CC BY
43
УДК 621.3
С. Ю. Ильин, канд. физ.-мат. наук,
В. В. Лучинин, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, директор Центра микротехнологии и диагностики, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет „ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)»
Гибкая фотоника в техногенной эволюции среды обитания человека
Ключевые слова: гибкая электроника, фотоника, печатные рулонные, трафаретные, капельно-струйные технологии, органические источники освещения, стекла с управляемыми параметрами, источники солнечной энергетики. Keywords: flexible electronics, photonics, paper roll, stencil, drip-ink technologies, organic sources of illumination, glass managed options, sources of solar energy.
В обзоре представлено системное изложение научно-технологических и промышленных эстетических решений в области гибкой фотоники применительно к решению современных проблем искусственного и естественного освещения, регулирования освещенности и теплопередачи, а также преобразования солнечной энергии в условиях традиционной среды обитания человека (частное жилище, общественные и производственные здания, транспортные средства).
Введение
Современные тенденции мирового развития определяют в качестве одной из приоритетных задач формирование техногенного социума нового поколения. Для создания дружественной для человека среды обитания необходимы интегральные решения, направленные на формирование интеллектуального техногенного интерфейса.
Рост потребления и стоимости энергетических ресурсов, а также усиление негативного воздействия на окружающую среду делают особенно востребованными и актуальными современные энергоэффективные решения.
Среди них интеллектуальным высокотехнологичным направлением, безусловно, является гибкая электроника и фотоника [1]. Данное понятие отражает как материаловедческий базис — конструк-тивно-материаловедческие особенности подложек, систем коммутации-изоляции и функциональных элементов, так и технологический базис — комплекс способов формирования функциональных элементов и систем коммутации-изоляции, основанных в первую очередь на печатных рулонных, трафаретных и капельно-струйных технологиях.
К настоящему времени в рамках развития гибкой электроники и фотоники сложились такие направления, как органические источники освещения, стекла
с управляемыми параметрами, а также источники солнечной энергетики. Помимо общности целевых функций, их объединяют в ряде случаев материаловедческий базис и технологии формирования.
Целью данной работы является системное изложение современных научно-технологических и промышленных эстетических решений в области гибкой фотоники применительно к решению современных проблем искусственного и естественного освещения, регулирования освещенности и теплопередачи, а также преобразования солнечной энергии в условиях традиционной среды обитания человека (частное жилище, общественные и производственные здания, транспортные средства).
Представленные инженерные решения и перспективные разработки гармонично вписываются в архитектуру и конфигурации распределенных систем нового поколения техногенной среды обитания человека.
Излучатели
на основе органических материалов
Эти излучатели представляют собой одно из основных решений будущего светотехники. Форма, размер, дизайн, цвет, светоотдача — все эти параметры можно варьировать и подбирать в чрезвычайно большом количестве сочетаний.
Структура OLED (Organic Light-Emitting Diode) — полупроводникового твердотельного источника света на основе функционального слоя из органических материалов, размещенного между слоями катода и анода на подложке, приведена на рис. 1.
Функциональный слой характеризуется достаточно сложной тонкопленочной структурой, которая схематически представлена на рис. 2.
Анод и катод выступают в роли источников носителей заряда — электронов и дырок (а на рис. 2). Под воздействием приложенного электрического по-
Рис. 1
Структура OLED для общего освещения: 1 — катод; 2 — функциональный слой; 3 — прозрачный анод; 4 — подложка; 5 — световое излучение
1 2 3 4 5 6 7
Анод
о ob о О '
1 б
г б
о оо 8= о
Катод
Рис. 2 Функциональный слой ОЬЕП-структуры:
1 — слой инжекции дырок; 2 — слой дырочной проводимости; 3 — слой блокирования электронов; 4 — эмиссионный слой; 5 — слой блокирования дырок; 6 — слой электронной проводимости; 7 — слой инжекции электронов.
тенциала (рис. 1) они перемещаются соответственно в слоях инжекции дырок 1 и электронов 7, свойства которых обеспечивают ускорение носителей заряда.
Через слои дырочной проводимости 2 и электронной проводимости 6 с минимальным уровнем рекомбинации носители заряда попадают в слои блокирования электронов 3 и дырок 5 (б на рис. 2). При этом обеспечивается регулирование их прохождения, а также пространственное ограничение области рекомбинации для уменьшения безызлучатель-ных потерь. В эмиссионном слое 4 имеет место рекомбинация (в на рис. 2) электронно-дырочных пар с испусканием квантов света (г на рис. 2).
