Поликристалл и монокристалл

Солнечные батареи в последние десять лет перешли из разряда ноу-хау и дорогостоящей разработки с низкой эффективностью в прикладные и популярные сферы. Их можно использовать для подзарядки гаджетов в походе, а также применять в роли основного или резервного источника питания для бытовых помещений и не только. Кроме того, некоторые инженерные решения могут показаться необычными, например, использование в качестве дополнительного источника энергии на транспортных средствах.

Элемент, получающий электрическую энергию прямо от солнца в достаточном количестве, не способен давать ее постоянно. Ее нужно запасать в аккумуляторах, чтобы можно было использовать по необходимости в любое время.

Солнечные панели устроены по простой схеме, куда входят полупроводниковый фотоэлемент из кремния, соединительные провода и корпус. Лучи света воздействуют на свободные электроны фотоэлемента, заставляют их двигаться. Образующийся при этом ток по проводам поступает к нагрузке. Вместо нагрузки в цепь панели может быть включен аккумулятор, который обеспечивает электрической энергией потребители в ночное время суток, когда по погодным условиям интенсивность дневного освещения мала.

Как монокристаллический модуль, так и ячейка на основе поликристаллов, в своем устройстве используют полупроводниковые пластины из кремния. Пластина монокристаллической панели состоит из одного полупроводникового кремниевого кристалла, а поликристаллическая панель использует структуру из множества кристаллов.

Конструкция и применение

По устройству все солнечные преобразователи разделяют на монокристаллические и поликристаллические. От конструктивного исполнения каждой панели зависит ее эффективность и стоимость. Мировые производители этих устройств используют в качестве рабочего тела кремний, теллурид кадмия и соединения на основе меди, индия, галлия, селена. Последними достижениями в этой области считаются батареи, рабочим материалом которых является арсенид галлия.

Отечественная промышленность для производства солнечных генераторов использует преимущественно кремниевые полупроводниковые пластины. Готовые модули, предназначенные для выработки электрического тока, объединяют своей конструкцией набор ячеек. Плоские панели устанавливают на специальные стеллажи с поворотными устройствами, при помощи которых в течение дня устанавливается максимально возможный угол падения лучей солнца на полупроводник. Дешевым, но менее эффективным вариантом является использование неподвижных конструкций, настроенных на определенный постоянный угол.

Важным элементом любой солнечной сборки являются аккумуляторы, которые накапливают электрическую энергию для использования ее ночью или в мало освещенное время суток. Дальше она из аккумуляторов поступает непосредственно в нагрузку, либо сначала на инвертор 12(24)–220 В, а затем к потребителю, в зависимости от его типа.

Мнение эксперта Алексей Бартош Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники. Задать вопрос эксперту Генерировать солнечную энергию выгодно там, где в году много ярких дней. Большинство регионов РФ малопригодны для использования только энергии солнца. Солнечные генераторы чаще применяются лишь как добавочные устройства энергоснабжения. к содержанию

Что такое монокристаллическая солнечная батарея

Мы уже упомянули о том, что панели бывают двух типов: поли- и монокристаллические. Для начала рассмотрим монокристаллический элемент – он дороже, но мощнее.

Особенности

Для такой батареи выращивается специальный монокристалл кремния по способу Чохральского. Этот материал стоит дороже, чем поликристаллическая пластина, но из-за своего высокого качества монокристаллический модуль имеет больший КПД. Монокристаллические солнечные панели, собранные из отдельных кремниевых ячеек, обладают эффективностью работы, которая равна примерно 20–22%.

Лучи света, попадая на поверхность монокристалла кремния, приводят свободные электроны к направленному движению. С обеих сторон кристалла к нему присоединены провода, идущие к потребителю.

КПД такой пластины достаточно высок, так как в ней лучи солнца не рассеиваются, а равномерно распределяются по всей поверхности кристалла. Площадь р-п перехода в пластине велика, за счет чего электроны проникают из одной части полупроводника в другую беспрепятственно.

Стоимость

Технология выращивания монокристаллов полупроводника больших размеров довольно трудоемка, из-за чего цена такой батареи всегда выше, чем аналогичного изделия на основе поликристаллов. Разница в стоимости устройств – 10%, что является главным недостатком монокристаллической батареи.

