eng
В рамках гибкой электроники и фотоники сложились направления органических источников освещения, пленок
с управляемыми оптическими параметрами, а также гибких солнечных источников энергии. Помимо общности целевых функций их в ряде случаев объединяют материаловедческий базис и технологии формирования. Данные решения и перспективные разработки гармонично вписываются
в новую техногенную среду обитания человека.
с управляемыми оптическими параметрами, а также гибких солнечных источников энергии. Помимо общности целевых функций их в ряде случаев объединяют материаловедческий базис и технологии формирования. Данные решения и перспективные разработки гармонично вписываются
в новую техногенную среду обитания человека.
Теги: electrochromic structures flexible solar power panels organic light-emitting diode photochromic structure гибкие солнечные источники энергии органический светодиод фотохромные структуры электрохромные структуры
Цель настоящей публикации – систематизация информации о современных научно-технологических и промышленных решениях в области гибкой фотоники применительно к современным проблемам искусственного и естественного освещения, регулирования освещенности, а также преобразования солнечной энергии в условиях традиционной среды обитания человека (частное жилье, общественные и производственные здания, транспортные средства). Рассмотренные инженерные решения и перспективные разработки гармонично вписываются в новую техногенную среду.
Излучатели на основе органических материалов (OLED)
Излучатели на основе органических материалов OLED (Organic Light-Emitting Diode – органический светодиод) – одно из основных решений будущего светотехники. Форму, размер, дизайн, цвет, светоотдачу таких излучателей можно варьировать и подбирать в чрезвычайно большом количестве сочетаний.
OLED – полупроводниковый твердотельный источник света на основе функционального слоя из органических материалов, размещенного между слоями катода и анода на подложке (рис.1). Функциональный слой характеризуется достаточно сложной тонкопленочной структурой, которая схематически представлена на рис.2.
Анод и катод выступают в роли источников носителей заряда – дырок и электронов (рис.2а). Под воздействием приложенного электрического потенциала 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 (рис.2b). При этом обеспечивается регулирование их прохождения, а также пространственное ограничение области рекомбинации для уменьшения безызлучательных потерь. В эмиссионном слое 4 происходит рекомбинация (рис.2c) электронно-дырочных пар с испусканием квантов света (рис.2d).
Подобная тонкопленочная структура нуждается в надежной герметизации для защиты от воздействия кислорода и паров воды с помощью стеклянной крышки или многослойного пленочного покрытия для структур на гибкой подложке.
Таким образом, OLED-структура представляет собой ультраплоский излучающий источник света, важнейшее отличие которого – диффузный (ламбертовский), пространственно-распределенный характер излучения, не требующий включения в конструкцию дополнительных оптических элементов.
Спектр люминесценции OLED-структуры достаточно узок (50–100 нм). Положение спектральных максимумов определяется характеристиками 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 основных конструктивных разновидности OLED-структур: многослойная, самая простая в изготовлении; сдвоенная, обеспечивающая повышенную эффективность; полосовая, позволяющая настраивать цвет, в том числе изменять оттенок белого. Именно OLED-структуры настраиваемого света являются, по сути, единственными разрабатываемыми устройствами, которые позволяют реализовать широкий диапазон цветовых температур от 2300К до 8200К, потенциально перекрывая практически весь спектр солнечного излучения.
В производстве OLED-структур получили развитие два направления: осаждение из газовой фазы и нанесение из раствора.
Первое разрабатывается для SM-светодиодов на основе "малых" молекул (small-molecules), хорошо испаряемых и малорастворимых. На практике используются как термическое распыление в вакууме, так и перенос паров в сверхчистом газе-носителе. Оба метода технологически хорошо отработаны для широкого спектра различных полупроводниковых материалов, позволяют формировать отдельные слои и топологические структуры заданной чистоты и однородности для обеспечения требуемой эффективности. Наиболее существенные недостатки осаждения из газовой фазы – высокая себестоимость вследствие сложности и дороговизны используемого оборудования, а также сравнительно небольшие площади получаемых OLED-структур.