Для получения высокоэффективного источника света необходим тщательно согласованный подбор материалов каждого из слоев, их толщин и характеристик в процессе исследований и моделирования электрофизических свойств и особенностей технологических процессов изготовления. Подобная тонкопленочная структура нуждается в надежной герметизации для защиты от воздействия паров воды и кислорода с помощью защитной стеклянной крышки или многослойного пленочного покрытия для структур на гибкой подложке.
Таким образом, ОЪЕБ-структура представляет собой ультраплоский излучающий источник света. Важнейшая отличительная от прочих используемых источников света особенность — это диффузный (ламбертовский), пространственно распреде-
ленный характер излучения, не требующий включения в конструкцию дополнительных оптических элементов.
Спектр люминесценции OLED-структуры относительно размыт, характерная полуширина составляет порядка 50—100 нм. Положение спектральных максимумов определяется характеристиками конкретных используемых материалов. Спектр покрывает практически всю видимую область без выраженных локальных экстремумов, что обеспечивает комфортное психофизическое восприятие испускаемого света.
Для управления спектральными и световыми характеристиками используются три основные конструктивные разновидности OLED-структур: многослойная, самая простая в изготовлении; сдвоенная, обеспечивающая повышенную эффективность; и полосовая, позволяющая настраивать цвет, в том числе изменять оттенок белого.
Именно OLED-структуры настраиваемого света в настоящее время являются по сути единственными разрабатываемыми устройствами, которые позволяют реализовать широкий диапазон цветовых температур — от 2300 К до 8200 К, потенциально перекрывая практически весь спектр солнечного излучения (рис. 3) [2].
Для производства OLED-структур получили развитие два направления: осаждение из газовой фазы и нанесение из раствора. Первое разрабатывается для SM (small-molecules) — OLED-светодиодов на основе «малых» молекул, хорошо испаряемых и малорастворимых. На практике используют как термическое распыление в вакууме, так и перенос паров в сверхчистом газе-носителе.
Эти методы технологически хорошо отработаны для широкого спектра различных полупроводниковых материалов, позволяют формировать отдельные
1
30 000
Полдень на севере 8000 к-
8500 K
Облачный _ ! день
Р 6000 !
! Полдень 5500 к
4000
и
а в о
&
е в
а
Восход 3250 K I
Ртутные лампы
(1901) 3750 K
О
3450 K
«Холодные»
флуоресцентные
лампы
5000 к
4000 K (1998)
I
Закат
т
L
«Теплые» флуоресцентные лампы Лампы накаливания
2700 K I I
(1879)
ОСПП 1Z ._ .. >...............................................................
Q н
J
о
ы
д
о
н
д о
2000
i
(3000 BQ
2500 K (1951)
Настраиваемый OLED
1900
1950
2000
Годы
Рис. 3
Цветовые температуры различных осветительных устройств
3
4
5
а
а
№ 3(33)/2014 I
биотехносфера
Рис. 4
Гибкая OLED-структура, полученная методом roll-to-roll
слои и топологические структуры заданной чистоты и однородности для обеспечения требуемой эффективности. Наиболее существенными недостатками являются высокая себестоимость вследствие сложности и дороговизны оборудования, а также сравнительно небольшие площади получаемых OLED-структур.
Второе направление используется для P (polimer)-OLED-светодиодов на основе сопряженных полимеров, которые хорошо растворимы и нелетучи. В этом случае, наряду с методами струйной печати, для создания OLED-структур освещения большой площади, в первую очередь гибких, наибольший интерес представляют roll-to-roll технологии (рис. 4) [3].
По сути, это аналог процесса офсетной печати, в основу которого положено формирование слоев переносом раствора органического материала на подложку с помощью печатающего барабана. Активно развивают это технологическое направление такие фирмы, как Fraunhofer COMEDD, General Electric Global Research и Novaled. Основное достоинство этого метода — высокая скорость нанесения органических материалов, обеспечивающая требуемые площади при относительно низкой себестоимости.
Ограничением для методов нанесения из раствора являются дополнительные требования к органическим материалам, связанные с различиями их растворимости. В ряде случаев это приводит к необходимости использования более сложных, многоступенчатых технологических процессов или к формированию отдельных слоев путем напыления. Для обеспечения отсутствия примесей необходимы сложные, дорогостоящие предварительные процессы очистки и подготовки всех исходных материалов создаваемой структуры. Эти факторы существенно сказываются на себестоимости.