Цена монокристаллической панели мощностью 150 Вт равна 5400 руб., а такая же по конструкции батарея мощностью 200 Вт стоит 11700 руб. Гораздо дороже устройства мощностью 230 Вт и 300 Вт

Что такое поликристаллическая батарея

Если основной элемент монокристаллической батареи – это искусственно выращенный монокристалл больших размеров, то другой вид светоприемников имеет полупроводниковый элемент поликристаллической структуры.

Считается, что для потребления энергии Солнца оптимальным вариантом являются поликристаллические солнечные батареи. Они дешевле своего монокристаллического аналога, так как для производства используют обрезки, оставшиеся после монокристаллических элементов. Кремний при изготовлении рабочего элемента поликристаллической панели просто охлаждается из горячего расплава, что не требует высоких затрат и сложных технологий.

По внешнему виду поликристалл кремния отличается от монокристалла неоднородностью цветовой гаммы, отливающей голубым и светло-синим цветом. Непрерывное совершенствование технологии производства приближает по качеству поликристаллические батареи к сборкам на монокристаллах.

Кроме более низкой стоимости, поликристаллические модули отличаются от монокристаллов тем, что снижение их мощности по мере увеличения эксплуатационного периода происходит значительнее медленнее.

Очень важно и то, что при нагреве полупроводникового элемента поликристаллического типа он не так сильно снижает свои рабочие качества, как монокристаллы.

Поликристаллические солнечные элементы производителя SilaSolar мощностью 50 ватт и напряжением 12 В на момент написания статьи стоят 2790 руб. Такая же по устройству батарея этого же производителя, но на 100 ватт, имеет цену 4200 руб.

Сравнение поликристаллической и монокристаллической солнечных батарей

Когда потребитель делает выбор между различными по конструкции световыми модулями, он старается дать ответ на вопрос: какие солнечные панели лучше, поли или моно? При этом ему необходимо учитывать результаты тестирования устройств, проводимых независимыми компаниями.

Приведем основные результаты тестов на отличие этих световых модулей:

  • снижение номинальной мощности с увеличением срока эксплуатации у моно модулей происходит быстрее (у поликристаллического элемента за первый год работы
  • мощность снижается на 2%, а у монокристаллического – на 3%);
  • цена поликристаллического модуля ниже стоимости монокристаллического такой же мощности примерно на 10%;
    суммарная вырабатываемая электроэнергия монокристаллического модуля на 30% выше, чем поликристаллического при равной площади.

Из приведенных данных можно сделать вывод, что, первые дешевле и менее прихотливы, а вторые мощнее, но привередливее. Выбирая поликристаллические или монокристаллические кремниевые солнечные батареи, решайте исходя из своих финансовых возможностей обслуживать и обновлять модули, и сделайте выбор между долговечностью и мощностью. К тому же качественно произведенный поликристаллический модуль намного дешевле. Окончательный выбор остается за покупателем.

Установка солнечной панели

Для более эффективного применения батареи нужно обязательно учитывать следующие факторы ее установки:

  • месторасположения устройства не должно в течение дня закрываться тенью любых других предметов;
  • чтобы поток световых лучей на фотоэлемент был максимален, желательно его оборудовать поворотным устройством, выдерживающим постоянную ориентацию на солнце;
  • оптимальный угол наклона модуля к вертикали сильно зависит от местности где расположена СЭС и времени года, все знают, что солнце зимой находится ниже над горизонтом;
  • ухода за лицевой стороной прибора, очистки стекла от наслоений грязи и снега, нужно обеспечить к нему удобный доступ человека.

Собрать солнечную установку можно своими руками, предварительно изучив соответственную литературу.

Но если у вас нет, хотя бы базовых познаний в электричестве и электронике, то стоит доверить дело специалистам.

Тестирование

Чтобы сравнить две солнечные сборки одинаковой мощности на эффективность, разумно выполнить их рабочее тестирование. Для этого необходимо установить mono- и poly-батареи одинаково по отношению к солнцу и измерять реальную мощность устройств в зависимости от времени суток, от степени нагрева полупроводникового элемента.

