单晶

所谓单晶(monocrystal, monocrystalline, single crystal)，即结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。单晶整个晶格是连续的，具有重要的工业应用。由于熵效应导致了固体微观结构的不理想，例如杂质，不均匀应变和晶体缺陷，有一定大小的理想单晶在自然界中是极为罕见的，而且也很难在实验室中生产。另一方面，在自然界中，不理想的单晶可以非常巨大，例如已知一些矿物，如绿宝石，石膏，长石形成的晶体可达数米。

单晶的特点

一定外形、长程有序。

如铜的单晶，硅的单晶等。很多取向不同而机遇的单晶颗粒可以拼凑成多晶体。

晶体简介

晶体概念

自然界中物质的存在状态有三种：气态、液态、固态

固体又可分为两种存在形式：晶体和非晶体

晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体；晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列。

性质

均 匀 性： 晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。

各向异性： 晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。

固定熔点： 晶体具有周期性结构，熔化时，各部分需要同样的温度。

规则外形： 理想环境中生长的晶体应为凸多边形。

对 称 性： 晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。

分类

对晶体的研究，固体物理学家从成健角度分为

离子晶体

原子晶体

分子晶体

金属晶体

显微学则从空间几何上来分，有七大晶系，十四种布拉菲点阵，230种空间群，用拓扑学，群论知识去研究理解。可参考《晶体学中的对称群》一书 （郭可信，王仁卉著）。

晶粒

晶粒是另外一个概念，首先提出这个概念的是凝固理论。从液态转变为固态的过程首先要成核，然后生长，这个过程叫晶粒的成核长大。晶粒内分子、原子都是有规则地排列的，所以一个晶粒就是单晶。多个晶粒，每个晶粒的大小和形状不同，而且取向也是凌乱的，没有明显的外形，也不表现各向异性，是多晶。英文晶粒用Grain表示，注意与Particle是有区别的。

有了晶粒，那么晶粒大小（晶粒度），均匀程度，各个晶粒的取向关系都是很重要的组织（组织简单说就是指固体微观形貌特征）参数。对于大多数的金属材料，晶粒越细，材料性能（力学性能）越好，好比面团，颗粒粗的面团肯定不好成型，容易断裂。所以很多冶金学家材料科学家一直在开发晶粒细化技术。

科学总是喜欢极端，看得越远的镜子叫望远镜；看得越细的镜子叫显微镜。晶粒度也是这样的，很小的晶粒度我们喜欢，很大的我们也喜欢。最初，显微镜倍数还不是很高的时候，能看到微米级的时候，觉得晶粒小的微米数量是非常小的了，而且这个时候材料的力学性能特别好。人们习惯把这种小尺度晶粒叫微晶。然而科学总是发展的，有一天人们发现如果晶粒度再小呢，材料性能变得不可思议了，什么量子效应，隧道效应，超延展性等等很多小尺寸效应都出来了，这就是现在很热的，热得不得了的纳米，晶粒度在1nm-100nm之间的晶粒我们叫纳米晶。

准晶

准晶体的发现，是20世纪80年代晶体学研究中的一次突破。这是我们做电镜的人的功劳。1984年底，D.Shechtman等人宣布，他们在急冷凝固的Al Mn合金中发现了具有五重旋转对称但并无平移周期性的合金相，在晶体学及相关的学术界引起了很大的震动。不久，这种无平移同期性但有位置序的晶体就被称为准晶体。后来，郭先生一看，哇，我们这里有很多这种东西啊，抓紧分析，马上写文章，那段金属固体原子像的APL,PRL多的不得了，基本上是这方面的内容。准晶因此也被D.Shechtman称为“中国像”。

一般晶体不会有五次对称，只有1，2，3，4，6次旋转对称。所以看到衍射斑点是五次对称的，10对称的啊，其他什么的，可能就是准晶。

孪晶

英文叫twinning，孪晶其实是金属塑性变形里的一个重要概念。孪生与滑移是两种基本的形变机制。从微观上看，晶体原子排列沿某一特定面镜像对称。那个面叫孪晶面。很多教科书有介绍。一般面心立方结构的金属材料，滑移系多，易发生滑移，但是特定条件下也有孪生。加上面心立方结构层错能高，不容易出现孪晶，曾经一段能够在面心立方里发现孪晶也可以发很好的文章。前两年，马恩就因为在铝里面发现了孪晶，在科学杂志上发了篇论文。卢柯去年也因为在纳米铜里做出了很多孪晶，既提高了铜的强度，又保持了铜良好导电性（通常这是一对矛盾），也在科学杂志上发了篇论文。

单晶制备方法

单晶生长制备方法大致可以分为气相生长、溶液生长、水热生长、熔盐法、熔体法。最常见的技术有提拉法、坩埚下降法、区熔法、定向凝固法等；

一、挥发法

二、扩散法

三、温差法

四、接触法

五、高压釜法

单晶和多晶区别

市场优势

统计数据显示，2013年全球单晶装机约8.5-9GW，占全球光伏装机的22%-23%，相比2012年占比基本维持平稳。但是，如果不考虑中国市场主要使用多晶拉低了整体水平的因素，则单晶占比超过30%，相比2012年25%左右的水平明显提升。

日本和美国是支撑去年单晶需求的两大主要市场。在日本，受益于高电价补贴政策，2013年光伏装机大幅增长，全年装机7.5GW，同比增长204%。其中，单晶装机2.48GW，同比增长130.43%。美国方面，2013年实现装机4.75GW，同比增长41.02%，单晶约占总装机量的31%。

业内人士介绍，在分布式光伏发电上，使用单晶的优势十分突出。“比如建相同功率的电站，单晶使用的电池片更少，这就降低了安装、调试、配件等非组件成本。所以在非组件成本占整体电站成本比例高的地方，一般会选用单晶。比如日本，非组件成本比中国高两倍，所以电站建造过程中主要目的是降低非组件成本，而不是组件成本。”上述电站投资人表示。

此外，由于分布式光伏电站都是建立在面积有限的屋顶，在单位面积上能够发出更多的电将直接决定屋顶电站的收益，因此在单位面积上效率更高的单晶电池将更具有吸引力。

随着去年国家有关分布式光伏发电上网补贴价格正式落地，分布式光伏发电的发展骤然升温。

今年1月，国家能源局公布今年国内光伏新增装机目标为14GW，其中分布式光伏电站为8GW、地面电站6GW，正式宣告我国分布式光伏发电应用的大规模启动。

吴新雄日前在嘉兴分布式光伏会议上表示，年初已将2014年新增备案规模下达到各地区，各地方要加大执行力度，力争全年光伏发电新增并网容量达到13GW以上。

与此同时，今年政府持续出台了多项政策支持分布式光伏的发展，尤其是近期国家能源局发布的《关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知》，将有望带动国内分布式光伏发电的快速发展。

国内光伏终端市场主要以西部地区大型地面电站为主，存在大规模开发就地消纳困难和电力长距离输送损耗较高等问题，而中、东部地区发展分布式光伏发电，易于就地消纳，且网购电价高、度电补贴需求低，应用推广的经济性更高，因此，大力推进分布式光伏发电是拓展国内光伏市场的有效途径。

单晶数值模拟

工程背景：

涉及到的问题：

2、准稳态、动态问题；

3、存在急剧扩散、粘性、辐射、热边界层问题；

数学模型：

热流和掺杂物的输运由动量守恒、能量守恒和质量守恒方程描述。