Производство OLED-структур организуется, как правило, с использованием процессов группового исполнения: листового типа для методов напыления и ленточного типа, в первую очередь для roll-to-roll.
Таблица 1 Оптические характеристики источников света
Характеристика Стандарт
Светоотдача, лм/Вт ГОСТ Р 54350-2011
Яркость, кд/м2 ГОСТ ИСО 8995-2002
Срок службы ч IES LM-80-08
Относительная цветовая температура, К ANSI C78.377
Коэффициент цветопередачи, ИЛ CIE 13.3-1994
Сортировка по цвету ANSI C78.377
Универсальный показатель ослепленности CIE 117-1995
Формулы большинства материалов, применяемых в современных разработках, являются коммерческой тайной и потому не разглашаются.
С точки зрения перспективы разработки и производства OLED-светильников интерес представляют оптические характеристики источника света, приведенные в табл. 1 [4].
Основные преимущества и перспективы OLED-освещения в настоящее время перечислены в табл. 2 и 3 [5].
Наряду с OLED, к твердотельным источникам света относятся также и неорганические LED-свето-диоды. В отличие от пространственно распределенного излучения OLED, LED-структура представляет собой сверхяркий точечный источник света, основанный на электролюминесценции монокристалла полупроводника. Такое различие свойств определяет возможность их одновременного развития и применения в светотехнике как распределенных и направленных источников соответственно.
Таблица 2 1 Преимущества OLED-освещения
Характеристики Преимущества
Гибкость и комфортность конструкции Возможности интегрирования в различные интеллектуальные системы
Малая масса Идеальный источник света для решений, критичных к весовым параметрам
Рассеянный неяркий свет Отсутствие бликов
Высокая светоотдача В настоящее время по этому показателю сравнимы с галогенными лампами
Отсутствие вредных материалов в конструкции Экологичность и простота утилизации
Низкое напряжение Безопасность эксплуатации
Энергоэффективность Малые энергетические затраты
Таблица 3 1 Перспективы OLED-освещения
Характеристики Преимущества
Регулировка цвета Дополнительные возможности проектирования при использовании OLED различных цветов
Высокая цветопередача Расширение диапазона использования
Прозрачность Невидимость в выключенном состоянии
Таблица 4 Характеристики OLED-структур для коммерческого рынка
Сегменты рынка Яркость, кд/м2 Площадь, cм2 Срок службы, тыс. ч Светоотдача, лм/Вт
Декоративное освещение Аварийное освещение Наружное освещение Общее освещение Автомобилестроение 50-500 300-500 1QQQ 5QQQ 5Q-2QQQ 1Q-1QQ 3QQ >1000 5QQQ 5-5Q 1Q 25 1Q 1Q 1Q 1Q-15 25-35 35-5Q 5Q-1QQ 1Q-2Q
Развитие технологий твердотельного освещения происходит во многом параллельно, причем OLED уступает LED по светоотдаче на 3—5 лет. Это отставание, а также наличие целого ряда технологических проблем ограничивает промышленное производство недорогих OLED.
Сложившиеся на рынке цены корпусированных LED составляют 0,002—0,005 $/лм [6]. В ощутимо более высокие, 0,3—0,5 $/лм, цены на OLED существенный вклад вносит стоимость стеклянной подложки, что делает приоритетным развитие гибких структур на полимерной основе.
Основные требования к оптическим характеристикам применительно к созданию коммерческого OLED-освещения представлены в табл. 4 [7].
К настоящему времени в качестве производителей OLED-светотехники выступает целый ряд известных фирм (табл. 5).
Сочетание реально достигнутых параметров OLED-структур, представленных в табл. 5, с требуемыми для широкого коммерческого использования (табл. 4) и весьма высокая себестоимость приводят к тому, что в настоящее время их практическое использование носит ограниченный характер. Тем не менее производители в сотрудничестве с ведущими дизайнерами в области светотехники предлагают большое количество решений общего освещения, инсталляций и светильников на основе OLED. Для них в большой степени характерны лаконичность и отно-
сительный минимализм стилистики и оформления, подчеркивающие уникальность свойств самого света.