Также учтите все другие параметры, которыми они будут отличаться. В том числе снижение мощности устройств после определенного периода эксплуатации. Полученные результаты дадут исчерпывающую информацию, какая из панелей (solar panels) лучше и кому из производителей этих устройств нужно в дальнейшем отдавать предпочтение.

Предыдущая Альтернативные источникиКак выбрать аккумуляторы для солнечных батарей

Ответить на вопрос, какие солнечные батареи лучше, монокристалл или поликристалл, можно только после внимательного рассмотрения особенностей, конструкции и прочих параметров обоих разновидностей. Четкое понимание разницы между ними позволит выбрать оптимальный вариант для создания частной СЭС, сэкономить деньги, получить наиболее эффективную и долговечную систему подачи электроэнергии.

Итак, моно- или поликристаллический солнечный модуль — что лучше? Рассмотрим вопрос по порядку.

Что такое монокристаллическая солнечная батарея?

Монокристаллическая солнечная батарея представляет собой срез с единого кристалла кремния, полностью однородного и монолитного. Этот вид конструкции демонстрирует максимальную эффективность и значительно превосходит все аналоги по характеристикам, стабильности и долговечности.

Внешне их легко отличить от альтернативных конструкций — панели имеют черный цвет и по всей площади оснащены металлическими пластинками, расположенными в узловых точках решетки. Монокристаллические элементы имеют срезанные углы, поскольку изготовлены из заготовки цилиндрической формы. Если не устанавливать защитные элементы, между отдельными панелями будет накапливаться пыль, попадать и замерзать вода, что приведет к разрушению модуля.

Изготовление

Главное, чем отличаются монокристаллы от поликристаллов —это сложность в изготовлении. Монокристалл долго выращивается и требует для этого создания определенных условий.

  • Используется небольшой кусочек чистого кремния, который помещают в расплав.
  • Он становится основой для кристалла, который начинает расти, увеличиваться в размерах.
  • Когда его величина достигает заданных параметров, процесс останавливают, а полученный цилиндр нарезают на тонкие пластинки. Это и есть заготовки для монокристаллических солнечных панелей.
  • Затем их шлифуют, наносят защитное покрытие и устанавливают контактные проводники.
  • Последний этап — сборка отдельных фотоэлектрических элементов в солнечные модули с заданными параметрами.

Преимущества

К преимуществам монокристаллических панелей следует отнести:

  • эффективность, превышающая показатели всех остальных видов солнечных панелей. Она достигается за счет структурированности кремния, позволяющего добиться КПД в 17-22 %
  • малая площадь панелей по сравнению с другими конструкциями
  • долговечность монокристаллических панелей составляет до 25 лет, что не способны продемонстрировать альтернативные разновидности
  • способность работать в условиях низких температур
  • панели демонстрируют довольно высокую производительность даже в условиях слабой освещенности

Преимущества, которые показывают солнечные панели монокристаллические перед другими конструкциями, в значительной степени нивелируются их отрицательными качествами.

Недостатки

К недостаткам монокристаллических модулей относят:

  • высокая стоимость. Процесс производства занимает много времени, требует создания специфических условий роста кристаллов. Кроме того, приходится поддерживать эти условия в неизменном состоянии в течение длительного времени. Это увеличивает себестоимость конечной продукции, и снизить ее производителям пока не удается
  • чувствительность панелей к появлению загрязнений, затенения части поверхности. Это отрицательно воздействует на производительность всей сборки модулей, но может быть устранено установкой микроинверторов. Они выравнивают режим работы всех модулей, но еще больше увеличивают суммарную стоимость солнечных батарей

Основным недостатком, ограничивающим использование монокристаллов, является чрезмерно высокая цена. Пользователи, подсчитав сумму вложений, предпочитают более дешевые поликристаллы.

Цена монокристаллических солнечных панелей малой мощности мало отличается от поликристаллических образцов. Например, 30-ваттный модуль стоит 2100 руб. против 1700 руб. для поликристаллической панели той же мощности.

Однако, с увеличением производительности и размера панели разница в стоимости заметно увеличивается. Учитывая необходимость приобретать несколько панелей, ценовое преимущество поликристаллов возрастает. При этом, преимущество монокристаллов по всем позициям никем не оспаривается, единственным критерием становится ценовой фактор.

