Чем объясняется различие свойств поликристалла и монокристалла

Твердые тела (кристаллы) характеризуются наличием значительных сил межмолекулярного взаимодействия и сохраняют постоянными не только свой объем, но и форму. Кристаллы имеют правильную геометрическую форму, которая является результатом упорядоченного расположения частиц (атомов, молекул, ионов), составляющих кристалл. Структура, для которой характерно регулярное расположение частиц с периодической повторяемостью в трех измерениях, называется кристаллической решеткой. Точки, в которых расположены частицы, а точнее — точки, относительно которых частицы совершают колебания, называются узлами кристаллической решетки.

Кристаллические тела можно разделить на две группы: монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллы — твердые тела, частицы которых образуют единую кристаллическую решетку. Кристаллическая структура монокристаллов обнаруживается по их внешней форме. Хотя внешняя форма монокристаллов одного вида может быть различной, но углы между соответствующими гранями у них остаются постоянными. Это закон постоянства углов, сформулированный М.В.Ломоносовым. Он сделал важный вывод, что правильная форма кристаллов связана с закономерным размещением частиц, образующих кристалл. Монокристаллами являются большинство минералов. Однако крупные природные монокристаллы встречаются довольно редко (например, лед, поваренная соль, исландский шпат). В настоящее время многие монокристаллы выращиваются искусственно. Условия роста крупных монокристаллов (чистый раствор, медленное охлаждение и т. д.) часто не выдерживаются, поэтому большинство твердых тел имеет мелкокристаллическую структуру, т. е. состоит из множества беспорядочно ориентированных мелких кристаллических зерен. Такие твердые тела называются поликристаллами (многие горные породы, металлы и сплавы).

Характерной особенностью монокристаллов является их анизотропность, т. е. зависимость физических свойств —упругих, механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических — от направления. Анизотропия монокристаллов объясняется тем, что в кристаллической решетке различно число частиц, приходящихся на одинаковые по длине, но разные по направлению отрезки (рис. 102), т. е. плотность расположения частиц кристаллической решетки по разным направлениям не одинакова, что и приводит к различию свойств кристалла вдоль этих направлений. В поликристаллах анизотропия наблюдается только для отдельных мелких кристалликов, но их различная

ориентация приводит к тому, что свойства поликристалла по всем направлениям в среднем одинаковы.

2. Типы кристаллических твердых тел

Существует два признака для классификации кристаллов: 1) кристаллографический; 2) физический

I. Кристаллографический признак кристаллов. В данном случае важна только пространственная периодичность в расположении частиц, поэтому можно отвлечься от их внутренней структуры, рас сматривая частицы как геометрические точки.

Кристаллическая решетка может обладать различными видами симметрии. Симметрия кристаллической решетки — ее свойство совмещаться с собой при некоторых пространственных перемещениях, например параллельных переносах, поворотах, отражениях или их комбинациях и т.д. Всякая пространственная решетка может быть составлена повторением в трех различных направлениях одного и того же структурного элемента — элементарной ячейки. Всего существует 14 типов решеток Бравэ, различающихся по виду переносной симметрии. Они распределяются по семи кристаллографическим системам, или сингониям, представленным в порядке возрастающей симметрии в табл. 3. Для описания элементарых ячеек пользуются кристаллографическими осями координат, которые проводят параллельно ребрам элементарной ячейки, а начало координат выбирают в левом углу передней грани элементарной ячейки. Элементарная кристаллическая ячейка представляет собой параллелепипед, построенный на ребрах а, 6, с с углами a, β и γ между ребрами (табл. 3). Величины а, b и с и a, β и γ называются параметрами элементарной ячейки и однозначно ее определяют.

Для задания направления в кристалле достаточно задать координаты любого атома тройкой целых чисел, заключенных в скобки (x,y,z). Если плоскость параллельна какой-либо из координатных осей, то индекс, соответствующей этой оси равен нулю. Основные кристаллографические плоскости кубической решетки показаны на рисунке 2.2.

Рис.2.2. — Основные кристаллографические плоскости кубической решетки

Кристалл кремния (кристалл с кубической решеткой) имеет три кристаллографические плоскости (100, 11О, 111):

а) — кристаллографические плоскости, 6) — расположение атомов в кристаллографических плоскостях

2. Физический признак кристаллов. В зависимости от рода частиц, расположенных в узлах кристаллической решетки, и характера сил взаимодействия между ними кристаллы разделяются на четыре типа: ионные, атомные, металлические, молекулярные.

