（報告出品方/作者：中銀證券，李可倫、陳浩武）高純石英砂：工業重要原料，礦源決定產品純度高純石英砂，高端制造業的關鍵材料高純石英砂是光伏、半導體行業關鍵性原輔材料：高純石英砂是指由天然石英礦物經過一系列物理和化學提純技術生產的具有某種粒度規

（報告出品方/作者：中銀證券，李可倫、陳浩武）

高純石英砂：工業重要原料，礦源決定產品純度

高純石英砂，高端制造業的關鍵材料

高純石英砂是光伏、半導體行業關鍵性原輔材料：高純石英砂是指由天然石英礦物經過一系列物理 和化學提純技術生產的具有某種粒度規格的高純非金屬礦物原料，是一種堅硬、耐磨、化學性能穩 定的硅酸鹽礦物。高純石英砂純度高、品質好，生產的石英制品具有耐高溫、耐腐蝕、低熱膨脹性、 高度絕緣性和透光性等優異的物理化學屬性，被廣泛用于光伏、電子、高端電光源、薄膜材料、國 防科技等領域，是高端制造行業不可替代的原輔材料。

高純石英砂國際公認標準以尤尼明 IOTA-CG 為準：國際公認的高純石英砂是以美國尤尼明公司（現 矽比科）IOTA-CG 為標準，十二種元素雜質（Al,K,Na,Li,Ca,Mg,Fe,Mn,Cu,Cr,Ni,B）的含量小于 20ppm，其 中堿金屬（K,Na,Li）分別小于 1ppm 的高技術產品。

目前，高純石英砂主要來源于石英礦物：高純石英最初是從一、二級天然水晶中深度提純得到的， 天然水晶制備高純石英砂工藝較為簡單，水晶原礦經過粉碎、磁選、浮選、酸浸、干燥、焙燒后得 到成品石英砂，但目前水晶資源逐漸匱乏，成本較高，且生產過程中雜質含量高、能耗高、產品質 量穩定性差。自上世紀 70 年代開始，美國等國家開始探索用普通石英代替水晶制備高純石英砂，從 天然巖石礦物提取高純石英砂原料是目前世界上生產天然高純石英砂的最先進技術，對礦石的品質 要求高，提純技術復雜，目前全球只有美國尤尼明、挪威 TQC 和石英股份等極少數公司具備規模化 量產高純石英砂的能力。目前，石英礦物逐漸替代水晶成為高純石英砂的主要原料。

礦源質量決定高純石英砂產品純度

高純石英砂純度取決于石英原料質量：高純石英砂純度與原料中雜質元素含量高低并不是簡單的對 應關系，而是與原料工藝礦物學特征所決定的雜質可選性密切相關。不同類型石英礦的礦物學特征 存在明顯差異，石英礦的礦物學特征主要有四類： 1）化學成分與雜質元素賦存狀態：化學成分只反應了石英所含元素的種類和含量，但難以對石英原 料是否具備加工為高純石英的潛力做出正確判斷。石英原料具有雜質元素種類多、含量高、賦存狀 態多樣化等特點。

2） 礦物組成與嵌布特征：共伴生獨立脈石礦物（如云母、長石、赤鐵礦、電氣石、綠泥石和黏土 礦物等）是石英中雜質元素的主要載體礦物，且在地質成礦過程中佷容易成為石英中的礦物包裹體， 是制約最終石英產品質量的重要因素之一。石英與脈石礦物嵌布特征直接影響石英單體解離度，進 而影響選礦提純效果。石英受成巖作用和變質作用改造強度越大，石英與脈石礦物的嵌布差異越明 顯，嵌布特征也逐漸由毗鄰型轉變為縫狀、甚至包裹型，在粉碎過程中單體解離難度依次增加，被 加工為高純石英的可能性也逐漸降低。

3） 流體包裹體：礦物或巖石中廣泛存在流體包裹體，每立方厘米中含有流體包裹體數量大約為 102 -109 個，直徑一般小于 50μm。流體包裹體在形成過程中所捕獲的流體屬過飽和溶液，當溫度降低時 會從溶液中結晶形成包括石鹽、鉀鹽以及一些硅酸鹽礦物的子礦物，因此流體包裹體中含有堿金屬 K、Na、Li 離子和堿土金屬 Ca、Mg 離子。石英制品在高溫下具有變成二氧化硅的晶體（方石英）的 趨向，通常稱為析晶。析晶會影響石英制品的產品性能，而堿金屬雜質會誘發析晶現象。相比于雜 質元素，流體包裹體除去難度更大，是影響最終石英產品質量的關鍵性因素之一。因此，選擇流體 包裹體含量極少或無流體包裹體的石英作為高純石英原料是加工高純石英的關鍵之一。

4）晶格雜質：石英晶體在形成過程中，一些元素會替代硅元素進入石英晶體中，形成了石英的結構 性雜質。這些雜質含量很低，但從石英中分離難度較大，是制約高純石英質量關鍵性因素之一。在 石英結構性雜質中，Al 雜質元素含量一般最高。由于 Al 是以 Al3 +替代 Si4+的形式存在，引起了石英晶 格內部電荷不平衡，當石英中存在大量 Al 雜質時，Li、K、Na 等雜質元素的含量會增加。在現有加工 技術下，石英原料中晶格雜質幾乎不能被除去。以晶格雜質形式存在的 Al 元素含量雖然極低但除去 難度極大，是制約高純石英最終質量的關鍵之一。

