Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Явление дискретности строения и уровни физических свойств твердых тел
1.1. Явление дискретности, экспериментальный разброс и уровни физических свойств твердых тел 12
1.2. Объекты и методики экспериментов, обработка результатов измерений 14
1.3. Статистические методы получения надежных, достоверных, повторяемых и воспроизводимых результатов 26
1.4. Закономерности разброса экспериментальных данных при физических измерениях .38
1.5. Универсальность явления дискретности физических свойств твердых тел 47
1.6. О прогнозировании свойств и создании материалов и устройств с предельными физическими характеристиками 53
1.7. Постановка задачи диссертационной работы 56
Глава 2. Пучковая технология: материалы и устройства с предельными физическими свойствами и характеристиками
2.1. Универсальный способ устранения разброса экспериментальных данных 61
2.2. Три физических состояния твердого тела по масштабному фактору 65
2.3. Явление одноэлементного масштабного эффекта 71
2.4. Явление многоэлементного масштабного эффекта – эффект пучка 72
2.5. Теория пучка и многоэлементных структур 80
2.5.1. Теория пучка 80
2.5.2. Оптимальное число элементов в пучке. 85
2.6. Концепция пучковой или -технологии материалов и устройств: нано-, микро-, макротехнология 87
2.6.1. Определение пучка, основополагающие и фундаментальные принципы - технологии и - устройств 88
2.6.2. Суть пучковой технологии 90
2.7. Выводы по главе 2 94
Глава 3. Пучковые проводники электрического тока
3.1. Введение 95
3.2. Пучковые проводники электрического тока; низкое, сверхнизкое значения электрического сопротивления 96
3.3. Феномен пучка и условия его реализации в проводниках электрического тока 98
3.4. Дискретность структуры и экспериментальный разброс в проводниках электрического тока; устранение разброса и улучшение свойств проводников 100
3.4.1. Уровни электрического сопротивления или уровни диссипации энергии; устранение разброса сопротивления и снижение сопротивления до сверхнизких значений 102
3.4.2. Устранение разброса и практические формулы расчета для получения проводников со сверхнизким сопротивлением 106
3.5. Выводы по главе 3 112
Глава 4. Пучковые диэлектрические материалы
4.1. Введение 113
4.2. Разброс и устранение разброса физических свойств и характеристик в диэлектриках. Эффект пучка в диэлектрических материалах и устройствах 113
4.3. Выводы по главе 4 .119
Глава 5. Пучковые фотоэлектрические преобразователи преобразователи
5.1. Введение 120
5.2. Структурные и концептуальные особенности пучковых фотоэлектрических преобразователей .124
5.3. Тестирование пучковых ФЭП 138
5.3.1. Результаты измерений в лабораторных условиях 138
5.3.2. Параллельное соединение элементов 144
5.3.3. Последовательное соединение элементов 149
5.3.4. Тестирование квантового выхода 154
5.4. Температурная стабильность, эффективность и надежность пучковых фотоэлектрических преобразователей 157
Выводы по главе 5 159
Общие итоги работы 160
Список цитированной литературы 162
Протоколы и заключения ФГУП Роскосмоса «Научный центр Келдыша» 174
Протокол 1 174
Протокол 2 182
- Статистические методы получения надежных, достоверных, повторяемых и воспроизводимых результатов
- Явление многоэлементного масштабного эффекта – эффект пучка
- Устранение разброса и практические формулы расчета для получения проводников со сверхнизким сопротивлением
- Последовательное соединение элементов
Введение к работе
Актуальность темы. Теоретические и экспериментальные исследования физико-химических свойств твердых тел и создание на их основе более совершенных и оптимальных промышленных технологий производства материалов и устройств с заданными физическими свойствами были и остаются актуальными и востребованными всегда. Ныне, в век высоких технологий особенно важны и актуальны физические способы модифицирования и получения материалов и устройств с уникальными физическими свойствами, осуществление которых не требует перестройки химической структуры твердых тел.
Состояние проблемы. В физике конденсированного состояния за последние 20 лет произошли фундаментальные изменения. Теоретически (Г.М. Бартенев, Э.М. Карташов, В.В. Шевелев) и экспериментально (Б. Цой, Д. Шер-матов) открыта и установлена связь между микрогетерогенностью (дискретностью) структуры твердых тел и дискретностью микродефектов в них, и как следствие, найдено объяснение появлению дискретных спектров уровней прочности и долговечности, обнаруживаемых статистическими методами. Дискретный спектр уровней прочности рассматривается как основа новой микромеханики разрушения твердых тел. С его помощью стало возможным установить детальные различия между процессами разрушения массивных, тонких (низкопрочное, высокопрочное состояние) и сверхпрочных образцов.
