关键矿物力量：澳大利亚硅的未来
随着全球大力发展可再生能源，关键矿物的作用从未如此突出。以石英形式存在的硅是太阳能电池和其他关键技术的基本成分。它正成为寻求可持续未来的关键。然而，从坚硬的石英到太阳能电池的旅程是复杂的，澳大利亚为这一旅程做出贡献的潜力仍在展现。
从石英到太阳能电池
到 2050 年，太阳能光伏 (PV) 技术将主导全球能源生产。然而，目前太阳能电池的供应链高度集中在中国，这对供应可靠性构成重大风险。
从石英到太阳能电池的整个过程始于从岩石中提取高质量的石英块，石英块的主要成分是二氧化硅。石英的纯度不需要很高，但必须足够坚固以应对下一步，而不会碎成粉末。
这种石英要经过还原冶炼过程，即加热到极高的温度。碳源（通常是煤或木炭）与二氧化硅发生反应，分离出硅金属并产生二氧化碳作为副产品。
由此产生的冶金级硅的纯度约为 99.0% 至 99.6%。然后需要进一步化学净化，以生成纯度为 99.9999999% 或更高的多晶硅。
然后将高度纯化的多晶硅熔化并制成圆柱形锭，然后用硼或磷进行处理（掺杂）以改变其光电特性。
这些硅锭被切成薄片，厚度约为 0.16 毫米，作为太阳能电池的核心部件。硅片经过进一步加工，组装成太阳能电池。然后将它们焊接在一起，放在聚合物背板上，涂上专用玻璃，用铝架框起来，形成完整的太阳能电池板或模块。
澳大利亚应对挑战的独特地位
澳大利亚拥有丰富的石英矿藏和世界一流的太阳能资源及太阳能光伏发电潜力，具有发展国内硅生产产业的独特优势。
此举可以增强国家能源安全，减少碳排放，并创造经济机会。
图片来源：CSIRO
澳大利亚还具有竞争优势，因为它拥有利用太阳能和风能生产低成本、低排放电力的潜力，现有的大宗商品出口基础设施，以及大量高品质石英矿藏。
然而，澳大利亚面临的挑战是建立多晶硅、硅锭和硅片制造——澳大利亚在这方面的经验有限。但通过与国际技术领导者合作，澳大利亚有可能克服这一挑战。
如果成功，这将解决价值链最集中的部分，并为国内和出口市场创造机会。
目前澳大利亚仅有一家硅生产厂，即西澳的Simcoa，为日资企业，每年生产冶金硅5.2万吨，约85%用于出口。
全球矿产经济公司CRU国际的高级顾问戴维·罗伊尔表示，中国在全球太阳能光伏电池多晶硅市场的份额约为94%。
“对于澳大利亚来说，进入这个成熟的市场成本非常高，而且以多晶硅为例，其价格历来波动很大，最近的动态显示，中国和中国以外地区的材料价格存在分化，”戴维说。
“虽然建立这个行业具有挑战性，但如果我们做得好，它也可能取得真正的成功，并为澳大利亚创造一个可持续的、重要的国内产业。澳大利亚实现这一目标的关键是获得稳定、廉价的能源，以及《未来澳大利亚制造法案》提供的税收抵免等激励措施。”
最近，中国和中国境外材料价格之间出现了一种动态。图片来源：Exawatt、CRU
澳大利亚关键矿产研究与发展中心
澳大利亚关键矿产研究与开发中心与澳大利亚地球科学局和澳大利亚核科学技术组织 (ANSTO) 合作，率先采用创新勘探技术并建立行业合作伙伴关系，以推动澳大利亚关键矿产的发现和开发。其中包括优质石英矿床。
澳大利亚核科学技术组织关键矿物研发中心负责人克里斯·格里菲斯博士表示，作为中心工作的一部分，澳大利亚核科学技术组织正在领导石英精炼技术的研究，开发先进的方法来提高这种关键矿物的纯度和质量。
克里斯说：“高温氯化涉及将已经‘高纯度’的二氧化硅材料暴露在高于 1,000°C 的温度下的氯气中。”
“这些条件导致关键杂质元素形成氯化氢或氯化盐，随后可以通过氯化或浸出溶解去除。
“然而，能够进行如此高温氯化的设施并不多，专门用于高纯度石英的设施就更少了，所以我们的主要目标之一是为澳大利亚工业提供这样的设施以供验证。”
ANSTO 在石英净化方面的工作的一个主要特点是生产可用于制造高纯度硅和多晶硅生产用坩埚的材料。尽管极高纯度的硅备受关注，但极高纯度石英对于制造不会污染高纯度硅的坩埚和容器至关重要。
我们的新报告《从矿物到材料》强调了充分利用特定关键矿物市场（包括硅）所需的研发工作。它将为澳大利亚关键矿物研究与开发中心提供信息。
报告的主要作者贝尼·德拉瓦尔 (Beni Delaval) 表示，重点研究和开发 (R&D) 可以帮助澳大利亚创造新的、更高效、成本更低、更环保的途径，从而抓住市场机遇。
贝尼说：“谈到金属硅，报告中强调的机遇之一是通过利用生物碳资源，实现碳密集程度较低的生产过程。”
“还有其他炼油方法的碳足迹较小，值得进一步研究。
“虽然澳大利亚有很多机会，但要让这个行业正常运作，需要强有力的国际合作，以及政府、工业和研究部门之间的国家合作。”
更广泛的机遇和战略协调
戴维表示，澳大利亚的硅金属机遇并不仅限于太阳能电池。
“硅在电池阳极化学中的应用也越来越多。当硅与石墨混合高达 20% 时，可以显著提高能量密度并降低成本，”David 说道。
David 表示：“CRU 估计，轻型电动汽车中近 50% 的电池阳极将含有硅。”
澳大利亚拥有成为硅供应链全球领导者的绝佳机会，推动向可再生能源的转型并确保经济和环境效益。通过迅速而有策略地采取行动，并通过协调研发工作和国际国内合作，澳大利亚可以将其丰富的矿产资源转变为清洁能源的发电站，展示其关键矿产的真正潜力。
更多信息： 报告：从矿物到材料：对澳大利亚关键矿物中游加工能力的评估
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