實踐證明，依目前的加工技術水平，并不是所有的脈石英和花崗巖石英都能夠加工高純石英，能夠 加工高端產品的只是極少數，甚至是極個別。 礦源質量差異對國產廠商提出較高的技術要求：天然石英礦石因形成的地質條件不同，直接影響了 生產提純后的高純石英砂的質量，全球不同產地的天然石英礦的雜質含量、雜質分布、化學元素等 指標各不相同。美國尤尼明生產的高純石英砂利用的石英礦石是全球稀有的白崗巖礦石，經巖漿作 用形成的火成巖，具有礦體規模大、石英中流體雜質少、礦石品質穩定等優點。而國產廠商使用的 脈石英多形成于巖漿熱液條件，雖然石英含量高，但具有石英中流體雜質多、礦體規模小、礦石品 質不穩定等缺點。因此，對國內礦石的提純技術和工藝較國際更為復雜。

檢測與提純技術是制備高純石英砂的核心技術

檢測技術是制備高純石英砂的基礎和前提：高純石英砂對 SiO2純度要求極高，純度依賴于礦源本身 的質量特性，因此選礦技術是制備高純石英砂的前提技術。由于化學分析法和 X 射線縈光光譜法 （XRF）自身特點的限制，難以滿足高純石英質量的檢測要求。電感耦合等離子體發射光譜法 （ICP-OES）利用光照射到某個檢測單元后，產生一定量的電荷，并且儲存在檢測單元內，然后采用 電荷轉移的方式將其讀出的原理，對金屬元素具有良好的檢出限，并具有檢測時間短、靈敏度高、 精確度好等優點，使之成為一種高純物料微量化學成分檢測的常用方法。但由于技術保密等因素， 高純石英質量的 ICP 檢測分析方法未得到普及。目前，與國際先進水平（美國尤尼明）相比，我國 高純石英質量的 ICP 檢測效果存在明顯差距。

石英礦物深度提純技術是制備高純石英砂的主流技術：高純石英的制備方法主要有三大類，分別為 天然水晶粉磨加工、石英礦物深度提純及用含硅化合物化學合成。由于天然水晶資源逐漸枯竭，而 化學合成法技術較復雜、成本較高，難以大規模工業應用，因此，石英礦物深度提純技術是制備高 純石英砂的主流技術。 高純石英礦物深度提純技術包括分離雜質和去除包裹體兩個核心環節：高純石英砂提純工藝包括分 離雜質和去除包裹體兩個環節，其原理為粉碎分級使石英礦物與脈石礦物單體解離并得到相應粒級 的石英顆粒，之后再根據石英中雜質元素賦存狀態選擇有針對性的加工技術使獨立礦物雜質、包裹 體雜質和晶格雜質與石英有效分離。主要工藝環節包括：粉碎（粗碎、細碎和磨礦）、分選（粒度 分選、浮選、磁選）和化學浸濾。

1）粉碎—分級預處理：預處理階段目的是初步篩選雜質或將石英原料破碎到有利于雜質釋放與后續 處理的所需的粒度，一般采用機械破碎、電動粉碎、光學分選、超聲破碎、熱沖擊破碎等處理方式。

石英粉碎處理需要考慮到有效單體的解離效果和粉碎過程中二次污染兩個方面因素：石英解離過程 中為了避免鐵雜質的二次污染影響和提高解離效果，可采取熱力粉碎、高壓脈沖粉碎、超聲破碎手 段。但這些方法缺點是能耗大、成本高，而傳統機械法相較于上述方法具有低成本和較高的二次污 染特點。傳統機械法是使用顎式破碎機或錐形破碎機將礦物粉碎到所需的粒度，顆粒形態為不規則 棱角狀。相對于傳統機械法，脈沖放電破碎巖石具有更明顯的優勢，主要分為液電效應破碎和電破 碎兩種形式，高壓放電產生的沖擊波，使巖石沿晶界斷裂并有選擇性地指向礦物包裹體，有利于雜 質的釋放和后續的處理，還可最大程度地保留礦物的粒度和形貌特征；脈沖放電破碎通常在水介質 中進行，具有無塵環保的特點。與傳統破碎相比，電動破碎在處理雜質方面更有效，而且不會引入 大量的鐵污染。

2）共伴生獨立礦物分選：分選石英中礦物雜質最常用方法是磁選和浮選。多段強磁選不僅可以從石 英中分選出已單體解離的強磁性和弱磁性礦物雜質，而且對石英中磁性礦物包裹體和連生體也有一 定分選效果。云母、長石等硅酸鹽礦物是石英中鋁雜質的主要來源之一，由于其與石英物理、化學 性質類似，常采用浮選法進行分離。為了有效降低石英中鋁雜質含量，需要進行多次精選。通過預 處理和物理分選后，石英中絕大部分獨立礦物雜質已被分離，SiO2 含量一般可以達到 99.9%左右，但 并未達到高純石英的技術要求，主要因為預處理和物理分選只對石英和獨立礦物雜質分離具有顯著 效果，對降低石英中包裹體雜質和晶格雜質幾乎沒有作用。

3）包裹體雜質與石英分離：與物理選礦相比，化學處理去除雜質的效率更高，酸可在微裂縫和晶界 內深度滲透的優勢可更好地處理包裹體和晶格類型的雜質。酸洗、浸出和熱氯化是三種主要的化學 處理工藝。酸洗和浸出對包裹體雜質處理效果較好，而熱氯化可以清除較難處理的晶格雜質。酸洗 是使用鹽酸或硫酸等溶解力較低的酸，而浸出則使用高溫的氫氟酸，以最有效地去除表面游離雜質 和富集在微裂紋和沿位錯的雜質。