Открыто явление дискретности физических свойств твердых тел, и как следствие, открыты закономерности одноэлементного и многоэлементного масштабных эффектов - «эффект Б.Цоя», эффект пучка или «эффект Цоя-Карташова-Шевелева», которые получили сво развитие в работах Цоя В.Э.
Создана и развита структурно-статистическая кинетическая теория разрушения твердых тел, объединившая прежние подходы и концепции: механический, кинетический, статистический, термодинамический, ангармонизм межатомных связей, прочностных состояний, релаксационной спектрометрии и др.
Развивается новое направление- физика пучков и многоэлементных структур, которая становится основой получения материалов и устройств с за-
данными физическими характеристиками (Б. Цой, Д. Шерматов, В.В. Шевелев, Э.М. Карташов, В.Э. Цой).
Различные направления в науке, технике и технологии (физика прочности и механика твердого тела, электрофизика, электроника, материаловедение, нанотехнология, приборостроение и целый ряд др.) объединены в единую физическую концепцию (Б. Цой, Д. Шерматов, В.Э. Цой, В.В. Шевелев, Э.М. Кар-ташов). В результате создана пучковая технология материалов, конструкций и устройств с предельными физическими свойствами и характеристиками.
Сам исторический ход развития физики конденсированного состояния, механики, электрофизики, электроники, материаловедения, приборостроения, нанотехнологии и предопределил содержание и предмет исследований настоящей диссертационной работы.
Цель диссертационной работы заключается в исследовании закономерностей экспериментального разброса физических свойств одноэлементных и многоэлементных твердотельных структур (пучков, тросов, стопок и т.д.) и разработке на их базе физических основ получения материалов и устройств с заданными физическими свойствами и характеристиками.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
-проведено систематическое исследование закономерностей разброса экспериментальных значений физических параметров тврдых тел;
-проведено экспериментальное исследование статистических закономерностей физических свойств многоэлементных структур- пучков (стопок) волокон и пленок;
-установлено наличие трех физических состояний твердых тел по масштабному фактору;
-развита единая физическая концепция: пучковая технология материалов и устройств с заданными физическими свойствами и характеристиками.
Практическая ценность работы заключается в том, что: разработаны, изготовлены, запатентованы и предложены для практического использования пучковые длинномерные витые изделия (патент RU 2352699), пуч-
ковые проводники электрического тока с контролируемыми и сверхнизкими значениями электрического сопротивления, пучковый диэлектрический материал со сверхнизким тангенсом угла диэлектрических потерь (материалы для работы в условиях СВЧ излучения) и сверхвысокой механической и электрической прочностью; пучковые высокоэффективные фотоэлектрические преобразователи для солнечных энергетических систем, а также систем лазерной передачи энергии на расстояние и термофотовольтаики (патенты EP 015205, RU 2367063, EP013788, RU 2355066, KR 10-2009-7000414).
Кроме того, полученные результаты могут быть использованы при создании высокотехнологичных материалов и устройств с превосходными электрофизическими, механическими и др. характеристиками, например, элементы компьютерной памяти, конденсаторы, изоляторы, сверхточные резисторы и т.д.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается статистически выверенными данными, корректностью постановки задач, использованием корректного математического аппарата, применением современных программных средств и измерительной аппаратуры, согласованностью полученных результатов с результатами других исследователей. Инженерные решения, использованные в диссертационной работе, защищены международными и Российскими патентами.
Личный вклад автора. Поставленные в диссертации цели и задачи выполнялись автором под руководством и по инициативе научного руководителя в соответствии с планами НИР Таджикского национального университета, ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ», компании ООО Кронул (Москва), компании Cronul Invest, Ltd (Женева). Личный вклад автора заключается в непосредственном и прямом исследовании дискретного спектра физических свойств материалов, закономерностей физических свойств многоэлементных структур – пучков, проектировании и изготовлении пучковых материалов и устройств, а также в обработке и обобщении результатов экспериментов той части, которая выполнена в соавторстве с руководителем, сотрудниками и партнерами.