Нанесение из раствора используется для P-светодиодов на основе сопряженных полимеров, которые хорошо растворимы и нелетучи. В этом случае наряду с методами струйной печати для создания OLED-систем освещения большой площади, в первую очередь гибких, наибольший интерес представляют технологии roll-to-roll. По сути, это аналог офсетной печати, в основу которого положено формирование слоев переносом раствора органического материала на подложку с помощью печатающего цилиндра. Активно развивают это технологическое направление такие организации, как Fraunhofer COMEDD, General Electric Global Research и Novaled. Основные достоинства метода – высокая скорость нанесения органических материалов при относительно низкой себестоимости.
Формулы большинства материалов, применяемых в современных разработках, являются коммерческой тайной и потому не разглашаются. Производство OLED-структур организуется, как правило, с использованием процессов группового исполнения: листового типа для методов напыления и ленточного типа для roll-to-roll.
При оценке перспектив разработки и производства OLED-светильников необходимо принять во внимание стандарты на оптические характеристики источников света (табл.1). Основные преимущества OLED-освещения представлены в табл.2.
Развитие технологий твердотельных источников освещения LED идет параллельно с OLED, причем по светоотдаче последние отстают от LED как минимум на 5–7 лет. Это отставание, а также наличие целого ряда технологических проблем ограничивает промышленное производство недорогих OLED.
Сложившиеся на рынке цены составляют 0,002– 0,005 $/лм для корпусированных LED и 0,3–0,5 $/лм для OLED. Существенная доля себестоимости приходится на стеклянную подложку, что делает приоритетным развитие гибких структур на полимерной основе. Основные требования к оптическим характеристикам систем коммерческого OLED-освещения представлены в табл.3.
На рынке OLED-светотехники представлен целый ряд известных фирм (табл.4). Сопоставление реально достигнутых параметров OLED-структур из табл.4 с требуемыми значениями для широкого коммерческого использования (табл.3) показывает, что, учитывая высокую себестоимость, практическое использование OLED пока может носить только 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. Как правило, для них характерны лаконичность и относительный минимализм стиля, подчеркивающие уникальность свойств самого света.
На рис.3 представлена одна из разработок фирмы Verbatim – динамическая подсветка стены с использованием серийно выпускаемых модулей VELVE OLED. Характерными особенностями инсталляции являются мягкая светоотдача, управление цветом и интегрированная калибровка.
Среди разработок Fraunhofer COMEDD, наряду с модулями TABOLA, также и цветоперестраиваемые OLED, способные имитировать естественное освещение в зависимости от времени суток: синий свет утром, белый около полудня, теплые красноватые или желтоватые тона в вечернее время.
Японским научно-исследовательским институтом органической электроники RIOE были продемонстрированы OLED-панели (рис.4), которые составлены из практически прозрачных элементов. Без учета разводки проводников заявленная прозрачность достигает 70–75%.
Компания Lumiotec выпускает серийный OLED-модуль, в излучении которого полностью отсутствуют инфракрасная и ультрафиолетовая составляющие, что особенно привлекательно для использования в музеях.
Таким образом, OLED-освещение представлено на коммерческом рынке целым спектром готовых изделий и решений. Активно складываются локальные рынки сбыта, то есть достигнута стадия начальной коммерциализации. Инвестиции в НИОКР приобрели в настоящее время устойчивый характер, что позволяет предполагать развитие рынка OLED-освещения в ближайшие несколько лет.
Пленки с управляемыми оптическими параметрами
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 светопропускания и теплопередачи. Управление интенсивностью пропускания солнечного излучения может быть активным и пассивным.
Активное управление прозрачностью характерно для электрохромных структур. Можно выделить два основных физико-технологических направления в их развитии. Первое основано на использовании многослойной структуры пленок оксидов металлов, когда 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), PDLС (polimer dispersed liquid crystal – дисперсные полимерные жидкие кристаллы) и SPD (suspended particle devices – устройства на взвешенных частицах).
Принцип действия структуры типов LC и PDLC проиллюстрирован на рис.5. При отсутствии приложенного напряжения жидкокристаллическая пленка является матовой, так как жидкие кристаллы в этом состоянии неупорядочены. Приложение переменного тока структурирует кристаллы, выстраивая их в ряды, что 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:
EVA – этиленвинилацетатная пленка. Достоинствами являются хорошая адгезия к пластикам и стеклу и низкая себестоимость изготовления, недостатками – относительно низкая прозрачность, склонность к расслоению и чувствительность к влажности.
