中國粉體網訊 2025年3月27日，由中國粉體網主辦的“2025第三屆集成電路及光伏用高純石英材料產業發展大會”在江蘇東海成功召開！在本次大會現場，中國粉體網記者有幸邀請到宜賓學院材料與化學工程學院袁小武博士做客我們的“對話”欄目。
宜賓學院材料與化學工程學院袁小武博士
中國粉體網：袁博士您好，據了解，您在新能源材料領域研究成果頗豐，其中高純石英砂技術也是您的研究方向之一。對于制備5N2及以上純度的高純石英砂，從您的專業視角看，核心的技術難點集中在哪些方面？
袁博士：其實在高純石英砂中不應該叫5N2以上應該叫4N8以上，4N8其實是個分水嶺，它相當于工業硅或者說是物理法熔煉硅，它的極限是到6N以下（接近6N）。實際上我們國內傳統石英砂技術的極限基本上4N5，然后純度再高那就是礦好。
我實際上是95年開始做單晶硅的生長的，在這個領域里，我深刻領會到坩堝質量好壞對單晶硅生長造成的影響。就坩堝用石英砂而言，存在兩個相互矛盾的關鍵問題。一方面，要求包裹體小、雜質少；另一方面，按傳統技術，將石英礦粉碎至30μm以下時，包裹體尺寸和密度能達到預期，可粒徑卻難以滿足要求。
內層的石英砂實際上更偏向于110-120μm范圍內，所以說進口的矽比科或者說是挪威TQC的產品主要以120μm為正態分布，其中90%以上是在100-150μm的范圍內，因此，若要涉足該領域，就必須要注意怎樣來破解粒徑尺寸和包裹體尺寸以及包裹體密度的矛盾。
在這種情況下，業界現在采取了很多辦法。包括去年，工信部給中建材的年產50噸的中試線，三年內量產15噸的重大專項，實際上也是為了針對這個問題。但是這個問題目前難度很大。
中國粉體網：原料的品質對高純石英砂的最終純度具有重大影響。以您的研究經驗，適合生產5N2及以上高純石英砂的原料應具備哪些關鍵特性？
袁博士：我的看法是，我們目前國內用于高純石英砂原料其實3N5以上已經足夠了，問題在于，我們目前的提純技術還達不到。因為光伏和半導體產業中，我們的主材料是晶硅，晶硅最初的原材料也是石英砂，它的純度只是95%-98%就可以了。晶硅為什么可以達到9個9甚至11個9，而高純石英砂卻難以達到這一純度標準，原因并非原材料本身純度不足，而是我們的技術水平受限。回想我在一線從事生產工作時，國內晶硅純度僅能達到9個9，現在已經可以達到11個9了，這就是我們的技術的進步。
因此我認為，原材料的尋找并不是迫在眉睫的事情，迫在眉睫的事情應該是我們技術的進步。
中國粉體網：您在過往研究中，主持或參與了多項與高純材料相關的項目。在這些項目里，針對4N8及以上高純石英砂，采取了哪些創新的工藝或方法？與傳統工藝相比，有哪些顯著優勢，實際生產效果如何？
袁博士：與傳統工藝相比，我們新增了水熱化學合成環節，利用這一技術將粒徑較小的粉體變大。目前，這項技術已經取得成果，相關情況我會在報告的PPT中展示。此前，我向浙江美晶新材料有限公司送樣100公斤。美晶是晶盛機電旗下子公司，專注于半導體坩堝生產。同時，我們還以協作企業的名義，向菲利華送樣100公斤。美晶的樣品由我外協企業直接送達。
不過，我們在技術應用過程中仍面臨兩個問題：一是堿金屬含量的控制問題；二是許多外協廠家在生產過程中存在酸堿使用不當的問題。如今，粉體行業普遍避免使用酸堿，這與生產高純石英砂的要求相矛盾。過去幾年，我走訪了近十家傳統石英砂企業，發現他們大多采用干法生產，研磨后僅進行水洗。在這種情況下，石英砂表面的金屬雜質很難被徹底去除。部分企業采用酸浸、浮選、磁選等工藝，但是由于很多雜質處于晶格內部，這些打破鍵能的難度較大，因而提純的效率較低。
中國粉體網：您剛才所提到的水熱化學合成法，它用的原料是天然的高純石英嗎？還是一些含硅的化合物？
袁博士：我們以天然石英礦作為原材料，對天然石英砂開展一系列處理。通過前期處理，將3N5純度的礦提升到4N2。在此基礎上，借助水熱化學合成技術，進一步把純度提升至5N2。
中國粉體網：從產業發展角度看，隨著光伏、半導體等行業對4N8及以上高純石英砂需求的持續增長，您預測未來該領域的技術發展趨勢會是怎樣的？在工藝優化、設備升級等方面，可能會出現哪些新突破？
