金刚砂行业深度报告：光伏级高纯石英砂供需偏紧，国产化进程提速

www.hczq.com 光伏级高纯石英砂供需偏紧，国产化进程提速 ——金刚砂行业深度报告 证券分析师 姓名：黄麟 @2021华创版权所有 邮箱：huanglin1@hcyjs.com执业编号：S0360522080 联系人 姓名：张家栋 邮箱：zhangjiadong@hcyjs.com 战略新兴产业关键基础材料，光伏级石英砂需求快速增长 光伏级石英砂主要用于制造石英坩埚，直接影响硅的成晶（整棒率、成晶率、加热时间、直接加工成本等）以及单晶硅的质量 （穿孔片、黑芯片等），对石英砂杂质、羟基、包裹体含量，以及粒度分布要求严苛。 N型硅片对纯度要求更高，石英坩埚使用寿命会较P型减少50-100小时。受益N型趋势，坩埚用量将稳步增加。 预计2022年石英砂需求6.64万吨，同比+44.27%，其中内层砂需求3.32万吨；预计2023年石英砂需求9.39万吨，同比+41.36%，其中内层砂需求3.75万吨。2021-2025年需求复合增速+34.59%。 原矿品质决定提纯上限，提纯工艺具有针对性 杂质含量及赋存状态决定成矿潜力，只有极少部分矿床具有商业价值。高纯石英矿床资源分布高度集中，美国斯普鲁斯派恩 （SprucePine）矿床，具有规模大、流体杂质少、品质稳定等优点，供给了全球90%以上的高纯石英砂。尤尼明和TQC原材料主要开采自此矿床。国内暂未发现高品质大规模的矿床，且原料评价与选择技术相对落后，只能被动通过元素检测和经验积累来进行矿石的的选择和试用。 提纯技术一般具有局限性，对于确定的矿体，一般认为存在提纯上限。相比普通石英砂，高纯石英砂增加较多复杂工艺流程。由于不同厂商或同一厂商不同阶段的原料差异，需要针对性调整生产流程。此外，国内检测技术上仍有较大提升空间。 国产化进程加快，供需总体紧张和结构性失衡 整体上国产砂在关键指标上已经与进口砂接近。目前高端高纯石英砂仍依赖进口，但国产化进程显著加快。 供需： •总体偏紧：预计2022年石英砂需求约6.6万吨，供给约6.3万吨，总体供需紧张。 •结构失衡：内层主要采用进口砂，预计2022年内层砂需求约3.3万吨，进口供给约2.4万吨，存在缺口。 •季度供需：Q1进口砂供需偏紧，Q2开始逐渐开始紧缺，且供给缺口持续放大。 价格持续性： •情形一：减少进口砂用量和比例。假设2022-2024年进口砂比例降至35%、25%、20%，行业呈现供需偏紧，否则存在缺口。 •情形二：坩埚内层使用国产砂。在内层：外层=50：50或40：60的情形下，内层优先采用进口砂，剩余需求采用全国产砂坩埚，假设使用寿命减少50小时，则仍存在供给缺口。 •情形三：两巨头卖矿石或国内技术突破。结构性失衡的情况将不复出现，仅呈现供需偏紧的情况。 价格弹性： •石英坩埚占硅片成本较低。从非硅成本看，预计石英坩埚占比约10%；从生产成本看，预计石英坩埚占比约1.3%。 •下游对涨价不敏感。高纯石英砂占坩埚成本的72%，高纯石英砂每上涨1万元/吨，（1）假设坩埚顺价，拉晶非硅成本增加 0.28分/W（2）假设坩埚不顺价，硅片厂石英坩埚成本增加0.20分/W。 •涨价弹性较大。国产砂坩埚影响成晶率，增加断线概率。拉晶成本每增加1元/kg，对应拉0.23分/W，则可支撑上涨1万元/吨。 01战略新兴产业关键基础材料，光伏级石英砂需求快速增长 第一部分 02 03 原矿品质决定提纯上限，提纯工艺具有针对性国产化进程加快，供需总体偏紧和结构性失衡 04 相关标的 05 风险提示 此页包含机密资料，其全部或任何部分不可被复制或再发送。本页不构成对任何产品的要约出售/购买、招揽或建议。关于免责声明全文，详见本PPT最后部分。 资料来源：石英股份公告 高纯石英砂应用领域广泛 高纯石英砂是由水晶、石英矿石等作为原料经提纯后的一种高品质石英砂产品。