中国粉体网讯  11月16日，由中国粉体网主办的“2023第七届全国石英大会暨展览会”在安徽蚌埠成功召开！在本次大会期间，中国粉体网邀请到多位专家做客“对话”栏目进行访谈交流。本期为您分享的是中国粉体网对西南科技大学孙红娟教授的专访。

中国粉体网：请问，光伏级坩埚对于高纯石英砂的品质要求重点有哪些？什么类型的石英矿适合做坩埚砂？

孙教授：光伏级坩埚是提拉单晶硅所需的硅料容器，因此其需要满足耐高温、高纯度、具有较高强度等系列指标，这也就要求坩埚的原材料——高纯石英具有以下几大基本要素：

（1）高纯度，通常要求SiO₂含量达到4N7以上，而且对部分金属元素的分布也有要求，比如Na、K、Li等碱金属含量要尽可能的低，不然容易影响石英坩埚的强度。

（2）合理的金属元素配比，虽然高纯石英砂在市场价格上表现得是纯度越高，价格越高，但是并非纯度越高就一定对石英坩埚制备更加有利，比如根据实验和理论模拟的研究结论来看，在石英坩埚中的Al元素浓度很低时，石英坩埚的结构强度会随着Al元素浓度的升高而增强，所以适量的Al元素对于石英坩埚来说反而是有益的。

（3）较少的羟基及气液包裹体，部分高纯石英产品虽然具有较高的纯度，元素配比也相对合理，但是很难形成质地均匀的石英坩埚，通常表现为坩埚内有大量尺寸不一的气泡，较低的结构强度，使用起来容易软化或破裂。这就是由于其内部含有较多的非金属元素的杂质，如气液包裹体（气体、水等）、有机物（天然形成或制备阶段引入）和羟基等。因此对高纯石英产品品质的要求不应当仅仅局限于金属元素的测定，也要考虑多方面的因素。

具体到什么类型的石英原料适合做坩埚砂，目前根据实验研究和生产现状来看，脉石英和花岗伟晶岩具有较多的应用，不过实际评价的时候不能完全以矿石类型作为主要划分依据，还是要从石英结晶性、脉石矿物的嵌布特征、杂质赋存状态、包裹体种类和含量等多个角度来进行评价，才能获得一个较为科学的提纯潜力判断。

中国粉体网：与国外相比，国内在坩埚用高纯石英砂品质方面存在哪些差距？

孙教授：在化学成分方面，国内和国外的高纯石英砂基本可以达到一致的水平，区别主要是体现在除化学成分以外的其他指标，比如美国Sibelco公司产的坩埚用高纯石英砂和太平洋石英股份的高纯石英砂在粒度、形状、气液包裹体含量、结晶程度等方面都有所差异，特别是Sibelco公司产的坩埚用高纯石英砂的各项指标都控制得更加稳定，而这些化学成分以外的其他参数的把控，才使得企业更愿意使用其产品作为坩埚用内层砂。因此对于国内高纯石英砂制备技术而言，难点不在于制备出高纯度的石英砂，而是要制备出高品质且各项指标稳定的高纯石英砂，才能真正意义上突破国外坩埚用高纯石英砂对高端市场的垄断。

中国粉体网：石英砂中气液包裹体的含量对于石英坩埚及拉单晶工艺有什么影响？针对气液包裹体的有效去除方法有哪些？

孙教授：石英砂中的气液包裹体组分其实比较复杂，因此根据其类型的不同，对石英坩埚及拉单晶工艺的影响也不相同，常见的影响有以下三类：

（1）气液包裹体中含有离子盐溶液，这些离子盐溶液如果带入制备石英坩埚的环节，就很容易使得石英坩埚的局部区域杂质元素含量过高，从而导致这一点位出现聚集的杂质颗粒，污染硅料，或者导致这一位置的结构强度低于其他位置，在提拉过程中破裂等。

（2）气液包裹体中含有水，这些水分在石英坩埚制备过程中会起到和羟基类似的影响，影响坩埚的成型和结构强度，减少坩埚的使用寿命。

（3）气液包裹体中含有气体组分，这些气体组分对石英坩埚的影响过去认为相对较小，主要体现在会影响石英坩埚中气泡的分布，而且可以通过对石英坩埚制备工艺的调整消除这一影响；但随着研究和生产应用实践其中的甲烷气体在高温和还原条件下也可能形成碳化物，影响坩埚的性能。

针对气液包裹体的去除主要还是依靠高温法或微波法，使其爆裂，但是这些方法只能使得较大的气液包裹体中的气液组分逸出，在显微镜下依然可以观测到空腔的存在及较小的气液包裹体的残留。

中国粉体网：近些年，越来越多的企业还有高校、科研院所投入大量的资金和人力到高纯石英领域中，您如何看待这一现象？

孙教授：出现这一现象主要有如下四个方面的原因：

（1）一是高纯石英的用途广、附加值高：高纯石英可广泛用于高档玻璃、光学仪器、新能源和芯片等领域，是现代高技术产业的重要基础材料。

（2）二是国家的双碳战略：节能降碳、生态环境保护与可持续发展已成为我国社会和经济发展的主要策略与关注点，高纯石英与新型光伏能源密切相关，太阳能对人类来讲可以说是用之不竭的能源，通过光伏产业将太阳能转化为电能，用于生产、生活各领域，可减少大量化石能源的消耗，进而减少温室气体的排放和环境的污染，这对于我国双碳战略的实施与人类社会可持发展具有重要的社会和经济意义。

（3）三是解决卡脖子工程的问题：当前我国光伏产业发展很快，光伏发电装机容量已跃居世界前列，产品出口量和占有量也很大。但对于支撑光伏产业的原料—高纯石英，特别是用于石英坩埚的内层高纯石英砂仍主要依赖进口，包括生产高纯石英砂的石英矿石原料。因此，高纯石英产品和原料是一个潜在的严重卡脖子问题，一旦受到封锁限制，将严重影响我国光伏产业的发展根基，打击我国光伏产业的发展。

（4）四是高纯石英不仅用途广，技术含量高，而且产品的附加值也非常高。从2020年以来，在不到三年的时间里，高纯石英砂吨平均价格已由约2万元增加到42万元左右，增加了20倍，经济效益是极为可观的。

基于以上原因，越来越多的企业还有高校、科研院所投入大量的资金和人力到高纯石英领域中，以查明影响高纯石英生产的关键因素并解决高纯石英的原料问题，攻克石英矿石高效提纯关键技术，并代替进口产品，进而获得更大的经济和社会效益。

从当前的市场形势来看，高纯石英砂的价格和市场需求量一直增加，加上高纯石英砂作为当前光伏产业发展所需的战略性非金属矿产资源，会有大量的企业、高校以及科研院所投入精力到这一领域是很正常的一件事情。

作为科研人员来说，能有更多的企业和科研同仁加入这一行业来，是一件很值得开心的事情，一个领域的蓬勃发展离不开多方力量的共同支持，特别是当一个领域可以吸引不同学科领域之间思想和技术的交流，这就会带来蓬勃的生命力和创造力，比如使用其他学科的思维和方法来解决传统矿物加工技术的短板，实现更低成本更高效率的高纯石英砂制备。

进一步的，这也使得这一研究领域有机会在科研院所和企业之间进行深度的产学研结合，让实验室中成熟的技术可以在与企业合作中，一步一步地推向中试级乃至实际生产当中去，从而解决实际生产存在的一些问题，这才有望真正突破高纯石英制备的“卡脖子”技术难题。

（中国粉体网采编/平安）

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