PVB – поливинилбутиральная пленка, характеризующаяся высокой адгезией к стеклу и низкой – к пластикам. Занимает среднее положение по соотношению "цена-качество".
TPU – пленка из термопластичного полиуретана, характеризующаяся наилучшей адгезией к стеклу и пластикам. Это наиболее качественная пленка, невосприимчивая 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, то есть стекло, становясь матовым, не затемняет помещение. Современные 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 светопропускания под действием управляющего напряжения.
В настоящее время налажено промышленное производство электрохромных структур. Как видно из табл.5, основным недостатком коммерчески выпускаемых продуктов является весьма непродолжительный срок службы, особенно гибких структур, вследствие старения.
На практике электрохромные структуры могут использоваться как снаружи, так и внутри помещений (рис.6). Весьма перспективными могут быть и гибридные, по сути, энергонезависимые решения, сочетающие в одной стеклянной конструкции, например, гибкий солнечный источник энергии и электрохромную пленку.
Пассивное управление светопропусканием характерно для фотохромных структур. Светопропускание фотохромного стекла (рис.7) меняется вследствие протекания обратимых химических реакций в зависимости от интенсивности воздействия солнечного излучения.
Величина светопропускания обратно пропорциональна интенсивности солнечного излучения. Кроме того, для фотохромных структур характерно отражение УФ- и задержка ИК-излучения, что позволяет при их использовании регулировать и тепловые параметры.
Фотохромные пленки, как правило, не входят в состав стекла, а наклеиваются на него. Предлагаемые на рынке фотохромные пленки характеризуются следующими основными параметрами:
отражение солнечного излучения – до 58%;
задержка инфракрасного излучения – до 99%;
отражение ультрафиолетового излучения – до 99%;
пропускание видимого света – до 78%.
Если электрохромные структуры благодаря управляемым свойствам и гибкости структуры могут эффективно использоваться в интеллектуальных системах управления комфортом, фотохромные могут применяться только в автономных решениях.
Основными препятствиями широкого распространения пленок с управляемыми оптическими параметрами является весьма непродолжительный срок службы вследствие старения активного вещества, а также высокая стоимость.
Гибкие солнечные источники энергии
Гибкие солнечные источники энергии также потенциально интересны с точки зрения обеспечения комфортной среды. Экологичность и безопасность получения электрической энергии, легкость конструкции, возможность размещения на любых наружных поверхностях, а также перспективы интеграции с другими устройствами гибкой фотоники – основные преимущества, стимулирующие разработку гибких солнечных источников энергии. Наиболее существенной проблемой остается ощутимо меньшая (более чем два раза по сравнению с кремниевыми монокристаллическими батареями) эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую.
Принцип работы гибких устройств солнечной энергетики основан на фотоэлектрическом эффекте – генерации тока под воздействием излучения в фотоэлементах на основе неоднородных полупроводниковых структур, таких как p-n переходы, гетеропереходы и варизонные системы.
В процессе формирования структуры фотоэлемента (рис.8) на полимерную подложку 1 последовательно наносятся контактный слой 2, слои p-типа 3 и n-типа 5, для повышения эффективности разделенные буферным слоем 4, а также прозрачный контактный слой 6.
Эффективность преобразования определяется в первую очередь электрофизическими характеристиками и оптическими свойствами используемых материалов. Снижение эффективности работы фотоэлементов в основном связано с отражением солнечного излучения, селективным его поглощением, тепловым рассеянием и рекомбинацией электронно-дырочных пар в структуре. Повышают эффективность путем подбора материалов с оптимальными параметрами, создания многослойных структур из материалов с различной шириной запрещенной зоны, нанесения многофункциональных оптических покрытий, а также применения нанотехнологий и наноструктур для увеличения внутреннего квантового выхода и использования ИК-излучения в процессе преобразования энергии.
Солнечные источники энергии классифицируются по пиковой мощности. Один пиковый ватт – значение вырабатываемой мощности при условии, что солнечное излучение в 1 кВт/м2 падает на элемент при температуре 25°C. Однако солнечная освещенность редко достигает этой величины. Более того, в процессе работы элемент нагревается значительно выше номинальной температуры, что уменьшает его мощность. Частичное затемнение в свою очередь вызывает падение выходного напряжения из-за потерь в неосвещенной части.