凭借独特的晶体结构和晶格变化规律，具有耐高温、热膨胀系数小、高度绝缘、耐腐蚀等特点。 高纯石英作为重要基础性材料，广泛应用于半导体、光伏、光纤通信、精密光学、航空航天等战略新兴产业。 图表：高纯石英砂应用领域 高纯石英砂应用领域广泛 从应用领域来看，2018年半导体和光伏为全球高纯石英砂需求最大的两个行业，分别占比36%和34%。 从区域市场来看，2018年亚太、欧洲和北美为全球高纯石英砂市场，分别占比49%、30%、17%。 此页包含机密资料，其全部或任何部分不可被复制或再发送。本页不构成对任何产品的要约出售/购买、招揽或建议。关于免责声明全文，详见本PPT最后部分。 资料来源：MurrayLines,etal.,Highpurityquartzsupply&demand，华创证券 图表：2018年高纯石英市场结构（应用领域） 图表：2018年高纯石英市场结构（区域市场） 资料来源：MurrayLines,etal.,Highpurityquartzsupply&demand，华创证券 高纯石英砂应用领域广泛 中低端石英产品已实现国产化，但国内半导体、光纤、光伏行业所需要的高质量的石英制品仍依赖从美国、欧洲、日本等市场高价进口。 近年来，随着国内技术进步、工艺革新，我国石英企业 正向高端市场迈进，高端石英材料的国产化进程加快。 图表：不同领域高纯石英价格及Fe元素含量 低端产品 中端产品 高端产品 分类 图表：高纯石英的产品分类及技术状况 按SiO2纯度ω(SiO2) ≥99.9%(3N) ω(SiO2) ≥99.9%(4N) ω(SiO2) ≥99.998%(4N8) 按杂质含量≤1000×10-6≤100×10-6≤20×10-6 技术现状国产国产化主要依靠进口 资料来源：颜玲亚等《中国高纯石英资源开发利用现状及供需形势》，华创证券 资料来源：MurrayLines,etal.,Highpurityquartzsupply&demand 此页包含机密资料，其全部或任何部分不可被复制或再发送。本页不构成对任何产品的要约出售/购买、招揽或建议。关于免责声明全文，详见本PPT最后部分。7 高纯石英砂没有统一划分标准，产业对标美国尤尼明产品 目前高纯石英没有统一的划分标准，国内一般认为标准为𝑤(SiO2)≥3-5N、𝑤(Fe2O3)＜10ppm；海外一般认为9种杂质元素Na、K、Li、Al、Ca、Fe、Ti、B、P的含量总和应＜50ppm，且每个杂质元素含量有上限。 图表：石英品质分类、价格范围和矿床最小开采量 图表：高纯石英杂质元素含量上限 此页包含机密资料，其全部或任何部分不可被复制或再发送。本页不构成对任何产品的要约出售/购买、招揽或建议。关于免责声明全文，详见本PPT最后部分。 资料来源：杨晓勇等《高纯石英的研究进展及发展趋势》 资料来源：杨晓勇等《高纯石英的研究进展及发展趋势》 高纯石英砂没有统一划分标准，产业对标美国尤尼明产品 产业里以美国尤尼明生产的高纯石英砂标准为标杆。 •半导体组件晶圆：IOTA4、IOTA6、IOTA6-SV、IOTA8和IOTASTD-SV等。 •光伏坩埚：IOTACG。 •光源：IOTASTD、IOTACG。 图表：尤尼明高纯石英砂产品标准 Al B Ca Cr Cu Fe K Li Mg Mn Na Ni P Ti Zn ITOA4 8 ＜0.05 0.7 0.007 0.004 0.3 0.4 0.2 0.07 0.013 1.0 0.002 0.1 1.4 0.01 ITOA6 8 ＜0.05 0.7 0.003 0.001 0.2 0.1 0.2 0.07 0.008 ＜0.1 0.002 0.1 1.4 0.01 ITOA6-SV 8 ＜0.05 0.5 0.002 0.001 0.1 ＜0.1 0.2 0.02 0.004 ＜0.05 0.001 ＜0.05 1.3 0.01 ITOA8 8 ＜0.05 0.4 0.001 ＜0.001 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 0.01 0.001 ＜0.05 ＜0.001 ＜0.05 1.3 0.01 ITOASTD 14 ＜0.10 0.6 0.006 0.028 0.3 0.7 0.5 0.04 0.039 1.0 0.001 0.1 1.2 0.01 ITOASTD-SV 14 ＜0.10 0.3 0.004 0.003 0.1 ＜0.1 0.5 0.01 0.007 ＜0.05 0.001 0.1 1.1 0.01 ITOACG 14 ＜0.10 0.6 0.007 0.019 0.3 0.7 0.5 0.04 0.029 1.0 0.001 0.1 1.2 0.01 此页包含机密资料，其全部或任何部分不可被复制或再发送。本页不构成对任何产品的要约出售/购买、招揽或建议。关于免责声明全文，详见本PPT最后部分。 资料来源：MurrayLines,etal.,Highpurityquartzsupply&demand，华创证券 高纯石英砂在光伏行业的应用 在光伏产业，高纯石英砂主要用于制造石英坩埚，加料用石英管等用量约占1%。 石英坩埚主要用于盛装熔融的硅液，是拉晶的关键耗材。生产原理是通过旋转模具，利用离心力将石英砂成坩埚形，然后将电极送电启弧，同时启动真空系统，使其快速熔化成坩埚形状的熔融石英，经冷却后取出。 图表：石英坩埚工艺流程 原料旋转模具、倒砂、成型熔融、冷却喷砂、切割检测、清洗、成品 资料来源：欧晶科技官网 石英坩埚的结构 石英坩埚为半透明状，有三层结构，即涂层、气泡空乏层、气泡复合层。 气泡空乏层：一般指内层，是一层3~5mm的透明层，可改善单晶生长的成功率及晶棒品质。 气泡复合层：一般指外层，是高气泡密度的区域，受热均匀保温效果好。 图表：石英坩埚的结构 涂层 气泡 透明层 复合层 资料来源：国家知识产权局（专利号CN109267147A），华创证券 光伏直拉单晶对石英砂的品质要求 单晶发展方向：增加投料量，提升整棒率、成晶率，高晶棒品质（高少子寿命、低氧），低非硅成本。 坩埚性能要求：长寿命、高强度、大尺寸、高纯度、内表层结构稳定性、品质一致性、低造价。 石英砂性能要求：高纯度、低杂质、低羟基、低包裹体、粒度分布均匀等。 图表：光伏直拉单晶对石英砂的品质要求 石英砂品质指标对石英坩埚的影响要求 杂质含量 碱金属 促使坩埚析晶，使坩埚失透和变形 低含量 Al Al-O键能高于Si-O键能，故适量的Al元素可以增强坩埚强度 低含量 Fe Fe会促进石英与石墨之间的反应 低含量 包裹体气液包裹体主要由结晶水和气组成，气的成分主要有CO2、H2O、H202、N2、CH4、CO低含量 羟基羟基会降低坩埚强度，过高坩埚易鼓包低含量 粒度理论上，石英砂粒度越小，杂质去除越容易;粒度分布越均匀，打埚时气泡越容易排除均匀 资料来源：隆基硅片事业部《光伏行业发展对高纯石英砂及其制品的需求》，华创证券 光伏直拉单晶对石英砂的品质要求 杂质的影响 •杂质含量高的石英坩埚高温强度低，易变形，可能发生坩埚上口内塌造成与导流筒碰撞而阻断正常拉晶的现象。 •杂质含量高的石英坩埚在本体上的析晶，可能造成内壁局部的析晶壳层过厚而极易脱落使单晶拉制无法继续，以及外壁析晶较厚，产生在底部或者弧度的鼓包，贯穿坩埚本体引起漏硅等现象。 图表：杂质的扩散现象 离子 扩散系数 （cm2/s） 渗透石英厚度 0.5mm 2mm 5mm 图表：石英坩埚析晶现象 Li 1.0*10-6 1.63min 25.4min 2.62h Na 7.0*10-6 12.1s 3.25min 20.4min K 1.0*10-8 2.61h 42.0h 11day Ca 2.0*10-8 1.31h 21.2h 5.6day Al