股份拥有印度石英矿石有限开采权，主要供应商较为稳定，有长期框架协议保 障。（3）我国矿床主要是脉矿石，散发、单处矿石储量较小，品质相对较差。

提纯工艺根据原矿成分调整，若厂商无法保证矿石品质一致性，则必须具备成熟的 提纯与检验技术。不同地质成因岩石中石英质和量不尽相同，提纯工艺和难度千差 万别。高纯石英砂提纯工艺流程可以概括为预处理、物理处理和化学处理三个环节， 先将原矿破磨到一定粒度，脱除部分杂质，再通过矿物表面物理性质差异分离伴生 矿物杂质，之后再利用酸在微裂缝和晶界内深度渗透优势，去处理包裹体和晶格类 型杂质。

提纯工艺设计时就要匹配原矿的成分与品位，提纯工艺切换也需要磨合期 和相应的专用设备，如钠含量较高石英矿需要进行高温煅烧，钙镁较高的碳酸盐矿 物需要进行盐酸预处理。因此，提纯工艺流程环节看似简单，实际难点在于如何通 过甄别原矿石成分、品位，并通过组合工艺实现晶格杂质的极致化提纯。如果厂商 拥有的原矿矿体规模小或内部品质不一、一致性较差，就需要以更先进、更灵活、更 全面的提纯和检验技术力来应对，保障产出石英砂质量的稳定性。

国内检测技术与海外技术存在一定差距，这也是制约国内有效供给的重要因素。检 测技术不仅用在高纯石英砂的质量检测环节，同样也运用在原矿石的筛选环节。电 感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）因其检测时间短、灵敏度高、精确度好等 优点，是目前主要的检测方法。ICP检测技术的精准程度会很大程度影响高纯石英砂 的质量，由于国内起步较晚、技术保密等原因，国内ICP检测效果和国外还存在明显 差距。对比运用国内ICP检测技术和美国尤尼明高纯石英样品检测结果，我国在低杂 质检测技术上仍有较大提升空间，致使深度提纯工艺落后于海外。

合成石英砂技术开发中，建议关注后续工业化、商业化动态。除物理深度提纯法外， 高纯石英砂还有化学合成法制备路线，当前国内凯盛科技、江瀚新材正在开展技术 研发与产能建设。合成石英砂优势在于纯度高达6N以上，理论上满足半导体及光伏 石英坩埚内层应用纯度要求，并摆脱了矿石资源的制约，但当前合成石英砂技术还 存在成本高、难大规模工业化生产等问题。

凯盛科技2022年8月26日、2023年3月13 日答投资者问时提到，凯盛科技年产5000吨合成二氧化硅项目中试线相关产品已送 下游验证，效果良好，正在开展量产线的技术转化，预计23年第三、四季度试生产， 产能包含1000吨电子级硅溶胶、3000吨半导体用二氧化硅及1000吨光伏用二氧化硅。 江瀚新材2023年2月20日答投资者问，IPO募投年产2000吨高纯石英砂产业化建设 项目（合成石英砂）于2022年12月开工建设，建设周期为36个月。

（二）海外龙头厂商扩产阻力大，国内石英股份积极规划扩张

石英矿属于斯普鲁斯派恩伴生矿，海外两大龙头若大量扩产会造成长石和云母堆积， 扩产动力不强。海外两大龙头美国尤尼明和挪威TQC尚未公布明确的光伏级石英砂 扩产计划，但总体而言扩产条件较为苛刻。斯普鲁斯派恩矿床是一种岩体矿，由长 石、云母、石英三部分组成，其中仅有石英（约占30%）可以通过提纯加工为高纯石 英砂，石英矿属于斯普鲁斯派恩矿的伴生矿。海外两大龙头是综合性厂商，除了半 导体级石英砂还销售长石、云母，而长石、云母市场稳定空间不大（下游市场有水 泥、陶瓷等），若大量扩产石英矿会造成堆积，有环保处罚风险。矽比科（尤尼明） 公司财报显示，近几年高纯石英砂产线均是满负荷状态运转，2025计划中着重提及 节能减排，暂时没有扩产计划和产能建设安排。

石英股份近几年抓住市场机遇，持续扩大产能。从矿源上看，石英股份以往石英石 基本外采，采购地包括印度、巴西、非洲、美国等国家和地区，长期以来合作关系稳 定，且有签订框架协议。多处分散布点既避免了单一矿源风险，又驱动石英股份不 断提升应对不同原矿成分的提纯、检验技术能力。 2014年石英股份的高纯石英砂产能仅为7,300吨/年。2021年，石英股份通过技改及 增加生产班次等措施最大限度释放产能，将原有的15,000吨/年高纯石英砂产线产能 提升至20,000吨/年。2022年2月，石英股份新建的20,000吨/年的新生产线投产。2022 年10月，石英股份公告拟投资建设三期60,000吨/年高纯石英砂产线，有望充分享受 行业供需紧缺红利，提升市场份额。

