高纯石英砂 ：抢手的“沙子”
高纯石英砂或成为资本市场新风口。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。
近来，高纯石英砂价格一直处于稳定的局面。根据行业的统计，高纯石英砂的价格目前内层砂均价41.5万元/吨，中层砂均价19.5万元/吨，外层砂均价8.5万元/吨。
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。相关统计显示，从2019年到2023年，全球光伏发电装机容量年平均增长率达到28%。咨询机构伍德麦肯兹表示，在大多数国家，太阳能已经成为最具成本优势的能源。2023年，全球光伏发电装机容量已经超过水电。未来10年，光伏产业仍将保持较高增速。
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%，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%，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、外层砂基本已经实现国产。
根据预测，2023年全球太阳能光伏新增装机容量有望达到375吉瓦，总装机容量同比增长31.8%。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
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 NORTHAMERICA,INC.）、挪威天阔石公司（The Quartz Corp）、日本的石英砂公司 （ Covalent MaterialsCorporation）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，2023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。
汪灵教授为首的科研团队和7项高纯石英组合专利受让方工程技术团队，历经两年技术攻关，在罗江建成了我国首条以国产矿石为原料具有完全自主知识产权的全自动高纯石英砂高端产品生产线，并于同日实现了成功点火运行。标志着我国攻克了4N8高纯石英砂高端产品生产的成套关键技术，解决了我国长期以来无法自主生产4N8高纯石英砂高端产品的难题，实现了4N8高纯石英砂生产的智能化和绿色环保，对我国高纯石英产业高质量发展具有重大意义。
除天然石英砂提纯之外，人工合成石英砂越来越多企业加入并投产。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，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。