Поликристаллические солнечные батареи изготавливаются по другой технологии. Она значительно проще, что делает методику более предпочтительной как для производителей, так и пользователей. Несколько упрощенно, технологический процесс состоит из нескольких этапов:

  • нагрев кремния до точки плавления
  • розлив полученного расплава по формам
  • нарезка остывших брикетов на тонкие пластинки
  • шлифовка, нанесение токопроводящих дорожек
  • нанесение слоя защиты

Отсутствие длительного процесса естественного выращивания кристалла значительно ускоряет и упрощает процесс изготовления, но качество панелей получается намного ниже. Вся площадь фотоэлемента разделена на мельчайшие частицы. ориентированы в разные стороны. От этого процесс образования электронов при попадании фотонов света делается менее интенсивным.

КПД, который способны продемонстрировать поликристаллические панели, не превышает 12-18 %, что заметно ниже показателя монокристаллических компонентов.

Отличить внешне, монокристалл или поликристалл является базовым компонентом, очень легко. Если первый имеет черный цвет, то модули второго типа синие и не оснащены никакими дополнительными элементами на лицевой поверхности. В зависимости от производителя и особенностей технологии оттенок может быть более светлым или темным, но он всегда синий.

Если возникает вопрос — монокристаллические и поликристаллические солнечные модули, что лучше — надо детально рассмотреть их достоинства. Преимуществами поликристаллов считают:

  • более быстрый и экономичный способ изготовления
  • отставание по всем параметрам от монокристаллов не слишком значительное
  • стоимость поликристаллических модулей примерно на 20 % ниже, что при покупке больших партий создает большую экономию

Необходимо учитывать, что у некоторых производителей (например, у одного из лидеров мирового рынка компании Trina Solar) более высокие показатели демонстрируют солнечные панели поликристаллические. Они превосходят монокристаллы на 2,6 % по производительности, хотя по другим параметрам они примерно равны. Однако, у других производителей такого первенства не наблюдается.

К недостатками поликристаллических панелей принято относить:

  • КПД этих конструкций составляет всего 12-18 %
  • уровень производительности ниже
  • долговечность поликристаллов примерно такая же, но со временем показатель производительности заметно падает
  • размер панелей на 20 % больше, чем у монокристаллических модулей той же производительности. Это играет важную роль при необходимости разместить их в условиях ограниченного пространства — на крыше или иной поверхности

Необходимо учитывать, что недостатки поликристаллических панелей не настолько существенны, чтобы пользователи в массовом порядке отказались от их применения. Наоборот, спрос на эти конструкции гораздо выше, чем на все альтернативные разновидности. Он вызван оптимальным на сегодняшний день соотношением стоимости и параметров модулей.

Цены на поликристаллические солнечные батареи примерно на 10-15 % ниже, чем на монокристаллические модули. Это позволяет получить заметную экономию при создании полнофункциональной СЭС с набором приборов и большим количеством панелей.

Учитывая, что долговечность поликристаллических солнечных батарей составляет около 30 лет (хотя достоверной статистики на этот счет пока никто не собрал), общий порядок цен способствует однозначному выбору этих разновидностей. Кроме того, периодически панели приходится менять, и в этом вопросе более доступная стоимость определяет выбор пользователей. 100-ваттная панель стоит около 6000 руб, а 300-ваттная — около 18000 руб. Порядок цен зависит от производителя, у некоторых компаний ценовые запросы гораздо выше.

В чём же разница?

Итак, если имеется монокристаллическая и поликристаллическая солнечная панель, разница между ними находится в плоскости себестоимости и эффективности. Изготовление монокристаллов обходится дорого и требует большого количества времени. Другой тип панелей производится намного быстрее, что делает себестоимость гораздо ниже. Соответственным образом отличаются технические характеристики модулей.

Рассматривая поликристаллические или монокристаллические солнечные батареи, следует учитывать эти факторы и принимать во внимание условия эксплуатации модулей. Монокристаллы не переносят загрязнения лицевой поверхности, тогда как поликристаллы к этому более устойчивы. Сравнение этих видов производилось в лабораторных условиях, которые на практике организовать невозможно.