Апробация работы. Результаты работы доложены на:
международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (г. Вологда, 2005, 2006 гг.); международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» МЭИ(ТУ) (Москва, 2007 г.); международном форуме «Энергетика и экология» (Москва, 2008 г.); SynEnergy Forum (S.E.F.) – 2 «The conference for International Synergy in Energy, Environment, Tourism and Information Technology» (Piraeus, Greece 24 - 26 September 2009); седьмой всероссийской научной молодежной школе с международным участием «Возобновляемые источники энергии» (Москва, 2010 г.); международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (Севастополь, 2015 г.); заседаниях кафедры динамика и прочность машин им. В.В. Болотина ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ», 2007, 2009, 2013, 2015 гг.; международной конференции «Перспективы развития физической науки» (Душанбе, 2016 г.); на заседаниях кафедры робототехника, мехатроника, динамика и прочность машин ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» , 2016-2017 гг.; на заседаниях кафедры физики твердого тела Таджикского национального университета, 2016-2017 гг.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 18 работах, из них 5 публикаций в изданиях Перечня ВАК, 8 патентов на изобретения, 5 в трудах международных конференций.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих итогов работы и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 194 страницах, включая приложение, 67 рисунков, 14 таблиц и списка цитируемой литературы из 132 наименований.
Ключевые слова: структура, уровни, долговечность, прочность, дискретность, субмикротрещины, эффект пучка, мода, пучковые устройства, пучковая технология.
Статистические методы получения надежных, достоверных, повторяемых и воспроизводимых результатов
На рис. 1.4. представлены результаты измерений долговечности пленок ПЭТФ, взятые из [2, 14]. Как видно из рисунка, разброс значений долговечности может достигать 6-8 десятичных порядков. Естественно при такой величине разброса данных свойств и характеристик материала невозможно выполнить изделия и конструкции с предсказуемым поведением при эксплуатации.
В связи с этим возникает вопрос о методике надежности и выборе достаточного числа испытаний для корректного нахождения функции распределения, позволяющего получать достоверные сведения о процессах разрушения, происходящих в нагруженных телах [2-4, 6-8, 14, 25, 26, 33].
Цель настоящего раздела - показать статистический характер разброса значений долговечности в зависимости от числа испытаний на примере ПЭТФ и определить методику выбора достаточного количества образцов необходимых для корректного построения функции распределения долговечности, а также показать на большом числе статистических данных воспроизводимость уровней физических свойств и тем самым подтвердить, что их природа связана со структурой твердых тел, а не со случайными результатами, полученными при обработке экспериментального материала.
Найденные закономерности применимы в методическом отношении и для анализа любых физических свойств и характеристик материалов. Выбор ПЭТФ в качестве объекта исследования обусловлен хорошей изученностью его свойств и широким применением.
Закон распределения случайной величины \, описывающий испытания на прочность (или долговечность), изучался методом построения полигона частот, который называется также статистической плотностью распределения. Изучалась статистическая плотность распределения для различных видов материалов, выявлялись уровни прочности и долговечности и влияние на них различных физических факторов. При этом для построения статистической плотности распределения применялась усовершенствованная методика, состоящая в том, что числовая ось разбивается на перекрывающиеся интервалы. Это позволяет учитывать все выборочные значения и выявить тонкую структуру на графиках статистической плотности. Для установления оптимального объема выборки для корректного нахождения статистической плотности распределения, были проведены контрольные эксперименты [2, 3, 6-8, 25, 26]. Долговечность измерялась на машинках С. Н. Журкова. Испытывались образцы ПЭТФ со слабой двумерной ориентацией, степенью кристалличности 30-40%, в виде двойных лопаток шириной 1,9 мкм, толщиной 16 мкм и длиной рабочей части 22 мкм, при температуре 293 К и относительной влажности 50%. Испытывались в разное время 200 образцов, изготовленных в идентичных условиях. После измерения долговечности были составлены три комбинации образцов с различным их количеством в группах. Разбивка образцов на комбинации и группы произведена с целью исключить систематические и случайные ошибки в анализе экспериментальных результатов.
Первая комбинация: 200 образцов разделены на группы, состоящие из N = 10, 15, 30, 50, 80, 100, 130, 150, 180 и 200 образцов.
Вторая комбинация: 200 образцов разделены на две серии образцов по 100 в каждой. В одной серии расположены образцы, испытанные по времени раньше, а в другой - позже. Затем, начиная с серии испытанной позже, составлены группы образцов с N = 10, 15, 30, 50, 80, 100 и 150.
Третья комбинация: 200 образцов разделены на две серии образцов по 100 в каждой. Затем образцы расположили по времени испытания так же, как во второй комбинации. Из этих двух серий составлялись смешанные партии из N = 10, 15, 30, 50, 80, 100 и 150 образцов. В каждой смешанной группе одна половина образцов взята из первой серии, другая - из второй.