①礦物包裹體混合酸溶解：礦物包裹體混合酸溶解利用石英只能溶解在氫氟酸中，而其他礦物包裹 體雜質能被酸溶解的特點，實現石英與雜質的分離，常用的酸有硫酸、鹽酸、硝酸、氫氟酸等。天 然石英礦物中雜質種類多且存在形式復雜，使用混合酸溶解石英中礦物包裹體雜質對石英砂提純效 果最佳。混合酸溶解礦物雜質被認為是高純石英加工過程中最重要環節之一，在礦物雜質被溶解的 同時也可能脫除石英中的晶格雜質。但混合酸溶解礦物雜質反應程度低、過程緩慢，不僅消耗了大 量時間和酸溶液，同時也造成了嚴重的環境問題。

②流體包裹體高溫爆裂：石英在高溫焙燒過程中，隨著溫度升高當流體包裹體內部壓力大于石英對 包裹體束縛壓力時，流體包裹體發生突然爆裂內部雜質得以釋放，再經后續酸清洗可以溶解流體包 裹體內部雜質。

③氯化脫氣：氯化脫氣是將石英加熱到 1000-1500℃并通入 Cl2、HCl 或混合氣體的高溫處理方法，不 僅可以使金屬雜質元素在高溫下生成氣態氯化鹽揮發出來，更對石英中的流體包裹體有一定的脫除 效果。其原理為：高濃氯氣作用下，石英顆粒表面與內部會存在促使流體包裹體向外擴散的化學位 梯度，進而脫除了石英中的氣液包裹體和羥基。

4）晶格雜質脫除：氯化脫氣除了有助于脫除流體包裹體外，也有助于脫除晶格雜質。其原理為：1500℃ 高溫時，石英向方石英相轉化，會發生鍵的斷裂和重組，石英晶格發生膨脹，有利于金屬雜質元素 向石英表面遷移擴散。相比于真空氣氛焙燒，氮氣氣氛焙燒時石英向方石英轉化率更大，石英晶格 雜質元素遷移擴散效率可能更高。石英中的雜質組分與氯化劑作用轉變為氯化物而揮發出來，石英 在高溫氯化焙燒過程中存在晶型轉變，使得石英晶格中的金屬離子可能會遷移擴散到石英表面，與 HCl、NH4Cl 和 Cl2等發生化學反應變成易揮發組分而實現與石英的分離，同時也阻止了雜質元素在冷 卻過程再遷移擴散至石英晶格中。

化學合成高純石英：高純石英砂潛在量產新技術

合成石英砂嶄露頭角：隨著全球范圍內天然水晶和高品質石英礦脈的逐漸枯竭，化學合成生產高純 石英得到重視。此外，合成石英材料因為其純度更高、光學性能更良等特性，除了在高端光學領域 得到廣泛應用以外，也符合半導體制程對石英制品高純、無污染、耐高溫的要求，尤其是隨著半導 體芯片線寬越來越窄，普通的天然石英材料已經無法滿足高端生產工藝的要求，合成石英成為 10nm 制程以下的半導體芯片刻蝕環節中的重要部件。光掩模版需求旺盛，也帶動合成石英材料的需求。 目前全球高純合成石英材料主要生產企業包括美國康寧公司、德國賀利氏、日本東曹株式會社、日 本信越石英株式會社以及國內的菲利華。（報告來源：未來智庫）

目前，制備高純合成石英的技術路線主要有四種，即氣相合成法、化學沉淀法、溶膠-凝膠法、四氯 化硅液相水解法：

1）氣相合成法：即火焰水解法，與氣相白炭黑工藝類似，其原理是采用硅或有機硅的氯化物（如 SiCl4 或 CH3SiCl3等） 作為原料，將其氣化后與氫氣、氧氣混合，在高溫下發生水解形成霧狀的 SiO2，最 后通過冷卻、分離、脫酸等氣固分離得到產品。 該法得到的產品為氣相 SiO2，粒徑小于 100nm，外 觀蓬松多孔，比表面積大，化學純度高，分散性較好。 工藝特點：生產流程簡單，合成條件易控制，反應速度快，適合大規模生產；由于過程中需要高溫 環境，反應生成的 HCl 會嚴重腐蝕設備，因此對生產設備的材質、加熱形式等要求比較嚴格。 由于 氣相法耗能大，加工成本較高，還需在反應條件與設備選型等方面進一步探討和研究。

2）化學沉淀法：化學沉淀法是合成石英粉體較為廣泛的方法之一，目前技術已經成熟，已用于工業 化生產。 沉淀法生產 SiO2的原理：采用硅酸鈉與二氧化碳或酸溶液（加鹽酸、硫酸或硝酸）作為原 料，在一定的合成溫度和表面活性劑的作用下混合反應，得到偏硅酸沉淀，再經過濾、洗滌、干燥、 煅燒工序制備出 SiO2。 工藝特點：該生產工藝具有操作方便，生產流程簡單，原料易得，能耗和投資低等優點；但是 Fe3+、 Al3+、Ca2+等雜質的存在會導致凝塊的形成，嚴重影響產品的質量，導致產品性能差、純度低、粒徑 大、易發生團聚；也存在反應體系的濃度較低、沉淀速度快、沉淀過程不易控制的缺點；另外，廢 酸、廢水的處理給環境帶來一定的破壞。

3）溶膠-凝膠法：溶膠-凝膠法是以無機鹽或者金屬醇鹽（一般為硅酸乙酯）為原料，以醇作為共溶 劑，加入酸或堿溶液作為催化劑，進行水解，縮聚反應形成 SiO2凝膠，過濾并對凝膠中的有機溶劑 進行洗滌，干燥、煅燒得到 SiO2粉體。采用該方法制備 SiO2，生產流程簡單，合成條件易控制，對 設備材料的要求不嚴格，且過程中無其他添加劑，所以制備出的 SiO2 純度較高、均勻度好、比表面 積大， 但是成本較高，生產周期長，工業化價值不大；另外，因為實驗過程中可變因素較多，不能 達到準確控制（如水解體系、干燥方式及燒結途徑等），目前只停留在實驗室小試階段。

