光伏产业为技术快速更新迭代的产业，为持续降本增效和提升竞争力，需要有足够的资金实力和技术储备以取得最先进的技术和布局最先进的产能。旧产能的升级改造和新产能的投入，将促进上游长晶和加工设备的研制开发与升级换代。
石英坩埚广泛用于太阳能或半导体单晶拉制行业，是用来装放多晶硅原料(工作中原料处于熔化状态的硅液)的一次性石英器件，其高纯和高耐温耐久性(高强度和化学稳定性)为单晶拉制以及单晶品质提供保障，是单晶拉制系统的关键辅料之一。受益于硅片产能加速扩张、N型硅片渗透率提高，高纯石英砂和石英砂坩埚需求有望快速增长。
石英砂
石英石又名硅石，主要成分为二氧化硅，是一种物理性质和化学性质均十分稳定的矿产资源。石英砂是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物，是生产石英制品的主要原料。石英玻璃制品主要包括石英坩埚、石英管、石英棒、石英砂、石英片、石英砣、石英舟等。由于具有良好的透光性能、耐热性能、电学性能及化学稳定性，石英制品作为重要的基础材料被广泛应用于光伏、半导体、电光源、光通信、激光技术、航天技术和军事技术等行业。
高纯石英砂分为天然高纯石英砂和合成高纯四氯化硅，并按纯度划分等级(N)。高纯石英砂分为低端(3N)、中端(4N)、高端(4N8)和超高纯(5N2)。合成石英砂指合成玻璃的原材料高纯四氯化硅，纯度为6N-9N。目前，高纯石英砂主要来源于石英矿物，国际公认的高纯石英砂是以美国尤尼明公司IOTA-CG为标准。
石英坩埚
石英坩埚属于石英玻璃制品中的细分产品，是制成的石英坩埚是光伏工业中盛装融熔硅并制成硅锭的一种容器。由于石英坩埚具有洁净、同质、耐高温等性能。从物理热学性能上看，它的形变点约为1100℃左右，软化点为1730℃，其最高连续使用温度为1100℃，短时间内可为1450℃。目前广泛应用于太阳能和半导体领域提炼晶体硅的生产工艺中，是晶体硅生产过程中的消耗品。
电弧法是制备石英坩埚的主流制备技术。将高纯的石英砂原料倒入坩埚模具内，通过成型装置将石英砂原料均匀的成型在模具的内表面以成型坩埚坯，然后将坩埚模具整体移入电弧熔制炉内，通过石墨电极释放高温电弧使石英砂熔化，最后快速冷却形成石英坩埚毛坯。石英坩埚分为内层透明层、中层气泡复合层和外层薄气泡层，各层质量占比分别为25%-70%、20%-40%和5%-30%，通常比例为4:3:4或者3:4:3。
石英坩埚呈现内外双层结构。早期的石英坩埚是全透明的结构，这种透明的结构容易导致不均匀的热传输条件，增加晶棒生长的难度，且均匀的结构对高品质的高纯石英砂需求较大，成本较高，因此这种石英坩埚的制备方法基本被淘汰。电弧法制备的石英坩埚为半透明状，有内外两层结构，外层是高气泡密度的区域，称为气泡复合层。气泡复合层受热较均匀，保温效果较好;内层是一层3-5mm的透明层，称为气泡空乏层。气泡空乏层的存在使坩埚与溶液接触区的气泡密度降低，从而改善单晶生长的成功率及晶棒品质。
石英砂纯度显著影响拉晶质量。拉晶的过程中，石英坩埚内部的羟基、杂质元素和气泡的含量将会影响硅棒的质量和石英坩埚的使用寿命，其中工艺路线能够改善羟基的含量，但杂质与气泡的含量更多依赖于石英砂本身的纯度。
石英坩埚行业格局
在原材料端：高纯石英砂市场被美国尤尼明长期垄断，国内仅石英股份可规模量产。全球高纯石英原料矿床分布于美国、挪威、澳大利亚、俄罗斯、印度、加拿大、中国等7个国家，除中国外有14处矿床，其中尚未开采的有7处，矿源质量最高和储量最大的为美国SprucePine矿(花岗伟晶岩)。