Какие модули выбрать?

Выбор оптимального варианта надо производить по сочетанию стоимости, качества и технических показателей. Руководствоваться только конструкцией — неправильно, такой подход может стать причиной нерационального расхода денег. Надо произвести тщательный расчет потребностей дома в электроэнергии, прибавить необходимый запас на непредвиденные ситуации и на падение производительности с увеличением срока службы.

Руководствуясь этими данными производят подбор наиболее соответствующих солнечных модулей. Приоритет монокристаллов очевиден, но, если расходы на них слишком велики, вполне можно заменить на более доступные поликристаллические модули.

Сравнение монокристаллических и поликристаллических солнечных батарей

Итак, какая солнечная батарея лучше — монокристаллическая или поликристаллическая? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно сначала разобраться, а чем же они отличаются?

На фото ниже представлены два основных типа:


Монокристаллический элемент

Поликристаллический элемент

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.

моно СП 15 Вт, 12 В
1760 1650 руб.моно СП 50 Вт, 12 В
4800 руб.поли СП 150 Вт, 12 В
5940 руб.моно СП 150 Вт, 12 В
9780 руб.

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 солнечной 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%.

Итак, перечислим основные отличия монокристаллических и поликристаллических солнечных батарей:

  • Внешний вид.
  • Эффективность.
  • Цена.

Как видно из этого перечня, для солнечной электростанции не имеет никакого 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.

В заключении хочется отметить, что по данным Европейской ассоциации EPIA в 2010 году производство солнечных батарей по типу применяемого в них кремния распределилось следующим образом:

  1. поликристаллические — 52,9%
  2. монокристаллические — 33,2%
  3. аморфные и пр. — 13,9%

Т.е. поликристаллические солнечные батареи по объему производства занимают лидирующие позиции в мире.

Монокристаллы и поликристаллы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБОУ СПО «Курский монтажный техникум»

Доклад на тему:

«Монокристаллы и поликристаллы»

Киселёв Александр Сергеевич

Курск 2014

План

Введение

1. Теория кристаллов

2. Выращивание кристаллов

3. Исследования зависимости роста кристалла от температуры

Заключение

Введение

Поликристалл — агрегат мелких кристаллов какого-либо вещества, иногда называемых из-за неправильной формы кристаллитами или кристаллическими зёрнами. Многие материалы естественного и искусственного происхождения (минералы, металлы, сплавы, керамики и т. д. ) являются поликристаллами.

Монокристалл — отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств. Внешняя форма монокристалла обусловлена его атомно-кристаллической структурой и условиями кристаллизации.

В повседневной жизни мы часто встречаемся с процессом кристаллизации и образованием различных форм фигур. Например — красивые ледяные узоры на стеклах окон зимой или белый налет на поверхности после высыхания разлившейся соленной воды. Как и почему это происходит?Поиски ответов на эти вопросы и вызвали интерес к процессу кристаллизации.

Многие монокристаллы и поликристаллы широко применяются в кристаллографии, кристаллооптике, радиотехнике, в запоминающих устройствах, для измерения слабых температур, в технике управления световыми лучами, в обработке материалов, в бурении, в часах, в точных приборах

Теория кристаллов

Кристаллы — это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Поэтому кристаллы имеют плоские грани. Например, крупинка обычной поваренной соли имеет плоские грани, составляющие друг с другом прямые углы.

Кристаллическую структуру имеют металлы. Если взять сравнительно большой кусок металла, то на первый взгляд его кристаллическое строение никак не проявляется ни во внешнем виде куска, ни в его физических свойствах. Металлы в обычном состоянии не обнаруживают анизотропии.

Дело здесь в том, что обычно металл состоит из огромного количества сросшихся друг с другом маленьких кристалликов. Свойства каждого кристаллика зависят от направления, но кристаллики ориентированы по отношению друг к другу беспорядочно. В результате в объеме, значительно превышающем объем отдельных кристалликов, все направления внутри металлов равноправны и свойства металлов одинаковы по всем направлениям.