Для каждой комбинации, серии и группы по изложенной выше методике строились вариационные диаграммы долговечности (рис. 1.5.), на основании которых строились затем кривые статистической плотности распределения (рис. 1.6.).
Основные статистические параметры кривых распределения приведены в таблицах 1.1-1.3. В них введены следующие обозначения: -выборочное среднее значение логарифма долговечности; (/gx)W - мода статистического распределения логарифма долговечности, т.е. выборочное значение lg т, имеющее наибольшую частоту; lg т2 и lg т3 - значения lg т, соответствующие второму и третьему максимумам на кривой распределения; RN и VN- размах вариационного ряда и выборочный коэффициент вариации соответственно.
На вариационных диаграммах долговечности (рис. 1.5) каждая из кривых соответствует различному числу испытанных образцов, т. е. различному объему выборки. Как видно, образцы группируются на нескольких хорошо выраженных горизонтальных площадках. С увеличением объема выборки эти площадки - уровни долговечности - выражаются четче. На диаграммах, построенных для объема выборки N 80 образцов, очень четко выделяется одна большая горизонтальная площадка в области малых времен, на которой группируется значительное число образцов, и две меньшие площадки, смещенные относительно первой приблизительно на один и два порядка в сторону увеличения. При малых количествах образцов в партиях некоторые горизонтальные площадки вырождаются.
На кривых статистической плотности распределения этим площадкам соответствуют четко выраженные максимумы (рис. 1.6а). Варьирование числа образцов в группах от 200 до 10 приводит к закономерному вырождению максимумов по мере уменьшения объема выборки.
Кривые статистической плотности распределения при объеме выборки N 80 имеют три отчетливо выраженных максимума; при меньшем числе образцов в партиях часть максимумов исчезает. Все три максимума на кривых распределения долговечности обусловлены различными физическими причинами, обсуждение которых будет ниже.
В табл. 1.1. приведены параметры статистического распределения долговечности, рассчитанные по вариационным диаграммам на рис. 1.5. При объеме выборки N 80 положение трех максимумов на оси времени не зависит от дальнейшего увеличения объема выборки. Первый максимум расположен в области малых времен и его положение на временной шкале совпадает с глобальной модой распределения долговечности lg ї1 = (lg x)w. При измене-нии объема выборки от 80 до 200 образцов положение первого максимума сме щается с 0,40 до 0,55. Второй и третий максимумы ниже по высоте и сдвинуты в сторону больших времен; их положение на временной шкале колеблется соответственно: lg т2 - от 1,5 до 1,7 с; lg т3 - от 2,0 до 2,15 с.
Явление многоэлементного масштабного эффекта – эффект пучка
Явлением многоэлементного масштабного фактора назван феномен сверхвысокого усиления физических свойств и характеристик, возникающий в структуре, которая состоит не из одиночного монолита, а из множества тонких отдельных индивидуальных однотипных составляющих моноэлементов (моноволокон, монопленок и т.д.) [12].
Возникает этот эффект при увеличении числа N низкоразмерных отдельных однотипных элементов структуры и объединении их в пучок, стопу, трос и т.д. Многоэлементные структуры или пучки, как и тонкие моноэлементы находятся в особом физическом состоянии. Стоит только собрать тонкие моноэлементы в пучок из N-составляющих, как возникает совершенно новое необычное состояние - значительно увеличиваются все макроскопические физические свойства (структурно-чувствительные) и характеристики (механическая прочность и долговечность, электрическая прочность и долговечность, тангенс угла механических и диэлектрических потерь, тепло- и электропроводимость и др.). Так возникает эффект сверхвысокого состояния и сверхвысокого роста средних значений физических свойств и характеристик – «сверхэффект» и эффект устранения разброса данных. Поэтому статистическое распределение такого пучка вырождается в узкосимметрич-ное мономодальное распределение. Это особое физическое состояние возникает без изменения дискретности и гетерогенности структуры отдельных составляющих моноэлементов, в частности, без изменения их химической структуры. При этом простым увеличением числа отдельных тонких составляющих моноэлементов (без энергозатрат и изменения химического строения составляющих элементов) можно достичь прочности химической связи и получить материалы со сверхвысокими прочностными свойствами и другими физическими характеристиками.
Из вышеизложенного следует, что если мы не изменяем линейные размеры образца-моноволокна или пленки (они остаются постоянными, неизменна здесь и структура волокна), а изменяем только количество волокон (элементов), составляющих образец, то мы достигаем эффекта сверхусиления физических свойств, в данном случае сверхпрочности.