4）四氯化硅液相水解法：其原理是 SiCl4與純水接觸發生水解或縮聚反應，之后將反應產物經洗滌、 過濾、干燥、煅燒、篩選等流程，制備 SiO2粉體。 采用 SiCl4液相水解法制備高純石英粉，由于原料 中不含碳，故制備得到 SiO2 粉體純度較高、羥基含量較低。 但是，在規模化生產過程中，四氯化硅 與水發生的水解和縮聚反應劇烈，中間過程難以管控，粉體易團聚，形成的石英粉致密度較低。 因 此，為了滿足產業化生產，該法仍需更深入地探究其工藝控制（如水解控制、干燥及燒結過程等）， 有效減少顆粒團聚現象的發生。

高端制造支撐，高純石英砂需求無憂

高純石英砂主要應用于半導體、光伏、光通訊和電光源領域：根據智研咨詢數據，2012-2019 年，全 球高純石英砂消費量由 73.35 萬噸增長到 121.44 萬噸，年化復合增速為 7.47%。其中，半導體、光伏、 光通訊、電光源等領域對高純石英砂的需求較大。2019 年全球消費高純石英 121.44 萬噸，其中用于 半導體領域消費 79.30 萬噸，占比 65.30%；光通訊領域消費 17.97 萬噸，占比 14.80%；光伏領域消費 14.52 萬噸，占比 11.93%；電光源領域消費 4.74 萬噸，占比 3.90%；其他領域消費 4.91 萬噸，占比 4.04%。 半導體、光伏、光通訊、電光源等戰略性新興產業領域約占消費量的 96%。

全球脫碳支撐光伏終端需求較快增長，石英坩堝用高純砂需求空間廣闊

全球光伏新增裝機有望快速增長

全球“脫碳”支撐中長期需求：當前，盡快實現碳中和已成為全球共識，在拜登就任以后，美國已重 新加入巴黎協定，計劃投入 2 萬億美元在交通、建筑和清潔能源等領域，在政治上把氣候變化問題 納入美國外交政策和國家安全戰略，繼續推動美國―3550‖碳中和進程，即 2035 年電力部門實現碳中和， 2050 年實現 100%清潔能源，實現凈零排放；近期美國《重建更好法案》通過眾議院表決，光伏 ITC 政 策延長至 2026 年并首次適用于儲能資產，PTC 恢復且風電保持全額抵扣至 2026 年，有望刺激美國新 能源發電裝機進入高增長通道。根據美國能源署能源數據管理局（EIA）最新發布的預期，美國將在 2022-2023 年部署 38.3W 新增太陽能發電裝機。歐盟委員會提出到 2050 年歐洲在全球范圍內率先實現 碳中和，同時為 2030 年設定了減排中期目標，其溫室氣體排放量至少要比 1990 年的排放水平減少 55%。2022 年 5 月，歐盟委員會提出 REPower EU 方案，計劃到 2025 年，光伏累計裝機量達到 320GW， 到 2030 年光伏累計裝機量達到 600GW。根據歐盟委員會最新的能源戰略，SolarPowerEurope 認為樂觀 預期，2030 年歐盟有望實現 1TW（1000GW）的太陽能發電總裝機。日本首相菅義偉則于 2020 年 10 月 宣布日本將于 2050 年前實現碳中和。隨著全球主要經濟體進入―脫碳‖周期，預計全球新能源發電新 增裝機量有望維持穩定增長。

高純石英砂是石英坩堝核心原材料，其純度顯著影響拉晶效果

高純石英砂在光伏領域的應用為制造石英坩堝：石英坩堝是光伏領域高純石英砂的主要制品，主要 應用于支持高溫條件下連續拉晶，是用來裝放多晶硅原料的消耗型石英器件。石英坩堝具有潔凈、 同質、耐高溫等性能。從物理熱學性能上看，石英坩堝的形變點約為 1100℃，軟化點約為 1730℃， 其最高連續使用溫度約為 1100℃，短時間內可達到 1450℃，其高純和高耐溫耐久性為單晶拉制以及 單晶品質提供保障，是單晶拉制系統的關鍵輔料之一。

電弧法是制備石英坩堝的主流制備技術：目前，拉單晶的石英坩堝一般是采用電弧法生產，其原理 為：將高純石英粉裝入可任意傾動角度的旋轉成型模內，利用離心力成型，將已成坩堝形的旋轉著 的裝臵移動至電極棒處，然后將電極送電啟弧，同時啟動真空系統，使其快速熔化成坩堝形狀的熔 融石英，經冷卻后取出，即完成一個石英坩堝的熔制。

石英坩堝呈現內外雙層結構：早期的石英坩堝是全透明的結構，這種透明的結構容易導致不均勻的 熱傳輸條件，增加晶棒生長的難度，且均勻的結構對高品質的高純石英砂需求較大，成本較高，因 此這種石英坩堝的制備方法基本被淘汰。電弧法制備的石英坩堝為半透明狀，有內外兩層結構，外 層是高氣泡密度的區域，稱為氣泡復合層。氣泡復合層受熱較均勻，保溫效果較好；內層是一層 3-5mm 的透明層，稱為氣泡空乏層。氣泡空乏層的存在使坩堝與溶液接觸區的氣泡密度降低，從而改善單 晶生長的成功率及晶棒品質。

石英砂純度顯著影響拉晶質量：拉晶的過程中，石英坩堝內部的羥基、雜質元素和氣泡的含量將會 影響硅棒的質量和石英坩堝的使用壽命，其中工藝路線能夠改善羥基的含量，但雜質與氣泡的含量 更多依賴于石英砂本身的純度。