Твердое тело, состоящее из большого числа одиночных кристалликов, называют поликристаллическим. Одиночные кристаллы называют монокристаллами.

К поликристаллам относятся не только металлы. Большинство кристаллических тел — поликристаллы, так как они состоят из множества сросшихся кристаллов. Одиночные кристаллы — монокристаллы имеют правильную геометрическую форму, и их свойства различны по разным направлениям.

Жидкие кристаллы — вещества, которые ведут себя одновременно как жидкости и как твёрдые тела. Молекулы в жидких кристаллах, с одной стороны, довольно подвижны, с другой — расположены регулярно, образуя подобие кристаллической структуры (одномерной или двумерной). Часто уже при небольшом нагревании правильное расположение молекул нарушается, и жидкий кристалл становится обычной жидкостью. Напротив, при достаточно низких температурах жидкие кристаллы замерзают, превращаясь в твёрдые тела. Регулярное расположение молекул в жидких кристаллах обусловливает их особые оптические свойства. Свойствами жидких кристаллов можно управлять, подвергая их действию магнитного или электрического поля. Это используется в жидкокристаллических индикаторах часов, калькуляторов, компьютеров и последних моделей телевизоров.

Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить кристалл больших размеров — монокристалл.

В обычных условиях поликристаллическое тело образуется в результате того, что начавшийся рост многих кристаллов продолжается до тех пор, пока они не приходят в соприкосновение друг с другом, образуя единое тело-поликристалл.

Поликристалл — агрегат мелких кристаллов какого-либо вещества, иногда называемых из-за неправильной формы кристаллитами или кристаллическими зёрнами. Многие материалы естественного и искусственного происхождения (минералы, металлы, сплавы, керамики и т. д.) являются поликристаллами.

Поликристалл отличается от монокристалла тем, что состоит из множества разно ориентированных мелких монокристаллов. Свойства поликристалла обусловлены свойствами, состоянием его кристаллических зерен, их среднего размера, строением меж зеренных границ.

Если размеры зерен малы, а сами зерна ориентированы хаотически, то в поликристалл не проявляет анизотропию. Если в поликристалле есть преимущественно кристаллографическая ориентировка зерен, то он обладает анизотропическими свойствами.

Свойства и получение

Свойства поликристаллов обусловлены свойствами составляющих его кристаллических зёрен, их средним размером, который колеблется от 1—2 мкм до нескольких мм(в некоторых случаях до нескольких метров), кристаллографической ориентацией зёрен и строением межзёренных границ. Если зёрна ориентированы хаотически, а их размеры малы по сравнению с размером поликристалла, то в поликристалле не проявляется анизотропия физических свойств, характерная для монокристаллов. Если в поликристалле есть преимущественная кристаллографическая ориентация зёрен, то поликристалл является текстурированным и, в этом случае, обладаетанизотропией свойств. Наличие границ зёрен существенно сказывается на физических, особенно механических, свойствах поликристаллов, так как на границах происходит рассеяние электронов проводимости, фононов, торможение дислокаций и др.

Поликристаллы образуются при кристаллизации, полиморфных превращениях и в результате спекания кристаллических порошков. Поликристалл менее стабилен, чем монокристалл, поэтому при длительном отжиге поликристалла происходит рекристаллизация (преимущественный рост отдельных зёрен за счёт других), приводящая к образованию крупных кристаллических блоков.

