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光伏曾經(jīng)離不開(kāi)的“鎵”,絕對(duì)是一種戰(zhàn)略性礦產(chǎn),最近火了!
日期:2023-07-07   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_huamengqi 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
我國(guó)宣布對(duì)兩種新興戰(zhàn)略關(guān)鍵礦產(chǎn)實(shí)施出口管制。

近日,商務(wù)部、海關(guān)總署發(fā)布公告,經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn),決定對(duì)鎵、鍺相關(guān)物項(xiàng)實(shí)施出口管制,以維護(hù)國(guó)家安全和利益。公告自今年8月1日起正式實(shí)施。出口經(jīng)營(yíng)者如未經(jīng)許可出口、超出許可范圍出口或有其他違法情形的,將依法受到行政處罰或追究刑事責(zé)任。

“鎵”,其實(shí)是一個(gè)戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源大家族的新成員。很多人對(duì)它可能很陌生,但光伏人都知道,“鎵”對(duì)于光伏來(lái)說(shuō),太重要了。

鎵、鍺都是重要的稀有金屬,在半導(dǎo)體材料、新能源等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其中,鎵更是被稱(chēng)為“半導(dǎo)體工業(yè)新糧食”,鍺也是重要的半導(dǎo)體材料之一。

從全球產(chǎn)量來(lái)看,中國(guó)的鎵、鍺金屬產(chǎn)量占比最高,分別高達(dá)90%、68%。另外,市場(chǎng)普遍認(rèn)為,在美國(guó)打壓我國(guó)高科技產(chǎn)業(yè)的背景之下,我們對(duì)上述兩種稀有金融的出口管制,或許意味著一種對(duì)等反制。

1.鎵,真是捧在手里怕化了

鎵,實(shí)際上是第一個(gè)被“預(yù)言”的元素。在元素周期表發(fā)明以后,是“鎵”這種東西,第一次填補(bǔ)了元素周期表中預(yù)留的“空位”。

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1875年,法國(guó)科學(xué)家布瓦博得朗在閃鋅礦礦石中首次發(fā)現(xiàn)了鎵,并以法國(guó)在西羅馬時(shí)期的名字Gallia(“高盧”)命名,元素符號(hào)定為Ga。

鎵這種金屬很神奇,熔點(diǎn)很低,只有29.78℃,這個(gè)溫度放在手中即可融化。然而,它的沸點(diǎn)卻高達(dá)2403℃。因此,鎵也是自然界液相條件下溫差最大的金屬元素。

鎵的用處很多,對(duì)于光伏產(chǎn)業(yè)而言,可以稱(chēng)得上是一種有劃時(shí)代意義的稀有金屬。

硅片分為N型、P型。P型、N型主要是根據(jù)硅料摻入雜質(zhì)及導(dǎo)電類(lèi)型的不同劃分:當(dāng)硅中摻雜硼、鋁、鎵等,以空穴導(dǎo)電為主時(shí),為P型;當(dāng)硅中摻雜磷、砷、銻等,以電子導(dǎo)電為主,為N型。

鎵在光伏上的應(yīng)用,離不開(kāi)施博士母校——澳大利亞新南威爾士大學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)。最初,該大學(xué)光伏和可再生能源工程學(xué)院小組的研究表明,在光伏電池的硅中加入鎵,可以導(dǎo)致非常穩(wěn)定的太陽(yáng)能電池板,使用壽命中更不容易退化。

簡(jiǎn)要說(shuō)說(shuō)鎵的原理。

太陽(yáng)能電池通過(guò)利用太陽(yáng)光的能量來(lái)"分解"硅中的負(fù)電荷或電子,將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能。然后,這些電子被收集為電能。然而,將光照在一塊普通的硅上并不能發(fā)電,因?yàn)閺墓庵嗅尫诺碾娮硬⒉欢际浅粋€(gè)方向流動(dòng)。為了使電力朝一個(gè)方向流動(dòng),我們需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)電場(chǎng)。

在目前的硅太陽(yáng)能電池中,是通過(guò)在硅中添加不同的雜質(zhì)原子來(lái)實(shí)現(xiàn)的,以創(chuàng)造一個(gè)比正常硅有更多負(fù)電荷的區(qū)域(n型硅)和一個(gè)有較少負(fù)電荷的區(qū)域(p型硅)。當(dāng)我們把這兩部分硅放在一起時(shí),我們形成了所謂的"p-n結(jié)",這使太陽(yáng)能電池得以運(yùn)行,而向硅中添加雜質(zhì)原子的做法被稱(chēng)為"摻雜"。

最初,人們摻雜硼。但是硼原子有一個(gè)弱點(diǎn),就是陽(yáng)光照在充滿(mǎn)硼的硅上,會(huì)使硅的質(zhì)量下降,這通常被稱(chēng)為"光誘導(dǎo)的退化",在過(guò)去十年中,這個(gè)問(wèn)題一直是太陽(yáng)能研究的熱門(mén)話(huà)題。

這種退化的原因相對(duì)來(lái)說(shuō)很好理解:當(dāng)我們制造純硅材料時(shí),我們必須有目的地添加一些雜質(zhì),如硼,以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電力的電場(chǎng)。然而,其他不需要的原子也因此而被納入硅中。這些原子之一就是氧,它從坩堝中就被加入到硅中。