Атомные кристаллы. В узлах кристаллической решетки располагаются нейтральные атомы, удерживающиеся в узлах решетки гомеополярными, или ковалентными, связями квантово-механического происхождения (у соседних атомов обобществлены валентные электроны, наименее связанные с атомом). Атомными кристаллами являются алмаз и графит (два раз- личных состояния углерода), некоторые неорганические соединения (ZnS, BeO и т.д.), а также типичные полупроводники — германий Ge и кремний Si. Валентные связи осуществляются парами электронов, движущихся по орбитам, охватывающим оба атома.

Читайте также:  Кнауф для кровли отзывы

Кремний и германий представляют собой кристаллы с регу­лярной структурой. Кристаллическая решетка кремния и германия называется тетраэдрической или решеткой типа алмаза Основу решетки составляет тетраэдр — пространственная фигура, имеющая четыре треугольные грани. В вершинах тетраэдра и в его центре расположены атомы. Центральный атом находится на одинаковом расстоянии от четырех других, находящихся в вер­шинах. А каждый атом, расположенный в вершине, в свою очередь, является центральным для других четырех ближайших атомов.

При рассмотрении физических процессов в полупроводниковых материалах удобнее пользоваться плоским эквивалентом тетраэдрической решетки (рис. 2.3). Все атомы (большие шарики) находятся в парноэлектронной, ковалентной или просто валентной связи. Парноэлектронные связи (линии на рисунке) образуются валентными электронами (на рисунке — маленькие шари­ки) при сближении атомов. Так располагаются атомы чистых четырехвалентных элементов, в том числе Ge и Si, при очень низкой температуре.

| следующая лекция ==>
Системы разработки при отсутствии воздействия на пласты | Дефекты в кристаллах. При выращивании монокристаллов из расплава очень трудно получить материалы со строго регулярной структурой

Дата добавления: 2014-01-13 ; Просмотров: 7244 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Первое, что бросается в глаза, это внешний вид. У монокристаллических элементов углы скругленные и поверхность однородная. Скругленные углы связаны с тем, что при производстве монокристаллического кремния получают цилиндрические заготовки. Однородность цвета и структуры монокристаллических элементов связана с тем, что это один выращенный кристалл кремния, а кристаллическая структура является однородной.

В свою очередь, поликристаллические элементы имеют квадратную форму из-за того, что при производстве получают прямоугольные заготовки. Неоднородность цвета и структуры поликристаллических элементов связана с тем, что они состоят из большого количества разнородных кристаллов кремния, а также включают в себя незначительное количество примесей.

Второе и наверное главное отличие — это эффективность преобразования солнечной энергии.Монокристаллические элементы и соответственно панели на их основе имеют на сегодняшний день наивысшую эффективность — до 22% среди серийно выпускаемых и до 38% у используемых в космической отрасли. Монокристаллический кремний производится из сырья высокой степени очистки (99,999%).

Серийно выпускаемые поликристаллические элементы имеют эффективность до 18%. Более низкая эффективность связана с тем, что при производстве поликристаллического кремния используют не только первичный кремний высокой степени очистки, но и вторичное сырье (например, переработанные солнечные панели или кремниевые отходы металлургической промышленности). Это приводит к появлению различных дефектов в поликристаллических элементах, таких как границы кристаллов, микродефекты, примеси углерода и кислорода.

Эффективность элементов в конечном счете отвечает за физический размер солнечных панелей. Чем выше эффективность, тем меньше будет площадь панели при одинаковой мощности.

Третье отличие — это цена на солнечные батареи. Естественно, цена батареи из монокристаллических элементов немного выше в расчете на единицу мощности. Это связано с более дорогим процессом производства и применением кремния высокой степени очистки. Однако это различие незначительно и составляет в среднем около 10%.

Четвертое отличие — это срок службы солнечных батарей. Солнечные батареи были испытаны в полевых условиях на многих установках. Практика показала, что срок службы солнечных батарей превышает 20 лет. Испытания показали снижение мощности модулей за 20 лет примерно на 10%. У монокристаллических солнечных батарей срок службы не менее 30 лет, в то время как у поликристаллических не менее 20 лет.Модули из аморфного кремния (тонкопленочные, или гибкие) имеют срок службы от 7 (первое поколение тонкопленочных технологий) до 20 (второе поколение тонкопленочных технологий) лет. Более того, тонкопленочные модули обычно теряют от 10 до 40% мощности в первые 2 года эксплуатации. Поэтому, около 90% рынка фотоэлектрических модулей в настоящее время составляют кристаллические кремниевые модули.Многие производители дают гарантию на свои модули на период от 10 до 25 лет. При этом они гарантируют, что мощность модулей снизится не более, чем на 10%. Гарантия на механические повреждения дается обычно на срок от 1 до 5 лет. Сами солнечные элементы, используемые в солнечных модулях, имеют практически неограниченный срок службы и показывают отсутствие деградации по прошествии десятков лет эксплуатации. Однако, выработка модулей со временем падает. Это результат 2 основных факторов — постепенное разрушение пленки, используемой для герметизации модуля (обычно используется этиленвинилацетатная пленка — ethylene vinyl acetate; EVA) и разрушение задней поверхности модуля (обычно поливинилфосфатная пленка), а также постепенное замутнение прослойки из EVA пленки, расположенной между стеклом и солнечными элементами.