Монокристалл — отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и иногда имеющий анизотропию физических свойств. Внешняя форма монокристалла обусловлена его атомно-кристаллической решёткой и условиями (в основном скоростью и однородностью) кристаллизации. Медленно выращенный монокристалл почти всегда приобретает хорошо выраженную естественную огранку, в неравновесных условиях (средняя скорость роста) кристаллизации огранка проявляется слабо. При ещё большей скорости кристаллизации вместо монокристалла образуются однородные поликристаллы и поликристаллические агрегаты, состоящие из множества различно ориентированных мелких монокристаллов. Примерами огранённых природных монокристаллов могут служить монокристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза. Большое промышленное значение имеют монокристаллы полупроводниковых идиэлектрических материалов, выращиваемые в специальных условиях. В частности, монокристаллы кремния и искусственных сплавов элементов III (третьей) группы с элементами V (пятой) группы таблицы Менделеева (например GaAs Арсенид галлия) являются основой современной твердотельной электроники. Монокристаллы металлов и их сплавов не обладают особыми свойствами и практически не применяются. Монокристаллы сверхчистых веществ обладают одинаковыми свойствами независимо от способа их получения. Кристаллизация происходит вблизи температуры плавления(конденсации) из газообразного (например иней и снежинки), жидкого (наиболее часто) и твёрдого аморфного состояний с выделением тепла. Кристаллизация из газа или жидкости обладает мощным очищающим механизмом: химический состав медленно выращенных монокристаллов практически идеален. Почти все загрязнения остаются (накапливаются) в жидкости или газе. Это происходит потому, что при росте кристаллической решётки происходит самопроизвольный подбор нужных атомов (молекул для молекулярных кристаллов) не только по их химическим свойствам (валентности), а также по размеру.

Современной технике уже не хватает небогатого набора свойств естественных кристаллов (особенно для создания полупроводниковых лазеров), и учёные придумали метод создания кристалло подобных веществ с промежуточными свойствами путём выращивания чередующихся сверхтонких (единицы — десятки нанометров) слоёв кристаллов с похожими параметрами кристаллических решёток.

Выращивание кристаллов

Чтобы вырастить кристалл, полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества дают кристаллы различной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов; что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми.

Если кристаллизация идёт очень медленно, то получается один большой кристалл, если быстро — множество мелких кристаллов Выращивание кристаллов производят разными способами:

1. Охлаждение насыщенного раствора.

С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается, и они, как говорят, выпадают в осадок. Сначала в растворе и на стенках сосуда появляются крошечные кристаллы-зародыши. Когда охлаждение медленное, а в растворе нет твёрдых примесей (скажем, пыли), зародышей образуется немного, и постепенно они превращаются в красивые кристаллы правильной формы. При быстром охлаждении центров кристаллизации возникает много, сам процесс идёт активнее и правильных кристаллов при этом не получится.

2. Постепенное удаление воды из насыщенного раствора

В этом случае чем медленнее удаляется вода, тем лучше получаются кристаллы. Можно оставить открытый сосуд с раствором при комнатной температуре на длительный срок — вода при этом будет испаряться медленно (особенно если сверху положить лист бумаги или прикрыть марлей). Растущий кристалл можно либо подвесить в насыщенном растворе на тонкой прочной нитке, либо положить на дно сосуда. В последнем случае кристалл периодически надо поворачивать на другой бок. По мере испарения воды в сосуд следует подливать свежий раствор.

3. Быстрое удаление воды из насыщенного раствора

В этом случае кристаллы получаются правильной формы, с острыми гранями, но мелкими (раствор находился в широком сосуде рядом с нагревателем).

Выращивание кристаллов — процесс интересный, занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе. Время от времени кристаллизатор необходимо чистить: сливать раствор и удалять мелкие кристаллики, наросшие на основном, а также на стенках и дне сосуда. Теоретически размер кристалла, который можно вырастить таким способом, неограничен. Если выращенный кристалл оставить открытым в сухом воздухе, он, постепенно теряя содержащуюся в нём воду, превратится в невзрачный серый порошок. Чтобы предохранить кристалл от разрушения, его можно покрыть бесцветным лаком.

Выращивание кристаллов поваренной соли

Этот процесс не требует наличия каких-то особых химических препаратов. Кристаллы поваренной соли NaCl представляют собой бесцветные прозрачные кубики.

Насыпал пищевую соль в стакан с водой при температуре 20°С и оставил на несколькоминут, предварительно помешав. За это время соль растворилась. Затем добавил ещё соль и снова перемешал. Повторял этот этап до тех пор, пока соль уже не будет растворяться и будет оседать на дно стакана. Так я получил насыщенный раствор соли. Перелил его в чистый стакан такого же объёма, избавившись при этом от излишек соли на дне. Выбралодин более крупный кристаллик поваренной соли и положил его на дно стакана с насыщенным раствором. Уже через 3 дня было заметно значительный для кристаллика рост. С каждым днём он увеличивался. Затем проделал всё то же ещё раз (приготовил насыщенный раствор соли и опустил в него этот кристаллик), он стал расти гораздо быстрее — от размеров 0,3 до ,0,9 см за следующие 3 дня.