Креативная лаборатория органических светоди-одов Philips Lumiblade компании Philips разработала решение для общего освещения конференц-зала Audi Forum в Ингольштадте (рис. 5) [16]. Каждая из 15 ламп имеет алюминиевый корпус и переднюю панель из нержавеющей стали, в которые включены по 36 серийно выпускаемых модулей GL350. Общая освещенность составляет 58000 лм, что позволяет обойтись без дополнительных источников света.
На рис. 6 представлена одна из разработок фирмы Verbatim — динамическая подсветка стены с использованием серийно выпускаемых VELVE OLED-модулей [17]. Характерными особенностями инсталляции являются мягкая светоотдача, управление цветом, интегрированная калибровка и равномерное распределение света от панели к панели.
Фирмой Blackbody создана целая коллекция различных светильников [18], в которых применение находят как белые и красные модули, так и модули с перестроением цвета.
Среди разработок Fraunhofer COMEDD, наряду
Таблица 4 I Основные производители OLED-модулей освещения
Производитель Размер, мм Яркость, кд/м2 Срок службы, тыс. ч Светоотдача, лм/Вт Относительная цветовая температура, К Цвет свечения
Philips Lumiblade [8] 124x124 4QQQ 9 1б,8 32QQ Белый
Verbatim [9] 14Qx14Q 2QQQ 8 28 2700-б500 Настраиваемый (красный, синий, зеленый)
Blackbody [1Q] 1QQx1QQ — 14 — 32QQ Белый, красный
Fraunhofer COMEDD [11] 15Q x 75 1QQQ — — 32QQ Белый, цветопере-страиваемый
OSRAM [12] Диаметр 112 1QQQ 5 23 28QQ Белый
RIOE [13] — 5QQQ — 15 33QQ, 4QQQ, 5QQQ Белый
Lumiotec [14] 145x145 28QQ 5 28 28QQ Белый
WAC Lighting [15] 1б x 1б — 1Q 3-35 4QQQ Белый, цветопере-страиваемый
№ 3(33)/2014 1 биотехносфера
Рис. 5 | Конференц-зал Audi Forum в Ингольштадте
Рис. 6 | Динамическая подсветка стены Verbatim
с модулями TABOLA [19], используются также и цветоперестраиваемые OLED, способные имитировать естественное освещение в зависимости от времени суток: синий свет утром, белый около полудня и удобные, теплые красноватые или желтоватые тона в вечернее время.
Коллекция инсталляций и светильников создана фирмой OSRAM на основе серийно выпускаемых OLED-модулей Orbeos Dance [20].
Научно-исследовательским институтом органической электроники (RIOE) были продемонстрирова-
LJ
I II
Рис. 7 | Прозрачная светоизлучающая OLED панель RIOE
ны ОЪЕБ-панели (рис. 7) [21], которые составлены из практически прозрачных элементов, без учета разводки проводников. Заявленная прозрачность достигает 70—75 %.
Компания Ъит^ес выпускает серийный ОЪЕБ-модуль, в излучении которого полностью отсутствуют инфракрасная и ультрафиолетовая составляющие, что особенно привлекательно для использования в музеях.
Таким образом, в настоящий момент ОЪЕБ-освещение представлено на коммерческом рынке целым спектром готовых изделий и решений. Активно складываются локальные рынки сбыта, т. е. достигнута, безусловно, стадия начальной коммерциализации. Перспективы, определяемые в первую очередь значительными инвестициями в разработку и совершенствование подобных структур, приобрели в настоящее время устойчивый характер и предполагают развитие широкого рынка ОЪЕБ-освещения в ближайшие несколько лет.
Стекла с управляемыми параметрами
Наряду с искусственным освещением, значимая роль в создании комфортной среды обитания человека принадлежит таким факторам, как естественное освещение и тепловой баланс помещений.
Большие площади остекления, характерные для современной архитектуры, требуют эффективных решений по управлению процессами светопропуска-ния и теплопередачи. Даже в обычном окне площадь стеклянной поверхности составляет около 95 % от общей, т. е. защитные и регулирующие свойства определяются параметрами и характеристиками используемых стекол.
Управление интенсивностью пропускания солнечного излучения стеклом может быть активным и пассивным. Активное управление прозрачностью посредством приложенного напряжения характерно для электрохромных стекол.