袁博士：我目前正處于實驗和研發機構籌建階段，這是一家新型民辦研發機構。機構聚焦于光伏和半導體晶硅用坩堝的高純石英砂領域，力求實現技術突破。為此，計劃搭建一條小型生產線或實驗裝置，對裝置的等級要求較高。
當下，我正在與宜賓高新區方面進行協調，他們已同意提供場地。不過，由于我正在申報的一些國家項目尚未獲批，暫時無法和高新區方面確定所需場地的具體面積。
基于目前的研究以及外協成果，我們計劃將水熱化學合成技術作為核心，同時結合傳統石英砂制造工藝，打造一套集成創新技術體系。具體來說，把傳統石英砂技術與其他產業中已成熟的技術相互匹配，開辟一條全新的技術路線。這條路線并非單純追求成本最低，而是致力于充分滿足高純石英坩堝對高純石英砂的特定需求，確保在技術適配性上達到最優。
中國粉體網：相較于國際先進技術，我國在4N8及以上高純石英砂技術研究方面，目前的差距主要體現在哪些方面？我們該如何縮小這些差距，實現技術的彎道超車？
袁博士：在材料研究領域，材料四要素是我們做材料研究的重要理論依據。材料的組成決定其構成方式，構成又決定材料性質，而性質最終決定材料的用途。常規的材料研發，往往遵循這一邏輯展開。然而，當面對國家或行業的特定痛點時，我們也可以反向推導——從應用領域出發，倒推所需材料的組成。
就拿高純石英砂來說，最初，高純石英砂主要應用于其他領域。在我從事拉單晶工作的那幾年，石英坩堝對高純石英砂的用量極少，每年僅幾十噸。由于用量小，當時石英砂價格也不算貴，大概幾萬美元一噸，所以沒多少人專門去研究它，需要時直接進口即可。
2003年，光伏行業興起，此后歷經起伏。直到2022年底至2023年初，高純石英砂價格突然飆升。一方面，光伏產業爆發式增長，達到了一個臨界點；另一方面，中美科技脫鉤，導致國內難以從矽比科（原尤尼明）進口內層砂原料。當前，國內矽比科的原料，基本被隆基、TCL中環等大廠，以及美晶等大型坩堝企業，通過長單鎖定。
如今，高純石英砂價格相對較低，這與長單模式密切相關。盡管價格有所波動，但市場對高純石英砂的需求量一直較為穩定。以去年為例，國內光伏市場實際裝機量達到249GW，遠超光伏產業協會最樂觀預期的220GW。然而，光伏產業卻陷入產能過剩的困境。市場需求量每年以20%-30%的幅度增長，而產能擴張幅度卻高達70%-80%。持有長單的進口商手中貨物積壓，為緩解壓力，紛紛拋售，加上其他因素的影響，進一步壓低了價格。但在國內技術無法替代進口的情況下，其價格最終仍可能回升至20-25萬元每噸。
對于光伏和半導體行業而言，晶硅品質、硅片品質以及硅片尺寸的提升，遠比坩堝價格更受關注。畢竟，坩堝成本在光伏組件和光伏系統中僅占電站成本的1%左右。試想，如果能將坩堝的使用壽命從目前的350-400小時提升到500-600小時，甚至更長，同樣數量的坩堝就能生產出更多單晶。在國內尚未實現大規模量產替代進口的情況下，即便石英砂價格難以回到60萬元每噸，維持在20-25萬元每噸的區間，只要提升坩堝壽命，下游企業也不會過于在意價格。
因此，當前我們的首要任務并非尋找新礦源，而是突破技術難題。當然，實現這一目標不僅需要攻克技術難題，還需要全體產業同仁的協同配合。
中國粉體網：您剛才說您用水熱化學合成法制作的高純石英砂是4N8及以上嗎？還是5N2？那它主要應用在哪幾個領域呢？
袁博士：目前，我們的研發重點圍繞4N8至5N2純度的產品展開，首要目標是實現光伏石英坩堝內層材料的進口替代，后續再逐步拓展至整個坩堝。至于5N8純度的產品，通常應用于半導體坩堝。當下，半導體坩堝完全依賴進口。值得注意的是，并非石英砂純度越高就越好，一旦超過特定純度，坩堝的使用壽命會大幅縮短，且容易出現軟化現象。
對于坩堝用石英砂而言，不僅要求純度達標，對雜質含量的控制也十分講究，部分雜質甚至對坩堝性能有益。因此，要實現進口替代，就必須對標進口砂的指標，展開針對性攻關。從我們前幾年的研究成果來看，在堿金屬總含量方面，我們的產品略高于進口產品；與之相反，鋁含量方面，我們的產品相對偏低。如何進一步降低堿金屬含量，是我們正在努力的方向。除了堿金屬和鋁之外，鈣、鐵等元素的含量也至關重要，它們都是影響石英砂品質和坩堝性能的關鍵因素。
中國粉體網：好的，感謝袁老師接受我們的采訪。
袁博士：好，謝謝。