Выращивание кристаллов медного купороса

Раствор медного купороса приготовил следующим образом: налил воды в стакан (200 г) и поставил его в кастрюлю с тёплой водой при 50°С и начал растворять 100 гпорошка медного купороса также, как и раствор поваренной соли, оставил на несколько дней. Сначала, способом быстрого испарения в открытом сосуде на стенках получил монокристалл медного купороса.

Затем поместил его в новый раствор для дальнейшего наращивания при комнатной температуре и закрытом сосуде. Через 2 недели получил поликристалл размером 2,8 см.

Выращивание красных кристаллов меди:

На дно широкой чаши, равномерно по площади дна, положил немного медного купороса, сверху насыпал поваренной соли и закрыл всё это вырезанным кружком бумаги, на неё положил железные стружки. Всё это вместе залил насыщенным раствором поваренной соли и оставил чашу на неделю. За это время выросли игло угольные красные кристаллы меди. Затем, также как и в предыдущем случае, произвел наращивание и получил монокристалл и поликристаллы.

Исследования зависимости роста кристалла от температуры

Результаты исследования зависимости роста от температуры кристаллизации показали,что, чем выше температура кристаллизации, тем больше размеры и острее углы(см. рис. 9 и 10). Оба раствора готовились при температуре 80°С, затем, для кристалла № 9 поддерживалась температура 32—35°С, а для № 10 — температура 58—60°С., росли в течении 2 недель.

Процесс кристаллизации можно использовать для покрытия поверхности различных фигур.

Многие вещества могут существовать в нескольких кристаллических модификациях (фазах), отличающихся физическими свойствами. Это явление называетсяполиморфизмом. Переход из одной модификации в другую называется полиморфным переходом. Интересным и важным примером полиморфного перехода является превращение графита в алмаз. Этот переход при производстве искусственных алмазов осуществляется при давлениях 60-100 тысяч атмосфер и температурах 1500-2000 К.

Структуры кристаллических решеток экспериментально изучаются с помощью дифракции рентгеновского излучения на монокристаллах или поликристаллических образцах.

На рис. 3.6.2 приведены примеры простых кристаллических решеток. Следует помнить, что частицы в кристаллах плотно упакованы, так что расстояние между их центрами приблизительно равно размеру частиц. В изображении кристаллических решеток указывается только положение центров частиц.

В простой кубической решетке частицы располагаются в вершинах куба. кристалл поваренная соль выращивание

В гранецентрированной решетке частицы располагаются не только в вершинах куба, но и в центрах каждой его грани. Изображенная на рис. 3.6.1 решетка поваренной соли состоит из двух вложенных друг в друга гранецентрированных решеток, состоящих из Na+ и Cl-. В объемно центрированной кубической решетке дополнительная частица располагается в центре каждой элементарной кубической ячейки.

Кристаллические структуры металлов имеют важную особенность. Положительно заряженные ионы металла, образующие кристаллическую решетку, удерживаются вблизи положений равновесия силами взаимодействия с «газом свободных электронов» (рис. 3.6.3). Электронный газ образуется за счет одного или нескольких электронов, отданных каждым атомом. Свободные электроны способны блуждать по всему объему кристалла.

Заключение

Результаты исследований показали, что форма и размеры кристаллов зависят от температуры насыщенного раствора, (это можно увидеть по полученным кристаллам).

Используя эту технологию выращивания кристаллов можно покрыть кристаллами нужного цвета поверхность различных фигур.

В целом процесс выращивания кристаллов из растворов, при котором играет роль диффузия тепла и «питательного» материала, но самое главное-распределение и укладка молекул при выходе их на кристалл, настолько сложен, что в настоящее время невозможно дать количественную оценку скорости роста кристаллов в терминах молекулярных перемещений. Иными словами, до сих пор никто еще не смог, приняв за основу некоторые числовые характеристики, отражающие свойства и движение молекул, успешно рассчитать скорость роста кристалла.

Размещено на Allbest.ru