1）羥基（-OH）含量：坩堝中的羥基（-OH）是影響坩堝強度的核心因素，由于羥基的存在，改變了 SiO2的鍵合結構，致使坩堝的耐溫性能大幅降低，例如坩堝中的羥基含量超過 150ppm，1050 攝氏度 就會開始軟化變形，無法正常使用。坩堝中的羥基含量主要與坩堝制備所選取的工藝路線直接相關， 也與環境濕度以及原料選取等有關。

2）雜質含量：石英砂的流體包裹體和晶格雜質中的堿性離子的存在是導致石英坩堝析晶的主要因素， 尤其是堿金屬離子的存在，將會降低析晶溫度 200-300℃，導致析晶加速。石英坩堝內壁發生析晶時 有可能破壞坩堝內壁原有的涂層，將導致涂層下面的氣泡層和熔硅發生反應，造成部分顆粒狀氧化 硅進入熔硅內，使得正在生長中的晶體結構發生變異而無法正常長晶。此外，析晶將減薄石英坩堝 原有的厚度，降低了坩堝的強度，容易引起石英坩堝的變形。因此石英砂純度對拉晶質量有較大程 度的影響。

3）氣泡（氣體包裹體）含量：氣泡（氣液包裹體）主要由結晶水和氣組成，氣的成分主要有 CO2、 H2O、H2O2、N2、CH4、CO。在坩堝使用過程中，由于與硅液接觸的內表面不斷向硅液中熔解，并且 伴隨著透明層中的微氣泡不斷的長大，靠近最內表面的氣泡破裂，伴隨著硅液釋放石英微顆粒以及 微氣泡。而這些雜質會以微顆粒以及微氣泡的形式伴隨著硅液流遍整個硅熔體，直接影響到硅的成 晶（整棒率、成晶率、加熱時間、直接加工成本等）以及單晶硅的質量（穿孔片、黑芯片等）。目 前，通過使用低氣泡密度的高純度石英砂作為石英坩堝的內層，可有效減少內表面氣泡破裂現象， 為長時間拉晶（如多次復投料）提供保障。

連續多次投料等拉晶發展方向對石英砂純度提出更高要求：拉棒單爐投料量是指一只坩堝用于多次 拉棒生產的總投料量，其中坩堝使用時間為關鍵因素之一。根據 CPIA 數據，2021 年，拉棒單爐投料 量約為 2800kg，較 2020 年的 1900kg 有大幅提升，主要得益于熱場尺寸增加以及所拉棒數增加。在連 續投料和 RCZ 復投技術的應用下，拉晶對石英坩堝的壽命、強度和尺寸提出了更高的要求，對應到 坩堝的具體性能來看，石英砂的低氣泡含量成為至關重要的指標。此外，拉晶廠對不斷提升成晶率 和硅棒品質需求也對石英坩堝核心性能——內表層氣泡含量提出更高要求。

硅片快速擴產&N 型硅片滲透加速，支撐坩堝用高純石英砂需求快速增長

硅片環節積極擴產，石英坩堝需求有望爆發：單晶硅片環節積極擴產，其中，隆基股份預計在 2022 年以后在曲靖、麗江和楚雄共擴建 30GW 硅片產能，中環股份在寧夏擴建 50GW 單晶硅棒產能，上機 數控、京運通、億晶光電、通威股份、雙良節能、高景太陽能等企業亦有較大的擴產計劃。下游龍 頭企業積極擴產，大幅新增單晶爐裝機量，石英坩堝的需求有望爆發。

N 型電池滲透，石英坩堝用高純砂需求無憂：與 P 型電池相比，N 型電池具有轉換效率高、雙面率高、 溫度系數低、無光衰、弱光效應好、載流子壽命更長等優點。目前，P 型 PERC 電池逐漸迫近效率天 花板，而 N 型電池效率天花板較高，未來轉換效率提升空間較大。隨著 N 型電池工藝和效率的不斷 優化，N 型電池中技術相對成熟的 HJT 和 TOPCon 滲透率將進一步提升。根據 CPIA 數據，HJT 和 TOPCon 的市場份額將由 2020 年的 4%提升至 2030 年的 36%。在光伏硅片中，P 型硅片單晶純度＜200ppm、N 型單晶硅片純度＜100ppm 。為滿足 N 型硅片對純度的更高要求，拉制 N 型硅棒的石英坩堝需要增加 更換的頻率以減少雜質的累積，因此 N 型單晶石英坩堝的更換頻率高于 P 型單晶坩堝，更換次數提 升有望驅動石英坩堝用高純砂需求提升。

2022-2025 年光伏行業高純石英砂需求量平均復合增速有望達到 25.52%：根據我們的測算，2022-2025 年全球光伏行業高純石英砂需求量分別為 6.23 萬噸、7.56 萬噸、9.18 萬噸、12.32 萬噸，年均復合增 速為 25.52%。

光源、光纖、半導體三重驅動，高純石英砂需求無憂

半導體：電子信息行業快速發展帶動高純石英材料需求提升

高純石英制品在半導體領域不可或缺：高純石英材料物理性能優異，是半導體產業中不可缺少的支 撐材料。高純石英材料由于其耐溫，耐酸，低膨脹和極佳的管夠透過性的特殊物理性能，滿足了半 導體工業對載具材料中堿金屬和重金屬含量的苛刻要求，在半導體生產過程中需要消耗大量的石英 片、環、板、法蘭、刻槽舟、擴散爐管、清洗槽等高品質石英材料，石英材料的應用貫穿了半導體 制程擴散、氧化、沉積、蝕刻等關鍵過程。在電子信息技術快速發展的環境下，半導體產業的快速 發展也將促進石英材料和制品的應用范圍和使用量的增長。（報告來源：未來智庫）