Читайте также:  Как выбрать биметаллические батареи отопления для квартиры

Герметик модуля защищает солнечные элементы и внутренние электрические соединения от воздействия влаги. Так как практически невозможно полностью защитить элементы от влаги, модули на самом деле "дышат", но это крайне трудно заметить. Влага, попавшая внутрь, выводится наружу днем, когда температура модуля возрастает. Солнечный свет постепенно разрушает герметизирующие элементы за счет ультрафиолетового излучения, и они становятся менее эластичными и более податливыми на механические воздействия. Со временем, это приводит к ухудшению защиты модуля от влаги. Влага, попавшая внутрь модуля, ведет к коррозии электрических соединений, увеличению сопротивления в месте коррозии, перегреву и разрушению контакта или к уменьшению выходного напряжения модуля.

Второй фактор, уменьшающий выработку модуля — это постепенное уменьшение прозрачности пленки между стеклом и элементами. Это уменьшение не заметно невооруженным глазом, но ведет к снижению мощности модуля за счет того, что меньше света попадает на солнечные элементы.

Максимальное ухудшение обычно гарантируется производителями на уровне не более 20% за 25 лет. Однако испытания на реально работающих модулях показали, что их выработка за 30 лет уменьшилась не более, чем на 10%. Очень многие из этих модулей и до сих пор работают с заявленными при производстве параметрами (т.е. нет деградации). Поэтому можно смело говорить, что модули будут работать не менее 20 лет, и с высокой вероятностью обеспечат высокие показатели и через 30 лет с момента начала работы.

Итак, перечислим основные отличия монокристаллических и поликристаллических солнечных батарей:

Как видно из этого перечня, для солнечной электростанции не имеет ни какого значения, какая солнечная панель будет использоваться в ее составе. Главные параметры — напряжение и мощность солнечной панели не зависят от типа применяемых элементов и зачастую можно найти в продаже панели обоих типов одинаковой мощности. Так что окончательный выбор остается за покупателем. И если его не смущает неоднородный цвет элементов и немного большая площадь, то вероятно он выберет более дешевые поликристаллические солнечные панели. Если же эти параметры имеют для него значение, то очевидным выбором будет немного более дорогая монокристаллическая солнечная панель.

Одним из источников выработки электрического тока являются солнечные батареи. Их устанавливают в своих домах, на производственных объектах, где нет электростанций. Производители совершенствуют технологии, улучшая характеристики.

Монокристаллические панели

Основа монокристаллических панелей — множество фотомодулей из силикона, формирующих целостную конструкцию. Явление перехода энергии света в электрическую происходит благодаря фотоэлектрическому процессу в фотомодулях.

Принцип работы

В монокристаллических панелях главный рабочий элемент — кварцевый песок, в котором содержится много диоксида кремния или SiO2. Он давно зарекомендовал себя в радиоэлектронике.

Как синтезируется кремний

В результате многоступенчатой очистки при участии химических реагентов кремний избавляют от кислорода. Образующиеся куски упорядочиваются по технологии Чохральского до однородного кристалла. Стержни из него постепенно растут, вытягиваются из сплава элемента, что обеспечивает однородность и техническую эффективность. После этого выполняется разделение на части толщиной в среднем 0,3 мм. Именно в таком виде они и используются в производстве фотоэлектрических элементов.

Для обеспечения целостности, надежности их помещают в крепкий корпус, который сегодня делают и гибким. Он защищает не только от механических повреждений, но и от пыли, влаги, атмосферных осадков. Это позволяет использовать монокристаллические панели в разных климатических зонах, на море, на суше.

Особенности сборки

Для производства монокристаллических батарей используются только отобранные, очищенные пластинки. Чтобы кремний мог вырабатывать энергию, в него добавляется бор, фосфор, припаиваются проводники к сторонам пластины. Уже они соединяются между собой. Чем получаемых блоков больше, тем большей будет мощность.

Роль соединений

Последовательность соединения обеспечивает уровень напряжения, а параллельное — способствует увеличению силы тока. По этой причине последовательные и параллельные элементы объединяют. Готовые ячейки заключаются в пленку, наносят на стекло, а далее закрепляют рамкой, подсоединяют к распределительной коробке. Соединения готовых батарей также делают параллельным и прямым, для достижения нужных показателей по силе тока, напряжению.