當(dāng)光照在同時(shí)含有硼和氧的硅上時(shí),它們會(huì)結(jié)合在一起,造成一種缺陷,可以捕獲電力并減少太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電量。這就意味著為太陽(yáng)能電池板提供動(dòng)力的陽(yáng)光,也會(huì)縮減組件的壽命。

就在這時(shí),“鎵”出現(xiàn)了。因?yàn)榕鸩⒉皇俏覀兛梢杂脕?lái)制造p型硅的唯一元素。實(shí)際上,在元素周期表中,有一整列的元素都比硅少一個(gè)負(fù)電荷,其中最適合的就是“鎵”。

鎵最大的優(yōu)點(diǎn)就是,它不會(huì)與氧氣結(jié)合在一起而導(dǎo)致光伏組件退化。但是,鎵的作用雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了二十多年,但一直沒(méi)有被使用。

這是為什么呢?因?yàn)橐患胰毡竟?mdash;—信越化學(xué),該公司在半導(dǎo)體硅片領(lǐng)域有接近30%的市占率。在2000年,該公司將摻鎵硅片技術(shù)在美國(guó)和歐洲申請(qǐng)了專(zhuān)利保護(hù)。在專(zhuān)利保護(hù)期內(nèi),隆基、晶澳等皆是通過(guò)購(gòu)買(mǎi)授權(quán)才獲得使用權(quán)。2020年5月,這個(gè)硅摻雜鎵的專(zhuān)利過(guò)期,行業(yè)才開(kāi)始迅速?gòu)呐疝D(zhuǎn)向鎵來(lái)制造p型硅,并大大推動(dòng)了Perc的發(fā)展。

2.限“鎵”,效果會(huì)很大

鎵在自然界中通常不會(huì)單獨(dú)發(fā)現(xiàn)。相反,它是作為精煉廠的副產(chǎn)品以小濃度生產(chǎn)的,這些精煉廠專(zhuān)注于鋅或氧化鋁等其他更主流的原材料。



與銅或石油等其他大宗商品相比,該市場(chǎng)規(guī)模很小——例如,根據(jù)美國(guó)政府發(fā)布的數(shù)據(jù),2022年美國(guó)進(jìn)口的金屬鎵和砷化鎵晶圓的價(jià)值僅為2.25 億美元左右。但是,它們?cè)趹?zhàn)略行業(yè)的作用,意味著限制措施仍可能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

鎵被稱(chēng)為“半導(dǎo)體工業(yè)新糧食”,被廣泛應(yīng)用于光伏、磁性材料、醫(yī)療、化工特別是無(wú)線(xiàn)通訊、LED等領(lǐng)域。

砷化鎵作為重要的第二代半導(dǎo)體材料,是目前最為成熟、生產(chǎn)量最大的化合物半導(dǎo)體材料之一。鎵用于化合物半導(dǎo)體,它結(jié)合了多種元素以提高電視和手機(jī)屏幕、太陽(yáng)能電池板和雷達(dá)的傳輸速度和效率。

因此,金屬鎵不僅被中國(guó)作為戰(zhàn)略性?xún)?chǔ)備礦產(chǎn)之一,也先后被歐盟、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)地區(qū)列入戰(zhàn)略性或關(guān)鍵礦產(chǎn)目錄。

從全球產(chǎn)量來(lái)看,中國(guó)產(chǎn)量占比最高。據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)數(shù)據(jù),哈薩克斯坦、匈牙利、德國(guó)、烏克蘭分別于2013年、2015年、2016年、2019年停止了鎵生產(chǎn),中國(guó)鎵占比全球鎵產(chǎn)量持續(xù)提升。2020年全球粗鎵產(chǎn)量也不過(guò)是300噸,其中我國(guó)的產(chǎn)量就高達(dá)290噸,占全球產(chǎn)量的96%以上。

另外,我國(guó)的金屬鎵儲(chǔ)量同樣是全球第一。目前,全球金屬鎵的儲(chǔ)量約為27.93萬(wàn)噸,而中國(guó)的儲(chǔ)量最多,達(dá)到19萬(wàn)噸,占全球儲(chǔ)量的68%。

鎵的價(jià),并不高,每公斤還不到2000塊。這怎么行?!



據(jù)海外金屬行業(yè)情報(bào)提供商CRU集團(tuán)表示,雖然鎵金屬可以替代,但這樣做可能會(huì)成本極高。

實(shí)際上,鎵并非特別稀有的金屬,但加工成本很高。由于我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)一直以相對(duì)便宜的價(jià)格出口這些金屬,因此其他地方幾乎沒(méi)有開(kāi)采這些金屬的設(shè)施。但如果中國(guó)的舉措導(dǎo)致價(jià)格飆升,分析師預(yù)計(jì)其他國(guó)家的產(chǎn)量或許也會(huì)增加,來(lái)滿(mǎn)足需求。

當(dāng)然,回收也在考慮之中。據(jù)美國(guó)地質(zhì)勘探局稱(chēng),工廠車(chē)間的廢料可以解決部分需求。

除中國(guó)外,其他擁有鎵生產(chǎn)能力的國(guó)家包括俄羅斯和烏克蘭,因?yàn)檫@些金屬是作為氧化鋁的副產(chǎn)品生產(chǎn)的,以及韓國(guó)和日本——作為鋅的副產(chǎn)品。

原標(biāo)題:光伏曾經(jīng)離不開(kāi)的“鎵”,絕對(duì)是一種戰(zhàn)略性礦產(chǎn),最近火了!

 
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