石英是花岗岩、片麻岩等许多岩石的主要矿物成分,是一种十分重要的工业矿物,石英资源在光伏领域应用广泛,是光伏行业的关键基础性原材料之一。
硅矿是工业硅冶炼最主要的原料,也是脉石英、石英岩、石英砂岩等以石英为主矿物的总称。工业硅又称金属硅,是由硅矿石(主要成分是二氧化硅)、木炭、煤及石油焦等碳质还原剂,经高温还原反应后生成,工业硅经过进一提纯,可制备成为多晶硅。
光伏硅料即太阳能级多晶硅,是光伏发电系统的核心原材料,是光伏产业链上游原材料,为带有金属光泽的灰黑色固体,具有熔点高、硬度大、有脆性、常温下化学性质不活泼等特性,且具有半导体性质,是极为重要的优良半导体材料,被称为光伏产业链中的“黑金”。当前主流的多晶硅生产技术主要有改良西门子法和硅烷流化床法,产品形态分别为棒状硅和颗粒硅。
多晶硅可作拉制单晶硅的原料。单晶硅生产工艺包括无坩埚悬浮区熔法和坩埚直拉法两种。无坩埚悬浮区熔法指在真空炉室中,利用高频线圈在单晶籽晶及多晶硅棒的接触处产生熔区,最终制得高纯度、小直径单晶硅。
坩埚直拉法又称切克老斯基法,该法需先对原材料多晶硅进行清洗,以去除其表面杂物,再将籽晶卡在拉杆卡具上,经过引晶、放肩、等径生长、收尾等流程,最终制得单晶硅。
石英坩埚实际上就是一种容器,是由高纯石英砂通过模具定型,使用电弧法高温制作而成。具有耐高温、使用时间长、高纯度等特点,主要是用于半导体与太阳能拉制单晶硅棒的辅助性耗材。
在单晶硅生产中,石英坩埚是一次性使用的熔硅和晶体生长的关键材料,对单晶硅的生产成本和产品产量质量都有直接的影响。
石英原料中存在各种杂质,如Fe、Al、K、Na、Ca等,而在超白玻璃生产中最有害的杂质是铁杂质,它既可以游离的形式存在,也可以薄膜、晶格替代或夹杂矿的形式存在,需要通过一系列的工艺过程才能有效去除。
对于铁杂质的去除,需经过一系列物理和化学深加工过程,按去除方式分类主要分为物理法(水洗和分级脱泥、擦洗法、磁选法、重选法)、化学法(浮选法、酸浸法)和微生物法等方法,在石英原料深加工过程中可根据铁杂质的存在形式和状态,组合这些方法,以便寻找到适合于该矿源的深加工工艺。
总之,石英砂在光伏行业工业硅、石英坩埚和光伏玻璃等环节发挥着不可替代的作用。随着全球对可再生能源的需求不断增长,光伏产业迅速发展,光伏装机量不断高增,其对石英砂的需求也迎来了快速增长。
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