中國粉體網(wǎng)訊 11月16日，由中國粉體網(wǎng)主辦的“2023第七屆全國石英大會暨展覽會”在安徽蚌埠成功召開！在本次大會期間，中國粉體網(wǎng)邀請到多位專家做客“對話”欄目進行訪談交流。本期為您分享的是中國粉體網(wǎng)對西南科技大學(xué)孫紅娟教授的專訪。
中國粉體網(wǎng)：請問，光伏級坩堝對于高純石英砂的品質(zhì)要求重點有哪些？什么類型的石英礦適合做坩堝砂？
孫教授：光伏級坩堝是提拉單晶硅所需的硅料容器，因此其需要滿足耐高溫、高純度、具有較高強度等系列指標，這也就要求坩堝的原材料——高純石英具有以下幾大基本要素：
（1）高純度，通常要求SiO2含量達到4N7以上，而且對部分金屬元素的分布也有要求，比如Na、K、Li等堿金屬含量要盡可能的低，不然容易影響石英坩堝的強度。
（2）合理的金屬元素配比，雖然高純石英砂在市場價格上表現(xiàn)得是純度越高，價格越高，但是并非純度越高就一定對石英坩堝制備更加有利，比如根據(jù)實驗和理論模擬的研究結(jié)論來看，在石英坩堝中的Al元素濃度很低時，石英坩堝的結(jié)構(gòu)強度會隨著Al元素濃度的升高而增強，所以適量的Al元素對于石英坩堝來說反而是有益的。
（3）較少的羥基及氣液包裹體，部分高純石英產(chǎn)品雖然具有較高的純度，元素配比也相對合理，但是很難形成質(zhì)地均勻的石英坩堝，通常表現(xiàn)為坩堝內(nèi)有大量尺寸不一的氣泡，較低的結(jié)構(gòu)強度，使用起來容易軟化或破裂。這就是由于其內(nèi)部含有較多的非金屬元素的雜質(zhì)，如氣液包裹體（氣體、水等）、有機物（天然形成或制備階段引入）和羥基等。因此對高純石英產(chǎn)品品質(zhì)的要求不應(yīng)當(dāng)僅僅局限于金屬元素的測定，也要考慮多方面的因素。
具體到什么類型的石英原料適合做坩堝砂，目前根據(jù)實驗研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀來看，脈石英和花崗偉晶巖具有較多的應(yīng)用，不過實際評價的時候不能完全以礦石類型作為主要劃分依據(jù)，還是要從石英結(jié)晶性、脈石礦物的嵌布特征、雜質(zhì)賦存狀態(tài)、包裹體種類和含量等多個角度來進行評價，才能獲得一個較為科學(xué)的提純潛力判斷。
中國粉體網(wǎng)：與國外相比，國內(nèi)在坩堝用高純石英砂品質(zhì)方面存在哪些差距？
孫教授：在化學(xué)成分方面，國內(nèi)和國外的高純石英砂基本可以達到一致的水平，區(qū)別主要是體現(xiàn)在除化學(xué)成分以外的其他指標，比如美國Sibelco公司產(chǎn)的坩堝用高純石英砂和太平洋石英股份的高純石英砂在粒度、形狀、氣液包裹體含量、結(jié)晶程度等方面都有所差異，特別是Sibelco公司產(chǎn)的坩堝用高純石英砂的各項指標都控制得更加穩(wěn)定，而這些化學(xué)成分以外的其他參數(shù)的把控，才使得企業(yè)更愿意使用其產(chǎn)品作為坩堝用內(nèi)層砂。因此對于國內(nèi)高純石英砂制備技術(shù)而言，難點不在于制備出高純度的石英砂，而是要制備出高品質(zhì)且各項指標穩(wěn)定的高純石英砂，才能真正意義上突破國外坩堝用高純石英砂對高端市場的壟斷。
中國粉體網(wǎng)：石英砂中氣液包裹體的含量對于石英坩堝及拉單晶工藝有什么影響？針對氣液包裹體的有效去除方法有哪些？
孫教授：石英砂中的氣液包裹體組分其實比較復(fù)雜，因此根據(jù)其類型的不同，對石英坩堝及拉單晶工藝的影響也不相同，常見的影響有以下三類：
（1）氣液包裹體中含有離子鹽溶液，這些離子鹽溶液如果帶入制備石英坩堝的環(huán)節(jié)，就很容易使得石英坩堝的局部區(qū)域雜質(zhì)元素含量過高，從而導(dǎo)致這一點位出現(xiàn)聚集的雜質(zhì)顆粒，污染硅料，或者導(dǎo)致這一位置的結(jié)構(gòu)強度低于其他位置，在提拉過程中破裂等。
（2）氣液包裹體中含有水，這些水分在石英坩堝制備過程中會起到和羥基類似的影響，影響坩堝的成型和結(jié)構(gòu)強度，減少坩堝的使用壽命。
（3）氣液包裹體中含有氣體組分，這些氣體組分對石英坩堝的影響過去認為相對較小，主要體現(xiàn)在會影響石英坩堝中氣泡的分布，而且可以通過對石英坩堝制備工藝的調(diào)整消除這一影響；但隨著研究和生產(chǎn)應(yīng)用實踐其中的甲烷氣體在高溫和還原條件下也可能形成碳化物，影響坩堝的性能。