Гибкая солнечная энергетика прошла несколько этапов технологического развития. Для создания первых батарей использовались монокристаллические технологии на основе сверхчистого кремния. При наибольшей эффективности их основные недостатки – это высокая стоимость сырья и оборудования для производства, сложность технологий и критичность к условиям освещенности и температурному режиму.
Во втором поколении солнечных элементов снижение стоимости и возможность создания гибких структур определялись использованием поликристаллического кремния, селенида кадмия, селенида меди-индия-галлия (CIGS). Однако в этом случае технологические процессы требуют применения токсичных материалов, а 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% объектов солнечной энергетики в настоящее время оснащены устройствами первого и второго поколения.
Третье поколение – это тонкопленочные солнечные батареи. Они успешно продвигаются на рынке солнечной энергетики, хотя и составляют пока относительно небольшую его долю. Одно из приоритетных, активно разрабатываемых направлений – применение органических технологий. Именно они, по оценкам экспертов, обладают максимальным коммерческим потенциалом и будут способствовать развитию солнечной энергетики в ближайшие годы. Такие технологии наиболее экологичны, используют доступные сравнительно недорогие материалы и изначально ориентированы на создание гибких устройств.
Некоторые промышленно выпускаемые и разрабатываемые гибкие солнечные источники энергии представлены в табл.6.
Как и в OLED-устройствах освещения, в качестве активно развиваемых методов получения гибких солнечных источников энергии второго и третьего поколений используются технологии термического осаждения и высокопроизводительные roll-to-roll процессы.
Четвертое, пока в большей степени перспективное, поколение представляет собой гибридные структуры, объединяющие технологические материалы предшествующих поколений и инновационные нанотехнологии и наноструктуры. Некоторые разработки гибких солнечных источников энергии четвертого поколения представлены в табл.7. 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 источники энергии фирм Solo Power и EMPA представлены на рис.9.
Таким образом, можно констатировать, что развиваются и промышленное производство, и исследования гибких солнечных источников энергии. Для более широкого практического использования, в том числе в интегральных решениях с другими устройствами гибкой фотоники, необходимы повышение срока службы и эффективности, а также удешевление и технологическая отладка массового производства.
Перспективы
Все представленные направления гибкой фотоники – OLED-освещение, пленки с управляемыми оптическими параметрами и солнечные источники энергии – обладают сходными характерными чертами. В первую очередь, это широкое использование нанотехнологий, обеспечивающих требуемые характеристики изделий. Современный уровень подобных технологий характеризуется все более широким применением экологически безопасных материалов и технических процессов, которые не образуют вредных отходов в процессе утилизации после окончания жизненного цикла изделий.
Промышленное производство OLED-освещения, пленок с управляемыми оптическими параметрами и гибких солнечных источников энергии уже достигло стадии создания специализированных предприятий полного цикла. Совместные проекты и инвестиции реализуются в рамках как согласованной политики отдельных коммерческих компаний – разработчиков и производителей, так и государственных программ перспективного технического и экономического развития.
Несмотря на ограниченность практического применения рассмотренных систем (в первую очередь из-за их пока весьма высокой стоимости), уже сформировался спрос на международном рынке, что существенно улучшает перспективы успешной коммерциализации появляющихся разработок. Высокий уровень инвестирования и хорошие темпы научно-технологического развития этих направлений говорят о том, что в ближайшем будущем рассмотренные устройства гибкой фотоники станут естественными элементами быта. Совокупность достигнутых и планируемых параметров конкретных устройств позволят интегрировать их в интеллектуальные интерфейсы обеспечения комфортной среды обитания человека.
Литература
Лучинин В. Мультидисциплинарные технологии. Гибкая электроника и фотоника. – Нано- и микросистемная техника, 2013, №12(161), с.2–6.
Лучинин В. Гибкая электроника. – Наноиндустрия, 2013, №8 (46), с.26–32.
Афанасьев П., Боков О., Лучинин В. Научно-технологический комплекс экспресс-прототипирования изделий гибкой электроники и фотоники. – Наноиндустрия, 2013, №6(44), с.94–104.