Кратко теория этого вида масштабного фактора, названного многоэлементным масштабным эффектом прочности, приведена ниже и была ранее описана в [2, 6, 12]. Этот эффект известен с древности как «эффект троса» или «эффект пучка». Он использовался в быту и технике подсознательно и до недавнего времени не имел своей корректной интерпретации.
Если исходить из формального применения закона больших чисел, использование многоэлементного троса (стопки или пучка) из волокон, а не монолита (равного по толщине или объему стопке или пучку) является необходимым условием для реализации многоэлементного масштабного эффекта прочности, так как при увеличении числа элементов в образце (конструкции) уменьшается величина дисперсии, но при этом оно не является достаточным условием для достижения максимального эффекта увеличения прочности. Кроме того, результаты теоретических исследований [1, 2] статистических свойств долговечности и прочности свидетельствуют о том, что увеличение средней долговечности и прочности материала путем усовершенствования структуры, или снижения ее гетерогенности не приводит к соответствующему увеличению прочностных характеристик. Это обусловлено тем, что с ростом средней долговечности растет и среднеквадратичное отклонение, т.е. разброс прочностных характеристик. С другой стороны, как показано авторами [1-3] на примере прогноза физико-механических свойств, существенное увеличение долговечности и прочности и других физических характеристик материалов дает исключение (устране-ние) на статистических кривых распределения низших уровней и соответст-вующих этим уровням дефектов материала. Такое исключение возможно в соответствии со статистическим законом больших чисел при увеличении числа однотипных элементов образца (конструкции); в электрических кон-денсаторах - это число одноэлементных слоев-пленок, а в тросе (пучке) - количество однотипных волокон, в пучковых полупроводниковых приборах - число p-n переходов.
В этой связи необходимыми и достаточными условиями для максимального достижения масштабного эффекта прочности и других физических характеристик являются: многоэлементность образца (стопки или троса) и высокая прочность индивидуальных составляющих моноэлементов этого образца.
Таким образом, интерпретация «эффекта троса», используемого издавна требует принципиально нового подхода.
Более того, как оказалось, статистические явления, наблюдаемые в «эффекте троса» реализуется не только с механической долговечностью и прочностью, но и электрической долговечностью и прочностью, с тангенсом угла диэлектрических потерь, теплоемкостью и др. включая и электро-магнитные поля. Применительно к электромагнитному полю явление многоэлементного масштабного эффекта возникает, например, при концентрировании или объединении монохроматических лучей в пучок (см. главу 3).
Таким образом, наряду с закономерностями изменения одноэлементного масштабного эффекта физических свойств и характеристик, существует более общее природное явление многоэлементного масштабного эффекта физических свойств и характеристик, частным случаем которого является известный с древнейших времен механический эффект троса или пучка.
В этой связи установлена закономерность изменения физических характеристик многоэлементных структур (тросов, пучков и др.) твердых тел при изменении числа элементов, заключающаяся в том, что при изменении (увеличении или уменьшении) числа отдельных тонких моноэлементов (пле-нок, волокон) происходит пропорциональное изменение физических свойств и характеристик многоэлементной структуры, обусловленное переходом однотипных тонких моноэлементов на другие уровни физических свойств и характеристик, увеличением (или снижением) среднего значения физических характеристик и снижением (или увеличением) значения их дисперсии обратно пропорционально числу однотипных элементов, которая обусловлена дискретностью физических свойств и характеристик твердых тел.
Если составлять образец не из тонких, а массивных элементов, то многоэлементный масштабный эффект проявляться не будет - поскольку, как бы мы не увеличивали число элементов, все образцы будут находиться на одном и том же (самом низком) уровне. Рассмотрим более подробно реальное существование, закономерности и экспериментальные доказательства многоэлементного масштабного эффекта физических свойств и характеристик твердых тел на примере физико-механических и электрофизических свойств.