Можно выделить два основных физико-технологических направления в развитии электрохромных стекол. Первое основано на использовании многослойной структуры пленок оксидов металлов. Изменение прозрачности происходит вследствие протекания обратимых химических реакций. Второе ориентировано на создание гибких структур и в качестве активных элементов использует так называемые смарт-пленки: LC (liquid crystal — жидкие кристаллы), PDLC (polimer dispersed liquid crystal — дисперсные полимерные жидкие кристаллы) и SPD (suspended particle devices — устройства на взвешенных частицах). Принцип действия структуры типов LC и PDLC [22] проиллюстрирован на рис. 8.
При отсутствии приложенного напряжения жидкокристаллическая пленка в неактивном состоянии является матовой. Жидкие кристаллы в этом состоянии неупорядочены. Приложение переменного тока
Выключено
Включено
Пленка
ЖК слой
Токопрово-дящий слой
о ©
Рис. 8 | Принцип функционирования смарт-пленки
структурирует кристаллы, выстраивая их в ряды, т. е. делает структуру прозрачной.
SPD-структура функционирует аналогичным образом с той лишь разницей, что в матрицу полимера помещаются стержнеобразные частицы слоистого материала.
Для создания гибких электрохромных структур используются три типа пленок (рис. 8):
• EVA — этиленвинилацетатная пленка с хорошей адгезией к пластикам и стеклу.
Достоинством является низкая себестоимость изготовления, недостатками — относительно высокая мутность, склонность к расслоению и чувствительность к влажности;
• PVB — поливинилбутиральная пленка с высокой адгезией к стеклу и низкой — к пластикам.
Занимает среднее положение по соотношению «цена— качество».
• TPU — пленка из термопластичного полиуретана с максимальной адгезией к стеклу и пластикам.
Наиболее высококачественная, невосприимчива к влажности, механическим нагрузкам и воздействию агрессивных сред, но и самая дорогостоящая в производстве.
Для систем на смарт-пленках типа LC и PDLC характерно увеличение или уменьшение прозрачности без значительных изменений светопроницаемости. Стекло, становясь матовым, не затемняет помещение. Матовость при этом присутствует с обеих сторон.
Рис. 9 | Применение электрохромных стекол
Применяемые в настоящее время на практике жидкокристаллические пленки третьего поколения (3G) в непрозрачном состоянии обладают высокой степенью светового рассеивания, что позволяет, помимо основных функций, использовать их в качестве экрана для получения очень качественного изображения практически без потери цветопередачи.
Для систем на смарт-пленках типа SPD характерно одновременное изменение прозрачности и свето-пропускания под действием приложенного напряжения.
В настоящее время сложилось промышленное производство электрохромных стекол. Развитый уровень в этой отрасли достигнут Polytronix, Inc. и рядом других фирм.
Характеристики некоторых коммерчески выпускаемых электрохромных структур представлены в табл. 6. Как видно из приведенных в ней даннах, основным недостатком является весьма непродолжительный срок службы, особенно гибких структур, вследствие старения.
На практике электрохромные стекла могут использоваться как для наружного, так и для внутреннего применения (рис. 9) [26].
Таблица 6 I Основные характеристики коммерческих электрохромных структур
Характеристика Polytronix Polyvision, стекло [23] PDLC пленка, Южная Корея [24] Smart Film, пленка [25]
Светопропускание в прозрачном состоянии, % Не менее 75 80 73
Опалесценция (мутность), % 5-7 — 7
Отклонение УФ излучения, % — 99 98
Рабочее напряжение, В 12, 24, 48 110 110
Энергопотребление, Вт/м2 3-5 7 10
Время переключения, мс 100 15 100-400
Диапазон рабочих температур, °С От -30 до +75 От -20 до +70 От -10 до +50
Срок службы, лет 10 5 3
Максимальный размер, мм 1530х3050 1200х3000 1200х3000
№ 3(33)/2014 1 биотехносфера
ИК свет
ИК отражающий слой Фотохромный слой
Остекление
УФ и видимый свет
Зимой
Тепловое излучение
Лавсановая пленка
Рис. 10 | Фотохромное стекло [27]
Весьма перспективными могут быть и гибридные, по сути, энергонезависимые решения, сочетающие в одной стеклянной конструкции, например, гибкий солнечный элемент и электрохромную пленку.