Афанасьев П., Боков О., Лучинин В. Создание технологического кластера гибкой печатной электроники. – Наноиндустрия, 2014, №3(49), с.52–56.
Излучатели на основе органических материалов (OLED)
Излучатели на основе органических материалов OLED (Organic Light-Emitting Diode – органический светодиод) – одно из основных решений будущего светотехники. Форму, размер, дизайн, цвет, светоотдачу таких излучателей можно варьировать и подбирать в чрезвычайно большом количестве сочетаний.
OLED – полупроводниковый твердотельный источник света на основе функционального слоя из органических материалов, размещенного между слоями катода и анода на подложке (рис.1). Функциональный слой характеризуется достаточно сложной тонкопленочной структурой, которая схематически представлена на рис.2.
Анод и катод выступают в роли источников носителей заряда – дырок и электронов (рис.2а). Под воздействием приложенного электрического потенциала 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 (рис.2b). При этом обеспечивается регулирование их прохождения, а также пространственное ограничение области рекомбинации для уменьшения безызлучательных потерь. В эмиссионном слое 4 происходит рекомбинация (рис.2c) электронно-дырочных пар с испусканием квантов света (рис.2d).
Подобная тонкопленочная структура нуждается в надежной герметизации для защиты от воздействия кислорода и паров воды с помощью стеклянной крышки или многослойного пленочного покрытия для структур на гибкой подложке.
Таким образом, OLED-структура представляет собой ультраплоский излучающий источник света, важнейшее отличие которого – диффузный (ламбертовский), пространственно-распределенный характер излучения, не требующий включения в конструкцию дополнительных оптических элементов.
Спектр люминесценции OLED-структуры достаточно узок (50–100 нм). Положение спектральных максимумов определяется характеристиками 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 основных конструктивных разновидности OLED-структур: многослойная, самая простая в изготовлении; сдвоенная, обеспечивающая повышенную эффективность; полосовая, позволяющая настраивать цвет, в том числе изменять оттенок белого. Именно OLED-структуры настраиваемого света являются, по сути, единственными разрабатываемыми устройствами, которые позволяют реализовать широкий диапазон цветовых температур от 2300К до 8200К, потенциально перекрывая практически весь спектр солнечного излучения.
В производстве OLED-структур получили развитие два направления: осаждение из газовой фазы и нанесение из раствора.
Первое разрабатывается для SM-светодиодов на основе "малых" молекул (small-molecules), хорошо испаряемых и малорастворимых. На практике используются как термическое распыление в вакууме, так и перенос паров в сверхчистом газе-носителе. Оба метода технологически хорошо отработаны для широкого спектра различных полупроводниковых материалов, позволяют формировать отдельные слои и топологические структуры заданной чистоты и однородности для обеспечения требуемой эффективности. Наиболее существенные недостатки осаждения из газовой фазы – высокая себестоимость вследствие сложности и дороговизны используемого оборудования, а также сравнительно небольшие площади получаемых OLED-структур.
Нанесение из раствора используется для P-светодиодов на основе сопряженных полимеров, которые хорошо растворимы и нелетучи. В этом случае наряду с методами струйной печати для создания OLED-систем освещения большой площади, в первую очередь гибких, наибольший интерес представляют технологии roll-to-roll. По сути, это аналог офсетной печати, в основу которого положено формирование слоев переносом раствора органического материала на подложку с помощью печатающего цилиндра. Активно развивают это технологическое направление такие организации, как Fraunhofer COMEDD, General Electric Global Research и Novaled. Основные достоинства метода – высокая скорость нанесения органических материалов при относительно низкой себестоимости.
Формулы большинства материалов, применяемых в современных разработках, являются коммерческой тайной и потому не разглашаются. Производство OLED-структур организуется, как правило, с использованием процессов группового исполнения: листового типа для методов напыления и ленточного типа для roll-to-roll.
При оценке перспектив разработки и производства OLED-светильников необходимо принять во внимание стандарты на оптические характеристики источников света (табл.1). Основные преимущества OLED-освещения представлены в табл.2.
Развитие технологий твердотельных источников освещения LED идет параллельно с OLED, причем по светоотдаче последние отстают от LED как минимум на 5–7 лет. Это отставание, а также наличие целого ряда технологических проблем ограничивает промышленное производство недорогих OLED.