При многоэлементности ситуация с разбросом имеет обратную картину по сравнению с одноэлементной структурой. С увеличением числа отдельных и достаточно тонких (низкоразмерных) элементов N, т.е. увеличении масштаба пучка, грубые дефекты в одиночных звеньях-моноэлементах пучка будут маскироваться (подавляться) наличием тонких дефектов и постепенно при достижении N некоторого Ni-го значения полимодальная кривая распределения перейдет в мономодальную кривую с большим значением прочности (если мы имеем дело с прочностными свойствами или характеристиками), близкой или совпадающей с предельной или теоретической прочностью. Это связано с тем, что при нагружении многоэлементной структуры (образца) наиболее слабые звенья пучка с грубыми дефектами будут разрушаться в первую очередь и такие элементы будут выходить из зоны напряжения, а нагрузку будут воспринимать оставшиеся не разрушенные высокопрочные элементы (звенья пучка или стопки), если их число при заданной степени нагрузки и многоэлементности достаточно велико, т.е. многоэлементные структуры, как и тонкие пленки и волокна, находятся в особом физическом состоянии на высоких уровнях физических свойств и характеристик. Таким образом, эффект сверхпрочности или сверхвысокомодовости физических свойств в пучках достигается без изменения гетерогенности структуры от-дельных составляющих моноэлементов, что имеет большое практическое значение.
Следовательно, для достижения сверхпрочности, требование бездефектности и идеальности структуры всех составляющих моноэлементов пучка не является обязательным. Это один из важнейших итогов рассмотрения много-элементого масштабного эффекта физических свойств и характеристик тел. Он позволяет использовать эффект пучка в технологических целях для фор мирования устройств со сверхвысокими свойствами и характеристиками не на сверхчистых или особо чистых материалах, а на материалах невысокой степени очистки. Поэтому объединение тонких элементов в пучок эквивалентен химической очистке материала от примесей без изменения химической структуры материала. При этом, не только объединение в пучок, а сам по себе процесс снижения масштаба одиночных элементов пучка также является эквивалентным химической очистке, поскольку при последовательном снижении, например, толщины пленки или волокна, к примеру, до 50 мкм и меньше, вначале уходят из структуры объема образца самые грубые дефекты группы III (см. табл. 2.1 - 2.2), а затем микродефекты группы II, поскольку из-за малого масштаба образца они (дефекты) в них просто не могут разместиться.
Устранение разброса и практические формулы расчета для получения проводников со сверхнизким сопротивлением
Ввиду важности проблемы, остановимся более подробно на устранении разброса и практическим формулам расчета проводников со сверхнизким сопротивлением. Для устранения разброса значений электрического сопротивления, а также определения поперечных размеров локальных бездефектных зон проводимости нами изготавливались серии образцов-проводников с различным масштабом (размерами). В каждой такой серии или статистической выборке, для надежности, повторяемости и воспроизводимости результатов измерений, согласно литературным [1] и подтвержденными нашими экспериментальными исследованиями, должно быть число образцов не менее 100 (Ni 100, где N- количество образцов в выборке, а i- порядковый номер образца). При этом все образцы, входящие в выборку должны быть однотипными (одинаковыми), т.е. должны быть изготовлены в одинаковых технологических условиях из одного и того же материала, одним и тем же способом, иметь одинаковые массогабаритные размеры (массу, длину, ширину, толщину) и т.д. В идеальном случае число образцов в выборке должно быть бесконечно большим, т.е. N. Каждая испытанная серия образцов или выборка с однотипными и отдельными образцами проводников отличается друг от друга линейными размерами образцов, а также в общем случае может отличаться числом токопроводящих элементов N.
Далее, измеряются сопротивления Ri каждого члена выборки, которые заносятся в таблицу по номерам последовательности n в порядке возрастания. Из табличных данных измерений Ri в графическом виде строится вариационный ряд или распределение значений R по номерам последовательности n в порядке возрастания.
Различный масштаб образцов выбирается для того, чтобы получить весь набор экспериментального разброса значений сопротивления проводника. Причем, чем массивней образец, тем меньше будет разброс значений ЭС, характеризуемый в статистике коэффициентом вариации RV или величиной дисперсии . И наоборот, чем меньше будет масштаб, тем больше будет разброс значений сопротивления и больше величины RV и . Изменяя, таким образом, масштаб образцов находим тот геометрический размер образца, при котором будет наибольший разброс значений ЭС с наибольшей величиной коэффициента RV и с наименьшей величиной ЭС Rmin в выборке.
Из построенных вышеуказанным путем вариационных диаграмм, или рядов сопротивления R с различными размерами (длиной рабочей части) образцов находят выборку, в которой окажется хотя бы один образец с наименьшим или сверхнизким значением сопротивления R = Rmin = RСНЗ (RСНЗ – сверхнизкое значение сопротивления), фактически, соответствующим той или иной степени чистоты материала. При этом, как отмечено выше, в выборке с наименьшей длиной образца наблюдается наибольший разброс с наименьшим значением сопротивления Rmin. Наименьшему Rmin будет соответствовать наибольшая степень чистоты материала проводника. Размер (или длина) образца, в выборке из которых обнаруживается сверхнизкое значение RСНЗ или наименьшее значение Rmin, будет соответствовать поперечному размеру локальной зоны Llz.