Пассивное управление светопропусканием характерно для фотохромных и термохромных стекол. Изменение светопропускания фотохромного стекла (рис. 10) возникает вследствие протекания обратимых химических реакций в зависимости от интенсивности воздействия солнечного излучения. Светопропускание обратно пропорционально интенсивности солнечного излучения. Кроме того, для фотохромных структур характерно отражение УФ- и задержка ИК-излучения, что позволяет при их использовании регулировать и тепловые параметры. Пример использования фотохромных пленок представлен на рис. 11.
Фотохромные пленки, как правило, не входят в состав стекла, а наклеиваются на него. Предлагаемые на рынке фотохромные пленки [29] характеризуются следующими основными параметрами: полное отражение солнечного излучения до 58 %, задержка инфракрасного излучения до 99 %, отра-
Рис. 11 | Окно с фотохромной пленкой [28]
жение ультрафиолетового излучения до 99 %, пропускание видимого света до 78 %.
Термохромные стекла также имеют многослойную структуру. Один из внутренних слоев — специальный полимерный гель, в котором в зависимости от температуры нагрева стекла под воздействием солнечных лучей выстраиваются молекулярные цепочки с размерами, превышающими длину волны падающего излучения. Материал переходит из прозрачного состояния в непрозрачное. При уменьшении температуры молекулярные цепочки распадаются, обеспечивая возвращение в прозрачное состояние. Протекание процесса зависит как от интенсивности солнечного излучения, так и от наружной и внутренней температур.
В прозрачном состоянии пропускание солнечной энергии может составлять до 80 % [30], в непрозрачном эта величина снижается до 10—40 %.
Электрическое управление свойствами наряду с гибкостью структуры позволяет эффективно использовать электрохромные структуры в интеллектуальных системах управления комфортом, в то время как фото и термохромные структуры могут применяться только в автономных решениях.
Основными препятствиями для широкого распространения стекол с управляемыми параметрами являются в первую очередь весьма непродолжительный срок службы вследствие старения активного вещества, а также высокая стоимость.
Гибкие элементы солнечной энергетики
Одним из потенциально значимых компонентов в обеспечении комфортной среды являются гибкие солнечные элементы. Экологичность и безопасность получения электрической энергии, легкость конструкции, возможность размещения на любых наружных поверхностях, а также перспективы интеграции с другими устройствами гибкой фотоники относятся к основным преимуществам, стимулирующим разработку гибких элементов солнечной энергетики. Наиболее существенной проблемой остается существенно меньшая, более чем два раза по сравнению со стационарными генераторами, эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую.
Принцип работы гибких устройств солнечной энергетики основан на фотоэлектрическом эффекте — генерации тока под воздействием излучения в фотоэлементах (рис. 12) на основе неоднородных полупроводниковых структур, таких как р—п переходы, гетеропереходы и варизонные структуры. В процессе формирования структуры фотоэлемента на полимерную подложку 1 последовательно наносятся контактный слой 2, слои п-типа 3 и р-типа 5, для повышения эффективности разделенные буферным слоем 4, и прозрачный контактный слой 6.
Эффективность преобразования определяется в первую очередь электрофизическими характеристика-
2 3 4 5 6
Рис. 12 Конструктивное решение гибкого фотоэлемента: 1 — полимерная подложка; 2 — контактный слой; 3 — слой р-типа; 4 — буферный слой; 5 — слой п-типа; 6 — прозрачный контактный слой
ми и оптическими свойствами используемых материалов. Снижение эффективности работы фотоэлементов в основном связано с такими процессами, как отражение солнечного излучения, селективное поглощение падающего излучения, тепловое рассеяние и рекомбинация электронно-дырочных пар в структуре. Путями повышения эффективности могут быть подбор материалов с оптимальными параметрами, создание многослойных структур из материалов с различной шириной запрещенной зоны, нанесение многофункциональных оптических покрытий, а также использование нанотехнологий и наноструктур для увеличения внутреннего квантового выхода и использования ИК-излучения в процессе преобразования энергии.
Солнечный элемент — это совокупность взаимосвязанных фотоэлементов, конструктивно объединенных в единое целое. Чем интенсивнее излучение, падающее на фотоэлементы, и чем больше их площадь, тем больше вырабатывается электрической энергии. Солнечные элементы классифицируются по пиковой мощности, измеряемой в ваттах. Один пиковый ватт — значение вырабатываемой мощности при условии, что солнечное излучение в 1 кВт/м2
падает на элемент при температуре 25 °С. Однако солнечная освещенность редко достигает этой величины. Более того, в процессе работы элемент нагревается значительно выше номинальной температуры, что уменьшает его мощность. Частичное затемнение при работе в свою очередь также вызывает падение выходного напряжения за счет потерь в неосвещенной части.