Сложившиеся на рынке цены составляют 0,002– 0,005 $/лм для корпусированных LED и 0,3–0,5 $/лм для OLED. Существенная доля себестоимости приходится на стеклянную подложку, что делает приоритетным развитие гибких структур на полимерной основе. Основные требования к оптическим характеристикам систем коммерческого OLED-освещения представлены в табл.3.
На рынке OLED-светотехники представлен целый ряд известных фирм (табл.4). Сопоставление реально достигнутых параметров OLED-структур из табл.4 с требуемыми значениями для широкого коммерческого использования (табл.3) показывает, что, учитывая высокую себестоимость, практическое использование OLED пока может носить только 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. Как правило, для них характерны лаконичность и относительный минимализм стиля, подчеркивающие уникальность свойств самого света.
На рис.3 представлена одна из разработок фирмы Verbatim – динамическая подсветка стены с использованием серийно выпускаемых модулей VELVE OLED. Характерными особенностями инсталляции являются мягкая светоотдача, управление цветом и интегрированная калибровка.
Среди разработок Fraunhofer COMEDD, наряду с модулями TABOLA, также и цветоперестраиваемые OLED, способные имитировать естественное освещение в зависимости от времени суток: синий свет утром, белый около полудня, теплые красноватые или желтоватые тона в вечернее время.
Японским научно-исследовательским институтом органической электроники RIOE были продемонстрированы OLED-панели (рис.4), которые составлены из практически прозрачных элементов. Без учета разводки проводников заявленная прозрачность достигает 70–75%.
Компания Lumiotec выпускает серийный OLED-модуль, в излучении которого полностью отсутствуют инфракрасная и ультрафиолетовая составляющие, что особенно привлекательно для использования в музеях.
Таким образом, OLED-освещение представлено на коммерческом рынке целым спектром готовых изделий и решений. Активно складываются локальные рынки сбыта, то есть достигнута стадия начальной коммерциализации. Инвестиции в НИОКР приобрели в настоящее время устойчивый характер, что позволяет предполагать развитие рынка OLED-освещения в ближайшие несколько лет.
Пленки с управляемыми оптическими параметрами
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 светопропускания и теплопередачи. Управление интенсивностью пропускания солнечного излучения может быть активным и пассивным.
Активное управление прозрачностью характерно для электрохромных структур. Можно выделить два основных физико-технологических направления в их развитии. Первое основано на использовании многослойной структуры пленок оксидов металлов, когда 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), PDLС (polimer dispersed liquid crystal – дисперсные полимерные жидкие кристаллы) и SPD (suspended particle devices – устройства на взвешенных частицах).
Принцип действия структуры типов LC и PDLC проиллюстрирован на рис.5. При отсутствии приложенного напряжения жидкокристаллическая пленка является матовой, так как жидкие кристаллы в этом состоянии неупорядочены. Приложение переменного тока структурирует кристаллы, выстраивая их в ряды, что 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:
EVA – этиленвинилацетатная пленка. Достоинствами являются хорошая адгезия к пластикам и стеклу и низкая себестоимость изготовления, недостатками – относительно низкая прозрачность, склонность к расслоению и чувствительность к влажности.
PVB – поливинилбутиральная пленка, характеризующаяся высокой адгезией к стеклу и низкой – к пластикам. Занимает среднее положение по соотношению "цена-качество".
TPU – пленка из термопластичного полиуретана, характеризующаяся наилучшей адгезией к стеклу и пластикам. Это наиболее качественная пленка, невосприимчивая 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, то есть стекло, становясь матовым, не затемняет помещение. Современные 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 светопропускания под действием управляющего напряжения.
В настоящее время налажено промышленное производство электрохромных структур. Как видно из табл.5, основным недостатком коммерчески выпускаемых продуктов является весьма непродолжительный срок службы, особенно гибких структур, вследствие старения.
На практике электрохромные структуры могут использоваться как снаружи, так и внутри помещений (рис.6). Весьма перспективными могут быть и гибридные, по сути, энергонезависимые решения, сочетающие в одной стеклянной конструкции, например, гибкий солнечный источник энергии и электрохромную пленку.