光纖：5G 推動光纖用高純石英砂需求平穩增長

高純石英砂在光通訊領域主要用于制造光纖預制棒和輔材：光纖預制棒是具有特定折射率剖面、用 以制造光纖的石英玻璃棒，是光纖拉制工藝中的重要材料，由芯棒和外包層套管組合而成。芯棒決 定了光 纖的傳輸性能，而外包層決定了光纖的制造成本和質量，兩個部件對于石英材料純度的要求 均非常高。除了光纖預制棒外，石英還應用在靶棒、尾棒、燒結管等輔材，也可以用于光纖預制棒 生產支撐材料、光纖拉絲用支撐材料等。

5G 建設步入正軌有望推動全球光纖光纜需求量平穩增長：受政策支持及 5G 需求推動，國產光纖迎 來快速增長。根據 CRU 研究數據，2011-2018 年全球光纖光纜需求量保持平穩增長，年均復合增速為 14.13%，其中 2018 年全球光纖光纜需求量為 5.12 億芯公里。光纖作為 5G 智能時代的神經網絡，隨著 未來 5-10 年的 5G 建網周期，光纖的需求量將會持續增長，尤其是 5G 從 NSA 到 SA 組網演變以后， 全球光纖需求將增長上量。此外，隨著疫情逐步得到有效控制，全球經濟恢復正常，運營商的固網、 5G 建設將步入正軌，全球光纖需求有望迎來快速增長。根據 CRU 的預測，2021 年全球光纖光纜需求 量將達到 6.17 億芯公里，同比增長 7%。到 2025 年，全球光纖電纜市場規模將達到 278.8 億美元，期 間年均復合增速將達到 11.7%。

光源：光源市場整體需求保持穩步發展

光源市場整體需求保持穩步發展：光源石英管是傳統光源的重要原材料，一般用于生產鹵素燈、HID 燈、汽車燈等照明產品以及紅外加熱燈、紫外殺菌燈等特種光源，是上述電光源產品的基本泡殼材 料。根據 QYR（恒州博智）的統計及預測， 2021 年全球光源市場銷售額達到了 319.8 億美元，預計 2028 年將達到 439 億美元，年復合增長率（CAGR）為 4.2%（2022-2028）。

特種光源市場需求快速增長：近年來，特種光源仍在深度發展，農用植物生長燈、影院燈、激光燈、 半導體光清洗燈等高端光源石英材料市場需求仍保持一定的增速，尤其是在紫外領域特種光源更有 著 LED 無法比擬的優勢。特種光源是采用特種石英材料作為主體材料的光源產品，這些特種石英材 料一般具有高透紫外光譜或紅外光譜等性能的石英主體材料。紅外加熱、紫外固化、紫外線消毒、 紫外活化處理、紫外氧化、高品質分析等高端光源應用快速提升，其中紅外光源廣泛應用于熱加工 工藝，紫外固化應用于涂料、顏料涂層領域。隨著人們的個人衛生及公共安全意識大幅度提高，促 使消毒殺菌的紫外光源行業獲得了空前的發展。紫外活化處理及紫外氧化應用于污水處理及廢氣降 解領域，也可應用于飲用水過濾領域，廣受環保行業青睞，高品質分析及測量燈具越來越多的應用 于分析及測量設備領域；因此，隨著我國工業技術的進一步發展、人們大健康意識日益提高以及高 尖端設備儀器的應用推廣，促使未摻雜/摻雜濃度不一的天然石英玻璃管和合成熔融石英管的需求呈 現新高。

高端供給有限，光伏用高純石英砂供需或偏緊

全球高純石英原料儲量有限，高純石英砂產能平穩提升

全球共有 14 處高純石英原料礦床，美國斯普魯斯派恩(Spruce Pine) 礦的高純石英原料資源規模最大： 目前，全球高純石英原料礦床分布于美國、挪威、澳大利亞、俄羅斯、印度、中國、加拿大等 7 個 國家。除中國外，共有 14 處礦床，其中，有生產礦山的 7 處，尚未開采生產的 7 處。美國斯普魯斯 派恩（Spruce Pine） 礦的高純石英原料主要為花崗偉晶巖（白崗巖），礦源質量較高，資源規模最 大，超過 1000 萬噸；資源量最小的是挪威德拉格（Drag）礦，僅有 26.7 萬噸。

全球高純石英原料存儲量有限，呈現下滑趨勢：隨著新興戰略行業的不斷發展，市場對高純石英的 需求量逐漸增多，高純石英原料存儲量呈現下滑的趨勢。根據智研咨詢數據，以 SiO2 含量≥ 99.9% 為 口徑，2014 年以來，高純石英原料的存儲量從 9494 萬噸下降至 2019 年的 7287 萬噸。儲量結構方面， 巴西是高純石英砂全球第一大資源量國，2019 年存儲量為 2111 萬噸，占比 28.97%，礦石類型主要為 天然水晶。但由于巴西政府強令禁止原礦出口，加上基礎設施的落后和礦石質量變化大，出口量較 小；美國是第二大資源量國，2019 年資源量為 1822 萬噸，在全球占比 25.0%，礦石類型主要為花崗 偉晶巖，分布在北卡羅來納州 Spruce Pine 地區；加拿大位列全球第三，2019 年資源量為 1000 萬噸， 占比 13.72%，礦石類型主要為脈石英，主要分布在魁北克省東南部約翰比茲灣的海岸帶。我國的脈 石英和水晶 2019 年資源量為 685 萬噸，其中水晶資源量僅為 0.69 萬噸。挪威、俄羅斯和印度的脈石 英資源，馬達加斯加的水晶資源在全球占一定比例。