С учетом всех этих факторов производительность в типичных условиях составляет около 3 Вт-ч в день и 1000 Вт-ч в год на 1 Вт.
Аналогично другим промышленным отраслям, гибкая солнечная энергетика также прошла несколько этапов в технологическом развитии. Для создания первых стационарных солнечных элементов использовались монокристаллические технологии на основе сверхчистого кремния. При наиболее высокой эффективности основные недостатки обусловлены высокой стоимостью сырья и оборудования для производства, сложностью технологий и критичностью к условиям освещенности и температурному режиму.
Снижение стоимости и возможность создания гибких структур во втором поколении солнечных элементов определяется использованием таких материалов, как поликристаллический кремний, се-ленид кадмия, селенид меди, индия, галлия (СЮБ). Но применяемые в этом случае технологические процессы включают использование токсичных материалов. Готовые изделия содержат вредные вещества, для которых впоследствии необходимы дорогостоящие процедуры утилизации. Кроме того, основные материалы сравнительно редки и достаточно дороги, что также приводит к достаточно высокой стоимости производства.
Тем не менее по имеющимся данным до 90 % реальных объектов солнечной энергетики в настоящее время оснащены устройствами первого и второго поколений. Третье поколение — это тонкопленочные
1
Таблица 7 I Гибкие солнечные элементы
Производитель (разработчик) Материал Эффективность, % Особенности
SANYO [31] Монокристаллический и поликристаллический Si 22,8 Сверхтонкий активный слой
Solo Power [32] СЮ^ на полимерной подложке 11 Высокая гибкость, меньшая хрупкость
DayStar Technology [33] CIGS на титановой подложке 19,5 Высокая гибкость, низкая масса на единицу мощности
Швейцарская федеральная лаборатория материаловедения и технологии (EMPA) [34] CIGS на полимерной подложке 20,4 Высокая эффективность
Midsummer [35] CIGS на стальной подложке 15
Японский Национальный институт передовых наук и технологий в промышленности (AIST) [36] СЮ^ на пластиковой подложке и подложке из титановой фольги 14,7; 17,4
Heliatec [37] Органические пленки олигомеров 12 Низкая себестоимость
Университет Валенсии [38]] Пленки органических аналогов перовскита 12 Прозрачность
№ 3(33)/2014 1 биотехносфера
Таблица 8 I Перспективные разработки гибких солнечных элементов
Производитель (разработчик) Материал (эффект) Особенности
Мичиганский университет [39] Наночастицы серебра в поликристаллическом Внутреннее поглощение до 95%
Университет Иллинойса [40] Наночастицы в монокристаллическом Прозрачность
ЕПБО1 ЛБ [41] Наночастицы металла Прозрачность
Университет Аризоны [42] Наночастицы металла в органическом полимере Возможность настройки спектра поглощения
Университет Северного Далласа [43] Квантовые точки селенида кадмия, наномембраны Высокая гибкость при использовании
Университет Висконсин-Мэдисон [44] Углеродные нанотрубки Эффективность преобразования световой энергии до 75 %
Калифорнийский технологический институт [45] Наноструктурированные волокна в полимере Внутренняя квантовая эффективность до 90 %
Университет Миссури [46] Структура наноантенн на золотой подложке Поглощение видимой и ИК-областей спектра
Массачусетский технологический университет [47] Графен Более высокая механическая прочность
Швейцарский федеральный технологический институт [48] Сенсибилизация красителем (ячейки Гретцеля) Экологичность технологии
Северо-Западный университет США [49] Сенсибилизация красителем (ячейки Гретцеля) Экологичность технологии
солнечные элементы, основанные на более простых технологиях. Они успешно продвигаются на рынке солнечной энергетики, хотя и составляют пока относительно небольшую его долю. Одним из приоритетных, активно разрабатываемых в настоящее время направлений является использование органических технологий. Именно они, по экспертным оценкам, обладают максимальным коммерческим потенциалом и будут способствовать более широкому использованию солнечной энергетики в ближайшие годы. Такие технологии наиболее экологичны, предполагают применение доступных и сравнительно недорогих материалов и изначально ориентированы на создание гибких устройств.