Таким образом, масштаб (размер) образца, при котором в статистической выборке появится RСНЗ или Rmin с наименьшим значением, будет соответствовать поперечному размеру локальной зоны Llz.
Далее, члены такой выборки с R1, R2, R3,…, Rn, где R1= Rmin и N 100, с локальными зонами, содержащими хоть одно минимальное значение сопротивления Rmin, соединяют любым известным способом в параллельную электрическую цепь между двумя противоположными токовыми контактами (электродами), т.е. объединяют в пучок или стопу.
В параллельной электрической цепи члены выборки или ряда R1, R2, R3,…, Rn должны быть друг от друга расположены отдельно, т.е. должны быть электрически изолированными друг от друга. Этим самым локальные зоны будут включены в общую параллельную электрическую цепь в качестве элемента электрической цепи между двумя противоположными токовыми электродами, следствием которого они становятся неотъемлемой структурно-статистической электрической характеристикой образца.
В этом случае суммарное сопротивление всего пучка (выборки) будет соответствовать той или иной локальной зоне и мы получаем, чисто физическим методом, результат эквивалентный химической очистке материала проводника от примесей или дефектов, но без изменения химической структуры материала.
Далее, в такой статистической выборке, заключенной между двумя противоположными токовыми электродами (представляющая, фактически, пучковый проводник электрического тока), хоть один элемент или весь пучок будут иметь локальные зоны (ЛЗ) с той или иной степенью чистоты материала. Поскольку эти локальные зоны имеют наименьшее значение сопротивления Rmin, то согласно закону Ома, суммарное сопротивление Rn всей выборки (пучка) будет иметь значение меньше наименьшего, т.е. вся выборка или весь такой многоэлементный (пучковый) проводник будет иметь сопро тивление Rn Rmin. Суммарное сопротивление Rn определяется согласно закона Ома из соотношения: 1/Х = \IRX + 1/R2 + 1/Дз +…+1/Rn, где 1/RX = \IRmm
Этим самым устраняется нестабильность и экспериментальный разброс значений электрического сопротивления. В таком пучке или статистическом ансамбле (выборке) устраняется экспериментальный разброс не только значений электрического сопротивления, но и любых структурно-чувствительных физических характеристик материала образца.
Такой образец проводника будет иметь не только низкие и сверхнизкие значения электрического сопротивления, но и сверхточные и сверхвысокие физические характеристики.
Описанный выше способ выполнения пучкового проводника является способом устранения влияния примесей или дефектов структуры на свойства образца-проводника, т.е. он эквивалентен способу очистки материала проводника от дефектов или примесей не химическим путем, а физическим модифицированием материала проводника без изменения его химической структуры.
Для доказательства сказанного измерялись сопротивления R нескольких статистических выборок образцов проводников из меди в виде проволок. В каждой выборке было не менее 100 однотипных образцов. Рабочая длина образцов варьировалась и составляла в экспериментах от 106 мкм до 3000 мкм. Результаты измерений показали, что при снижении масштаба проводника от 106 мкм до 3000 мкм обнаруживается огромный экспериментальный разброс значений сопротивления R, который колеблется от значений близких к нулевым до обычного - в 1,5510"8 Омм и выше (рис. 3.2).
В экспериментах с медными проводниками, сверхнизкие значения сопротивления наблюдались в тех статистических выборках, где размер образцов был снижен до (3-4 103 мкм. Следовательно, это значение и соответствует поперечному размеру локальной зоны со сверхнизким сопротивлением.
Зная теперь поперечный размер зоны проводимости со сверхнизким сопротивлением, например, для меди, составляющей 4 мм, можно гарантированно выполнить материал со сверхнизким сопротивлением электрическому току. Для этого необходимо взять серию из не менее 100 отдельных и одинаковых проводников, объединить их в многоэлементный пучок или многослойную стопу, т.е. в параллельную электрическую цепь из N 100 составляющих элементов или слоев, к которым затем присоединяют два противоположных токовых электрода. Технологически такой проводник легко выполнить на 3D принтере (медными чернилами в данном случае).