主要三大厂商优势领域不同，海外两大巨头凭借资源禀赋更注重供应更高附加值的 半导体领域应用。（1）美国尤尼明，其矿源斯普鲁斯派恩矿品质极佳，总储量超1000 万吨，矿石性质稳定，掌握优质矿源使其几乎垄断国际市场上4N8及以上高端石英砂 产品生产。

（2）挪威TQC，依靠与美国尤尼明共同开采的斯普鲁斯派恩矿和挪威本 地石英矿成为全球第二大高纯石英砂供应商。海外两大巨头凭借优质矿源产出质量 极高的产品，部分产品SiO2含量在5N以上，契合半导体用石英砂的纯度要求，产能 优先布局价格更高的半导体领域和光伏内层砂应用。（3）石英股份，石英股份2009 年通过自主研发高纯石英砂提纯技术，实现了在矿源质量不如海外龙头背景下，大 规模量产高纯石英砂能力。由于资源禀赋差异，石英股份优势领域集中于光伏石英 砂。随近些年产品质量改进和市场认可度建立，石英股份内层砂渗透率有望持续提 高。

（三）供需缺口：未来2年内层砂供需持续紧缺

（1）需求端：根据前文测算，按照内层砂占比35%估算未来内层砂供需情况，预计 22-24年全球光伏用高纯石英砂的总需求为6.12、10.22、12.91万吨，其中内层砂 需求分别约为2.14、3.58、4.52万吨。 （2）供给端：主要三大厂商仅石英股份积极扩产。①根据广发电新组统计，海外企 业高纯石英砂内层砂22-24年供给为2.00/2.50/2.63万吨。②据石英股份年报，2022 年石英股份高纯石英砂外销量达3.08万吨。假设石英股份正在建设的赣榆经开区6万 吨/年产能自2023年下半年起陆续投产爬坡，23-24年总产能预计为6.00/10.00万吨。石英股份目前正在提高内层砂的比例，保守估计22-24年石英股份内层砂供给量为 0.35、0.73、1.85万吨（随技术水平提升，内层砂比例有望继续提升）。另外，由于 合成石英砂产能落地仍存不确定性，暂不纳入考虑。

（3）缺口：预计22-24年内层砂供需缺口为0.21、-0.35、-0.04万吨，供需关系持续 紧张，24年由于石英股份新产能完全释放，供需形势相对缓和，如果后续厂家扩产 计划调整，缺口可能继续放大。

测算结果看，未来几年内层砂供应有望持续紧缺。此外，内层砂紧缺背景下，外层 砂需求量也存在超预期可能性，一是下游硅片厂商呈双寡头格局，大小厂商内层砂 保有量存在明显差异，小厂商可能减薄内层而强拉硅片开工率，据中国有色金属工 业协会硅业分会2023年3月16、17日消息，近期进口石英砂短缺问题持续发酵，除 签订保供协议的企业外，大部分专业化企业迫不得已使用低质坩埚，坩埚更换频率 加快，单位时间硅片产量降低；二是尤尼明、TQC砂是当前品质最佳的光伏坩埚用 高纯石英砂，总供应结构中尤尼明、TQC这类最高品级砂占比预计持续减少，而国 产砂掺杂提升；三是N型渗透趋势存在提速可能，以上三者均有可能造成全市场石英 坩埚平均使用寿命缩短，从而增加外层砂需求量。

2023年硅料供应持续放量，高纯石英砂紧张或接替成为阶段性主要矛盾。硅料新增 产能释放，硅料瓶颈逐渐破解，据中国有色金属工业协会硅业分会数据，2022年国 内多晶硅产能120万吨，2023年底产能预计翻番达到240万吨，全年有效产能达150 万吨。当前硅料价格已出现松动迹象，刺激硅片需求增长，然而2023-2024年除石英 股份外，内层砂无明显供给增量，尤其今年上半年市场内几乎无任何新增内层砂产 能，供需错配矛盾显著。据中国有色金属工业协会硅业分会2023年2月23日消息，近 期多数专业化企业反映石英坩埚限制拉晶产出，开工率难提升，硅片端出现阶段性 供应短缺。

为保障硅片质量及稳定生产，硅片厂商对石英砂价格容忍度较高。光伏用高纯石英 砂产业链上下游关系为：石英矿→高纯石英砂→石英坩埚厂/硅片厂，硅片厂是光伏 用高纯石英砂终端消费者，为确保硅片生产稳定性，对石英坩埚产品质量、稳定性、 及时供应要求较高，对价格有一定容忍度。

石英坩埚及石英砂品质和保供是晶棒拉 制环节的重要变量，硅片厂与坩埚厂合作关系紧密，合作模式大致可分为：①与坩 埚厂形成长期稳定合作关系，如TCL中环与欧晶科技，晶科能源与江西中昱；②委外 加工或自有坩埚厂加工，并直接与高纯石英砂供应商建立战略合作，如TCL中环、隆 基绿能、双良节能等均对高纯石英砂采取了保供措施。独立坩埚厂为确保高品质石 英砂原材料供应、坩埚成品交付，通常需要垫付一定营运资金用于预付、存货及应 收，也倾向与硅片厂加深绑定以换取稳定订单及现金流。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）