Читайте также:  Печи для загородного дома с высоким кпд

Поликристаллические панели

Сырьем для производства основы для поликристаллических панелей также является кремний, но, образованный из охлажденного кремниевого расплава и сформированного в блоки.

Принцип устройства

Работа батарей поликристаллического типа аналогична монокристаллическим. Также имеет значения применяемая конкретным производителем технология. Обратить внимание нужно на кремний.

Получение кремния

Изготовление поликристаллических батарей от монокристаллических отличается выращиванием кристалла. Используется много разных вариантов, но наиболее востребованным и зарекомендовавшим себя является Сименс. В основе – восстановление силана для получения свободного кремния. Получается это благодаря действию смеси газа и пара из водорода и силана на кремневые заготовки при температуре 650 – 1300 0С. Получаемые в результате атомы кремния формируют кристалл.

Процесс работы для изготовления поликристаллических модулей менее трудоемкий, по сравнению с вышеописанным вариантом панелей. Данный факт обеспечивает и меньшие цены на них. Минусом является наличие участков с зернистыми границами, снижающими качество панелей.

Каркасом батарей служит алюминиевая рамка, покрывающаяся защитным раствором, препятствующим появлению коррозии, которая, как и у монобатарей, может быть гибкой. Сверху поликристаллические панели покрываются защитной пленкой, ламинатом, который:

  • обеспечивает полную герметизацию;
  • защищает от механических повреждений;
  • предотвращает попадание влаги.

Отличия монокристаллических поликристаллических солнечных модулей

Факторы, отличающие поликристаллические и монокристаллические батареи, влияющие на выбор при покупке, зависят от самого устройства, применяемой технологии.

Таблица 1. Отличия поликристаллических и монокристаллических батарей

  • в серийном производстве 22 %;
  • в космических технологиях 38 %.

Причина – почти стопроцентная чистота сырья, что повышает коэффициент полезного действия.

При серийном производстве 18 %.

Причина — использование только первичного кремния или сырья из б/у батарей, отходов металлургии. Это является причиной возникновения дефектов: границ кристаллов, включению углерода, кислорода.

Тоньше почти в 2 раза

Зерна направлены в одном направлении

Размер в расчете на одинаковую мощность

Занимают меньшую площадь

Занимают чуть большую площадь

Поверхность однородная, края обтекаемые, так как кремний производится в цилиндрических формах

Модули квадратные, так как и сырье в виде квадратов, а структура и цвет неоднородные.

Равномерная, без пустот

Занимается не вся полезная площадь, поверхность неоднородна.

Монокристаллы эффективны и при отрицательных показателях температуры окружающей среды, что подходит для круглогодичного применения.

Не подходят для работы при сильно отрицательных температурах

Хуже работают в пасмурную погоду, но некоторые производители предлагают варианты батарей с отсутствием данного минуса

Эффективнее монокристаллических в условиях пасмурной погоды, облачности, что особенно актуально в межсезонье

Снижение производительности за 25 лет работы в равных условиях

процент выработки снижается на 20 % для монокристаллических

Процент для поликристаллических снижается на 30 %

Важно! На износ моно и поликристаллических панелей влияет и внешнее покрытие, сами расходные материалы (пленка, контакты), требующие замены.

Стоимость с учетом равной мощности

Важно! На данный факт влияет исходное сырье, используемая технология производства

Используются монокристаллические батареи, в первую очередь, в частном жилом секторе, поликристаллические панели устанавливают и парках, на некоторых предприятиях. Для применения в промышленных масштабах необходима организация высокотехнологичных предприятий. Они должны быть оснащены специальным оборудованием, что является достаточно затратным. Также на выбор влияет производитель, так как чем лучше элементы, тем и эффективность будет большей. С каждым годом ситуация улучшается. Исследования, ведущиеся в данном направлении, прогрессируют, что прогнозирует положительную динамику цен при покупке оптом и в розницу.

Из представленной информации становится ясно, что при выборе солнечной электростанции следует обращать внимание на место установки, условия эксплуатации, напряжение, мощность панелей, предложения разных производителей. В продаже бывают варианты и с одинаковыми значениями мощности. Преимущество за монокристаллами, но если размер, неоднородность цвета не существенны, можно покупать поликристаллические, что и по цене будет выгоднее.

В каталоге нашего интернет-магазина есть поликристаллические панели, монокристаллические панели и гибкие. Обратитесь к менеджеру по телефону или через форму обратной связи для консультации при подборе батарей.

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock detector