Поскольку мы имеем дело со статистическими распределениями, имеющими стохастический характер, то практически для реализации проводника с низким или сверхнизким сопротивлением возможны случайные варианты, когда бывает достаточно иметь стопу, составленную из числа отдельных однотипных элементов-проводников с N 1, но меньше 100, с длиной рабочей части не более (3-4 103 мкм между двумя токовыми электродами. Вероятность осуществления такого сверхпроводника, разумеется, будет меньше единицы.
Эксперименты показали, что при снижении рабочей длины, например, медных образцов менее чем на 4000 мкм в серии из не менее 100 испытанных образцов обнаруживается огромный экспериментальный разброс. В такой серии или выборке образцов имеется целый ряд значений сопротивлений близких к нулю и среди них, по крайней мере, один или несколько проводников имеются со значениями, близкими к нулевым.
Последовательное соединение элементов
Эффект рассогласования Mismatch Effect при последовательном соединении элементов и потери на рассогласование – серьезная проблема фото-вольтаической электроэнергетики. Каждый из элементов, объединяемый в батарею имеет свои индивидуальные характеристики: Uoc, Isc, Rs, Ff. Поэтому при соединении элементов в батарею каждый из элементов уже не работает в своей оптимальной точке максимальной мощности. Естественно, что происходит потеря КПД элементов. Последовательное соединение стандартных элементов в батарею требует тщательного подбора элементов по электрическим параметрам. Ток, притекающий через сильный элемент Good Cell 2 и через слабый элемент Poor Cell 2 остается одним и тем же. Электрические параметры элементов в батарее перераспределяются следующим образом
Высокая рассеиваемая мощность в слабом элементе может привести к необратимым последствиям для модуля.
Последовательное соединение BPVC в батарею – Outdoor Testing. Особого внимания заслуживают натурные (outdoors) испытания BPVC элементов, проведенные в Корейском Институте Науки и Технологи «Korea Institute of Science and Technology KIST, Seoul, 2011.8». Схема эксперимента (Рис. 5.35) состояла в том, что независимо измерялись четыре BPVC образца, которые затем объединялись последовательно и их параметры снова из-меря-лись в концентраторном облучении, создаваемом массивом линз Френеля площадью 4, 5, 6, 7 cм2.
На приведенных зависимостях тока короткого замыкания и выходной мощности от площади массива линз точками обозначены результаты измерений при каждой из падающих мощностей. Кривые J Series и P Series на графиках относятся к представленным KIST значениям тока КЗ и выходной мощности, измеренным при разных площадях массива линз.
Анализ таблиц, приведенных в отчете KIST, приводит к результату полученному при параллельном соединение BPVC:
1. Если руководствоваться утверждением, принятым для последовательного соединения стандартных элементов, что ток в цепи определяется элементом с минимальным током, то измеренные в батарее BPVC точки должны были бы лечь на кривую J calc, построенную по точкам элементов с наимень-шим током КЗ. Однако измеренные KIST значения J Series лежат даже выше кривой J Average усредненных значений токов КЗ отдельных элементов.
2. Фактор заполнения Ff последовательно соединенных элементов выше Ff элемента с наименьшим фактором заполнения.
3. Если рассчитать мощность элементов последовательно соединенных в батарею в соответствии с общепринятой формулой Pout=JscUocFf, то расчетные точки образуют кривую Р Calc. Однако измеренные KIST значения Р Series лежат даже выше кривой Р Average усредненных значений токов КЗ отдельных элементов.
Из приведенных на Рис. 5.35 кривых видно, что с повышением степени облучения увеличивается разброс параметров между элементами и расхождение между кривыми. В табл. 5.4 приведены данные для крайних экспериментов: тестирование без массива линз Френеля и с массивом линз площадью 7 cm2.
Этот необычный результат можно объяснить с точки зрения значений внутреннего последовательного сопротивления BPV- элементов. При слабых интенсивностях облучения, которым соответствуют низкие токи КЗ, т.е. в режиме слабой модуляции элемента, последовательное сопротивление Rs составляет единицы Омcm2 (Рис. 5.36).
По мере увеличения освещенности, с ростом фототока последовательное сопротивление каждого элемента понижается и сопротивления отдельных элементов выравниваются между собой и стремятся к сопротивлению насыщения, составляющему доли Омcm2. Слабый элемент в этом случае имеет такое же внутреннее сопротивление, как и сильный, не отбирает ток у сильного элемента и не ограничивает своим сопротивлением протекание тока в цепи.
Приведенные KIST результаты могут свидетельствовать о том, что эффект рассогласования Mismatch Effect ослаблен при последовательном соединении BPV- элементов.