光伏石英坩埚产品端：光伏行业由于产品精密度程度高、技术发展快，对石英坩埚的纯度、精度要求日益严格。我国的石英制品行业起步较晚，只有少数规模化企业的石英坩埚技术方面达到先进水平。技术上来看，近几年我国石英制品行业的技术进步较为明显，尤其是石英坩埚技术水平与国外企业产品的差距逐步缩小，在坩埚尺寸、纯度、拉晶时间和拉晶次数等方面均取得显著进步。此外，国内石英坩埚具有一定的成本优势，在质量和性能等方面与进口石英坩埚的差距正逐渐缩小。这些都为国产化创造了条件。从细分部件来看，外层砂已基本实现国产替代，中内层砂产品和客户认可度逐步提升。目前石英股份的高纯石英砂仍以外层砂为主，我们预计石英股份在中内层砂质量以及客户认可度上均有提升，并有望逐步提高中内层砂的渗透率。我们预计21年石英股份外层砂份额约50%，中内层砂份额约8%。
石英坩埚行业发展
连续多次投料拉晶工艺提升带动长寿石英坩埚需求。近年来，为了提高直拉单晶硅的质量和产量，连续加料、多次加料等一炉多根直拉单晶硅生长技术被开发和应用。直拉单晶硅中，石英坩埚的一次性消耗和拆装炉的耗时在成本费用中占较高比重。在传统的直拉法下，石英坩埚只能用一次，一次仅能产出一根晶棒。而连续直拉法可以在拉晶过程中持续往石英坩埚内加料，并不断产出多根新的晶棒，对石英坩埚的寿命提出了更高要求。国内企业开发的长寿命石英坩埚，连续拉晶时间可以达到200小时以上。通过优化多次加料的拉晶工艺，设计出新型石英加料器，配合长寿命石英坩埚，可最大程度实现石英坩埚利用率，大幅提高了生产效率。石英坩埚内壁用尤尼明石英砂，寿命可达450小时以上，如果用从印度进口的石英砂做内壁，坩埚使用寿命只能达到200小时左右。
石英坩埚向大尺寸化发展。石英坩埚尺寸大小(或容积大小)取决于晶体生长的直径和长度，同时还要考虑拉晶工艺中对埚、晶直径比的要求，一般埚-晶直径比以3:1为佳。主要原因是石英坩埚与熔液直接接触，熔硅与石英坩埚的SiO2反应生成SiO后，它同时向熔体内部扩散和向熔体表面挥发，有一部分到达固-液界面附近，混入到正在生长的晶体中，从而使单晶体中的氧含量增高。采取较大的涡-晶直径比，将有利于氧的大量挥发，提升晶棒的质量。此外，大尺寸的石英坩埚装料量较大，有助于摊薄拉晶厂商的生产成本。目前，硅片逐渐向大尺寸化发展，M10(182)硅片成为主流，M10硅片需要拉制出10英寸的硅棒，对应于石英坩埚的尺寸为30英寸及以上，G12(210)硅片则需要12英寸硅棒，对应需要的石英坩埚尺寸达到36英寸。
行业供需
高纯石英砂主要应用于半导体、光伏、光通讯和电光源领域。
光伏领域：受益于硅片产能加速扩张、N型硅片渗透率提高，高纯石英砂和石英砂坩埚需求有望快速增长。根据测算，2022-2023年光伏用高纯石英砂可能的供给量范围分别为6.2-6.3万吨、7.7-7.8万吨，对应2022-2023年6.2万吨、7.6万吨的需求，供需或将处于紧平衡的状态，价格存在进一步上涨的可能。随着下半年硅料新增产能的逐步释放，硅料价格松动有望推动拉晶厂商开工率提升，从而带动光伏石英坩埚用高纯石英砂需求的快速上升，光伏用高纯石英砂在季度需求波动的过程中可能会出现阶段性的短缺，届时高纯石英砂价格仍有短期上涨的可能性。
在光伏硅片中，P型硅片单晶纯度<200ppm、N型单晶硅片纯度<100ppm。为满足N型硅片对纯度的更高要求，拉制N型硅棒的石英坩埚需要增加更换的频率以减少杂质的累积，因此N型单晶石英坩埚的更换频率高于P型单晶坩埚，更换次数提升有望驱动石英坩埚用高纯砂需求提升。
责任编辑：周末