全球 3N（SiO2>99.9%）以上高純石英產能不斷提升：全球生產高純石英砂的國家主要有美國、中國、 挪威、加拿大、俄羅斯、巴西等國。隨著技術的不斷進步，全球及各國的高純是石英產能在不斷提 升。根據智研咨詢數據，全球純度在 3N 以上的高純石英砂的產能從 2012 年的 105.22 萬噸/年增長到 2019 年的 173.14 萬噸/年，其中美國高純石英砂的產能由 55.77 萬噸/年增長到 95.23 萬噸/年，中國高純 石英砂的產能由 10 萬噸/年增長到 27 萬噸/年。

適用于光伏、半導體純度等級的高純石英砂產能有限：目前，純度等級在 4N5（SiO2=99.995%）以上 的高端產品產能較少，這類高端產品主要用于制造石英坩堝、石英管、石英棒、石英舟和石英錠。 其中，石英坩堝內涂層對高純石英砂純度要求更高，純度等級需要達到 4N8（SiO2=99.998%），而石 英坩堝外涂層、石英管、石英棒、石英舟和石英錠等產品達到 4N5 即可。根據我們的統計，目前 4N5 以上高純石英砂產能較少，總產能不超過 10 萬噸。

海外企業主導供應格局

美國尤尼明（現矽比科）、挪威 TQC 等海外企業主導高純石英砂供應：全球范圍內高純石英砂的主 要生產廠商有美國矽比科，挪威 TQC 以及石英股份。美國矽比科與挪威 TQC 占有礦產資源優勢，高 純石英原料儲量豐富、產品質量高，長期主導全球高純石英砂供應。

1）矽比科：美國尤尼明自 1970 年起即在美國 Spruce Pine 礦區采礦，采用 MRL 改進的提純工藝生產 高純石英砂，并建立了超純石英的 IOTA 標準，一度壟斷了世界高純石英砂市場。2018 年美國尤尼明 的高純石英砂業務被整合至比利時矽比科集團，負責位于美國 Spruce Pine 的石英礦開發及高純石英 砂生產。美國矽比科擁有的白崗巖礦石，礦體規模大、流體雜質少， 品質穩定，加之其領先的高純 砂提純技術，在全球高純石英砂市場占據壟斷地位。據統計，矽比科的高純石英保有資源量可滿足 數十年的礦山服務年限。

2）挪威 TQC： 挪威 The Quartz Corp（TQC）由挪威微晶公司( Norwegian Crystallites AS) 與斯普魯斯派恩 的 KT 長石公司(K-T Feldspar Corp.) 、長石公司(The Feldspar Corp.) 于 2011 年合并而成。其石英礦石來源 有：一是和矽比科一樣，來自北卡羅來納州 Spruce Pine 地區的花崗質偉晶巖；二是挪威當地的石英。 TQC 將在美國 Spruce Pine 礦區開采的礦石在當地進行碎磨、分選和初次浮選，然后將半成品海運至 挪威的深加工廠，經二次浮選、磁選、酸浸、高溫焙燒后，制得質量類似于矽比科高純石英砂的產 品。據統計，TQC 公司擁有的高純石英原料資源量大于 1000 萬噸。

3）石英股份：2009 年，石英股份成功攻克了高純石英砂提純技術難題，實現了高純石英砂規模化生 產。目前，石英股份高純石英原料主要來源于印度、挪威、俄羅斯和美國的進口石英砂，以及部分 高質量國產石英礦。

光伏用高純石英砂供需或偏緊

下游需求旺盛疊加海運交期延長，2021 年高純石英砂價格上漲：2021 年，單晶硅片企業擴產速度加 快，對石英坩堝需求大幅上升，造成光伏用高純石英砂價格持續上升。此外，受疫情影響，海運交 付周期延長，貨運成本上升，也推動了光伏用進口高純石英砂價格進一步上升。

2022-2023 年高純石英砂供需或偏緊：根據矽比科、挪威 TQC、石英股份等現有國內外企業產能和擴 產規劃，我們預計 2022 年光伏用高純石英砂可能的供給量范圍在 6.2-6.3 萬噸，對應 6.2 萬噸的需求， 供需或處于緊平衡狀態；2023 年光伏用高純石英砂可能的供給量范圍在 7.7-7.8 萬噸，對應 7.6 萬噸的 需求，供需或仍將處于緊平衡的狀態。其中，進口砂供應量在 2.5 萬噸，對應 2022-2023 年的 3.1 萬噸 和 3.8 萬噸的需求更顯緊俏。 在緊張的供需格局下，高純石英砂存在持續漲價的可能。此外，隨著 下半年硅料新增產能的逐步釋放，硅料價格松動有望推動拉晶廠商開工率提升，從而帶動光伏石英 坩堝用高純石英砂需求的快速上升，光伏用高純石英砂在季度拉晶需求波動的過程中可能會出現階 段性的短缺，屆時高純石英砂價格仍有短期上漲的可能性。

高純石英砂在拉晶成本中占比較低，下游對漲價敏感度有限：按照近期硅料價格 250 元/kg，我們測 算石英坩堝在拉晶成本中占比 2%，單瓦成本 0.017 元/W。根據我們的測算，高純石英砂每上漲 1 萬 元/噸，硅片廠石英坩堝成本增加 0.004 元/W，成本增幅較小，下游對漲價敏感度有限。

石英股份

高端石英領域先鋒，領銜國產替代

高端石英材料深加工領域的優質供應商：石英股份前身東海縣太平洋石英制品有限公司成立于 1999 年，經歷股權轉讓后于 2010 年完成股份制改革，2014 年 10 月公司在上交所上市。公司是一家集科研、 生產、銷售為一體的高端石英材料深加工領先企業，在光源、光伏、光纖、光學及半導體等領域用 石英材料的市場及技術位居行業前列，主導產品有高純石英砂、石英管棒、大口徑石英擴散管、石 英筒、石英錠、石英板等及多種石英器件。