Некоторые промышленно выпускаемые и разрабатываемые гибкие солнечные элементы представлены в табл. 7.
Как и в ОЪЕБ-устройствах освещения, в качестве активно развиваемых методов получения эффективных гибких солнечных генераторов второго и третьего поколений выступают и технологии термического осаждения, и высокопроизводительные непрерывные гоП^о-гоИ-процессы.
Четвертое, пока в большей степени перспективное, поколение представляет собой гибридные структуры, объединяющие технологические материалы предшествующих поколений и инновационные на-нотехнологии и наноструктуры.
Некоторые разработки гибких солнечных элементов четвертого поколения представлены в табл. 8.
Подобные решения призваны обеспечить в первую очередь повышение эффективности поглощения
и преобразования солнечной энергии, а также использование более доступных и дешевых исходных материалов.
В качестве примера гибкие солнечные элементы фирмы Solo Power [50] и EMPA [51] представлены на рис. 13.
а)
б)
Рис. 13
Солнечные гибкие генераторы Solo Power (а) и EMPA (б)
Таким образом, ведется и промышленное производство, и активное развитие гибких солнечных элементов. Для более широкого практического использования, в том числе и в интегральных решениях с другими устройствами гибкой фотоники, необходимы повышение сока службы и эффективности, а также удешевление и технологическая отладка массового производства.
Заключение
Все представленные направления гибкой фотоники — ОЪЕБ-освещение, стекла с управляемыми параметрами и элементы солнечной энергетики — обладают сходными характерными чертами. В первую очередь это широкое использование нанотехно-логий, обеспечивающих требуемые социально-технические характеристики изделий. Современный уровень подобных технологий все больше характеризуется использованием материалов и технических процессов, гарантирующих экологическую безопасность и не образующих вредных отходов в процессе утилизации после окончания жизненного цикла изделий.
Совокупность достигнутых в настоящее время и планируемых в ближайшем будущем параметров конкретных устройств позволяет интегрировать их в интеллектуальные техногенные интерфейсы обеспечения комфортной среды обитания человека. Сходство конструктивных и технологических решений стимулирует в определенной степени интеграцию и взаимное продвижение их развития.
Промышленное производство ОЪЕБ-освещения, стекол с управляемыми параметрами и гибких элементов солнечной энергетики уже достигло стадии создания обособленных предприятий полного цикла. Совместные проекты и инвестиции составляют часть как согласованной политики отдельных коммерческих фирм-разработчиков и производителей, так и государственных программ перспективного технического и экономического развития.
Несмотря на ограниченность практического применения, в первую очередь из-за пока остающейся весьма высокой стоимости, сформировался международный рынок потребления, что существенно по-
вышает перспективы успешной коммерциализации появляющихся разработок.
Высокий уровень инвестирования и темпы научно-технологического развития этих направлений свидетельствуют о том, что в самом недалеком будущем рассмотренные нами устройства гибкой фотоники станут не отличительной статусной особенностью, а естественными элементами, обеспечивающими комфорт обычного человека.
Литература
1. Афанасьев П., Боков О., Лучинин В. Научно-технологический комплекс экспресс-прототипирования изделий гибкой электроники и фотоники // Наноиндустрия. 2013. № 6 (44). С. 94-104.
2. www.abok.ru
3. www.blackbody-oled.com
4. www.comedd.fraungofer.de
5. www.computerra.ru
6. www.daystartechnics.com
7. www.ensol.no
8. www.heliatec.com
9. www.igeek.ru
10. www.klag.ru
11. www.lightingmedia.ru
12. www.lumenmarket.ru
13. www.lumiblade-experience.ru
14. www.lumiotec.com
15. www.mdm-light.ru
16. www.membrana.ru
17. www.nature.com
18. www.newchemistry.ru
19. www.novaled.com
20. www.oknaidveri.ru
21. www.oled-info.com
22. www.osram.com
23. www.planeta.mov.su
24. www.profplenki.ru
25. www.pronedra.ru
26. www.polytronixglass.com
27. www.rnd.cnews.ru
28. www.russinelectronics.ru
29. www.smartglass.ru
30. www.solartec.ru
31. www.solopower.com
32. www.verbatimlighting.com
33. www.vocrugsveta.ru
34. www.waclighting.com
35. www.3dnews.ru
№ 3(33)/2014 |
биотехносфера