針對氣液包裹體的去除主要還是依靠高溫法或微波法，使其爆裂，但是這些方法只能使得較大的氣液包裹體中的氣液組分逸出，在顯微鏡下依然可以觀測到空腔的存在及較小的氣液包裹體的殘留。
中國粉體網(wǎng)：近些年，越來越多的企業(yè)還有高校、科研院所投入大量的資金和人力到高純石英領(lǐng)域中，您如何看待這一現(xiàn)象？
孫教授：出現(xiàn)這一現(xiàn)象主要有如下四個方面的原因：
（1）一是高純石英的用途廣、附加值高：高純石英可廣泛用于高檔玻璃、光學(xué)儀器、新能源和芯片等領(lǐng)域，是現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)材料。
（2）二是國家的雙碳戰(zhàn)略：節(jié)能降碳、生態(tài)環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展已成為我國社會和經(jīng)濟發(fā)展的主要策略與關(guān)注點，高純石英與新型光伏能源密切相關(guān)，太陽能對人類來講可以說是用之不竭的能源，通過光伏產(chǎn)業(yè)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，用于生產(chǎn)、生活各領(lǐng)域，可減少大量化石能源的消耗，進而減少溫室氣體的排放和環(huán)境的污染，這對于我國雙碳戰(zhàn)略的實施與人類社會可持發(fā)展具有重要的社會和經(jīng)濟意義。
（3）三是解決卡脖子工程的問題：當(dāng)前我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，光伏發(fā)電裝機容量已躍居世界前列，產(chǎn)品出口量和占有量也很大。但對于支撐光伏產(chǎn)業(yè)的原料—高純石英，特別是用于石英坩堝的內(nèi)層高純石英砂仍主要依賴進口，包括生產(chǎn)高純石英砂的石英礦石原料。因此，高純石英產(chǎn)品和原料是一個潛在的嚴重卡脖子問題，一旦受到封鎖限制，將嚴重影響我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展根基，打擊我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
（4）四是高純石英不僅用途廣，技術(shù)含量高，而且產(chǎn)品的附加值也非常高。從2020年以來，在不到三年的時間里，高純石英砂噸平均價格已由約2萬元增加到42萬元左右，增加了20倍，經(jīng)濟效益是極為可觀的。
基于以上原因，越來越多的企業(yè)還有高校、科研院所投入大量的資金和人力到高純石英領(lǐng)域中，以查明影響高純石英生產(chǎn)的關(guān)鍵因素并解決高純石英的原料問題，攻克石英礦石高效提純關(guān)鍵技術(shù)，并代替進口產(chǎn)品，進而獲得更大的經(jīng)濟和社會效益。
從當(dāng)前的市場形勢來看，高純石英砂的價格和市場需求量一直增加，加上高純石英砂作為當(dāng)前光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的戰(zhàn)略性非金屬礦產(chǎn)資源，會有大量的企業(yè)、高校以及科研院所投入精力到這一領(lǐng)域是很正常的一件事情。
作為科研人員來說，能有更多的企業(yè)和科研同仁加入這一行業(yè)來，是一件很值得開心的事情，一個領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展離不開多方力量的共同支持，特別是當(dāng)一個領(lǐng)域可以吸引不同學(xué)科領(lǐng)域之間思想和技術(shù)的交流，這就會帶來蓬勃的生命力和創(chuàng)造力，比如使用其他學(xué)科的思維和方法來解決傳統(tǒng)礦物加工技術(shù)的短板，實現(xiàn)更低成本更高效率的高純石英砂制備。
進一步的，這也使得這一研究領(lǐng)域有機會在科研院所和企業(yè)之間進行深度的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，讓實驗室中成熟的技術(shù)可以在與企業(yè)合作中，一步一步地推向中試級乃至實際生產(chǎn)當(dāng)中去，從而解決實際生產(chǎn)存在的一些問題，這才有望真正突破高純石英制備的“卡脖子”技術(shù)難題。
（中國粉體網(wǎng)采編/平安）
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