公司主要產品為石英管棒與高純石英砂，高純石英砂收入占比逐漸提升：公司主要產品為應用于高 端光源和光纖半導體及光伏行業的高端石英管棒和高純石英砂。2017-2021 年，電子級石英管棒占比 超過 65%，近幾年占比逐漸下降，主要系公司逐步擴大高純石英砂業務銷售規模。2019-2021 年，高 純石英砂收入占比分別為 14.57%、22.38%、31.43%。公司業務收入主要來自中國境內，2016-2019 境 內銷售收入占比超過 60%，2020 和 2021 年境內銷售占比高達 70%以上。（報告來源：未來智庫）

光伏石英砂行業有望迎來高景氣，光纖半導體需求無憂

硅片快速擴產&N 型硅片滲透加速，支撐坩堝用高純石英砂需求快速增長：2020 年至今下游龍頭企業 積極擴產，單晶石英坩堝的替換、更新需求量將不斷釋放，需求空間廣闊。此外，隨著 N 型電池工 藝和效率的不斷優化，N 型電池中技術相對成熟的 HJT 和 TOPCon 滲透率將進一步提升。為滿足 N 型 硅片對純度的更高要求，拉制 N 型硅棒的石英坩堝需要增加更換的頻率以減少雜質的累積，因此 N 型單晶石英坩堝的更換頻率高于 P 型單晶坩堝，更換次數提升有望驅動石英坩堝用高純砂需求提升。 根據我們的測算， 2022-2025 年全球光伏行業高純石英砂需求量分別為 6.23 萬噸、7.56 萬噸、9.18 萬 噸、12.32 萬噸，年均復合增速為 25.52%。

5G 建設步入正軌有望推動全球光纖光纜需求量平穩增長：根據 CRU 研究數據，2011-2018 年全球光 纖光纜需求量保持平穩增長，年均復合增速為 14.13%，其中 2018 年全球光纖光纜需求量為 5.12 億芯 公里。光纖作為 5G 智能時代的神經網絡，隨著未來 5-10 年的 5G 建網周期，光纖的需求量將會持續 增長，尤其是 5G 從 NSA 到 SA 組網演變以后，全球光纖需求將增長上量。此外，隨著疫情逐步得到 有效控制，全球經濟恢復正常，運營商的固網、5G 建設將步入正軌，全球光纖需求有望迎來快速增 長。根據 CRU 的預測，2021 年全球光纖光纜需求量將達到 6.17 億芯公里，同比增長 7%。到 2025 年， 全球光纖電纜市場規模將達到 278.8 億美元，期間年均復合增速將達到 11.7%。

高純石英砂量產技術領先行業，光纖半導體業務持續突破

公司掌握高純石英砂量產核心技術，外銷規模快速增長

生產高純石英砂具有較高的技術壁壘：生產高純石英砂是一項復雜的系統工程，不僅需要高質量的 天然石英礦石、先進的生產設備，更需要嚴謹的粗碎、細碎、磨礦、浮選、磁選、化學、物理等多 個步驟的復雜工藝和核心的提純技術，因此，進入高純石英砂行業的技術門檻較高，目前國內外只 有少數幾家公司掌握了高純石英砂的生產技術。

連熔技術創新發展，半導體客戶認證持續突破

高端石英管棒技術壁壘較高：生產高端石英管棒的核心技術主要體現在兩方面，一方面需要高純度 的石英砂原料，高純石英砂提純工藝十分復雜、技術水平要求高，全球僅有少量幾家石英企業掌握 該技術，同行業公司進入該業務領域的壁壘較高；另一方面生產石英制品需要系統的連熔法等生產 工藝，該等生產工藝的應用除了需要先進的生產設備，還需要長時間的經驗與技術積累，因此，行 業競爭對手進入高端石英制品領域所需的技術水平、研發積累等壁壘較高。

不斷突破半導體石英產品國際認證，高端石英市場份額不斷擴大：公司半導體領域用石英系列產品 陸續通過了日本東京電子株式會社（TEL）擴散和刻蝕領域官方認證，成為全球少數通過 TEL 高溫擴 散領域認證的原材料供應商，實現了國產石英材料零的突破；特別是高溫擴散領域認證，由于該認 證技術難度大、認證門檻高、認證程序復雜等特點，短期內難以有新的進入者。隨著公司認證的逐 步推進，又通過了美國拉姆研究（LamResearch）刻蝕環節的國際認證；美國應用材料（AMAT）認證 也陸續取得階段性成果，日本及國內其他國際知名半導體廠商認證也處于快速推進中。半導體產品 認證的逐步通過，使得公司在國際高端半導體石英材料應用市場的份額進一步擴大。

石英管棒出貨量穩定增長，新增產能加速落地：公司石英管棒銷量穩步提升，2021 年實現石英管棒 銷量 9326 噸，同比增長 18.47%。公司加速推動石英管棒新增產能落地，6,000 噸/年電子級石英產品 項目預計 2022 年 10 月達產；1,800 噸/年的石英砣項目進展順利，已建成投產。

市場化技術創新激勵機制促長期高質量發展：公司把技術創新作為提升核心競爭力的關鍵，研發費 用率常年保持在較高水平。在以市場為導向、以績效為核心的主導思想下，公司大力鼓勵技術人員、 管理人員及一線員工開展新產品開發、新設備研究、新工藝革新等技術創新活動，以不斷提高生產 效率，提升產品品質。

（本文僅供參考，不代表我們的任何投資建議。如需使用相關信息，請參閱報告原文。）

精選報告來源：【未來智庫】。未來智庫 - 官方網站