Пассивное управление светопропусканием характерно для фотохромных структур. Светопропускание фотохромного стекла (рис.7) меняется вследствие протекания обратимых химических реакций в зависимости от интенсивности воздействия солнечного излучения.
Величина светопропускания обратно пропорциональна интенсивности солнечного излучения. Кроме того, для фотохромных структур характерно отражение УФ- и задержка ИК-излучения, что позволяет при их использовании регулировать и тепловые параметры.
Фотохромные пленки, как правило, не входят в состав стекла, а наклеиваются на него. Предлагаемые на рынке фотохромные пленки характеризуются следующими основными параметрами:
отражение солнечного излучения – до 58%;
задержка инфракрасного излучения – до 99%;
отражение ультрафиолетового излучения – до 99%;
пропускание видимого света – до 78%.
Если электрохромные структуры благодаря управляемым свойствам и гибкости структуры могут эффективно использоваться в интеллектуальных системах управления комфортом, фотохромные могут применяться только в автономных решениях.
Основными препятствиями широкого распространения пленок с управляемыми оптическими параметрами является весьма непродолжительный срок службы вследствие старения активного вещества, а также высокая стоимость.
Гибкие солнечные источники энергии
Гибкие солнечные источники энергии также потенциально интересны с точки зрения обеспечения комфортной среды. Экологичность и безопасность получения электрической энергии, легкость конструкции, возможность размещения на любых наружных поверхностях, а также перспективы интеграции с другими устройствами гибкой фотоники – основные преимущества, стимулирующие разработку гибких солнечных источников энергии. Наиболее существенной проблемой остается ощутимо меньшая (более чем два раза по сравнению с кремниевыми монокристаллическими батареями) эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую.
Принцип работы гибких устройств солнечной энергетики основан на фотоэлектрическом эффекте – генерации тока под воздействием излучения в фотоэлементах на основе неоднородных полупроводниковых структур, таких как p-n переходы, гетеропереходы и варизонные системы.
В процессе формирования структуры фотоэлемента (рис.8) на полимерную подложку 1 последовательно наносятся контактный слой 2, слои p-типа 3 и n-типа 5, для повышения эффективности разделенные буферным слоем 4, а также прозрачный контактный слой 6.
Эффективность преобразования определяется в первую очередь электрофизическими характеристиками и оптическими свойствами используемых материалов. Снижение эффективности работы фотоэлементов в основном связано с отражением солнечного излучения, селективным его поглощением, тепловым рассеянием и рекомбинацией электронно-дырочных пар в структуре. Повышают эффективность путем подбора материалов с оптимальными параметрами, создания многослойных структур из материалов с различной шириной запрещенной зоны, нанесения многофункциональных оптических покрытий, а также применения нанотехнологий и наноструктур для увеличения внутреннего квантового выхода и использования ИК-излучения в процессе преобразования энергии.
Солнечные источники энергии классифицируются по пиковой мощности. Один пиковый ватт – значение вырабатываемой мощности при условии, что солнечное излучение в 1 кВт/м2 падает на элемент при температуре 25°C. Однако солнечная освещенность редко достигает этой величины. Более того, в процессе работы элемент нагревается значительно выше номинальной температуры, что уменьшает его мощность. Частичное затемнение в свою очередь вызывает падение выходного напряжения из-за потерь в неосвещенной части.
Гибкая солнечная энергетика прошла несколько этапов технологического развития. Для создания первых батарей использовались монокристаллические технологии на основе сверхчистого кремния. При наибольшей эффективности их основные недостатки – это высокая стоимость сырья и оборудования для производства, сложность технологий и критичность к условиям освещенности и температурному режиму.
Во втором поколении солнечных элементов снижение стоимости и возможность создания гибких структур определялись использованием поликристаллического кремния, селенида кадмия, селенида меди-индия-галлия (CIGS). Однако в этом случае технологические процессы требуют применения токсичных материалов, а 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% объектов солнечной энергетики в настоящее время оснащены устройствами первого и второго поколения.
Третье поколение – это тонкопленочные солнечные батареи. Они успешно продвигаются на рынке солнечной энергетики, хотя и составляют пока относительно небольшую его долю. Одно из приоритетных, активно разрабатываемых направлений – применение органических технологий. Именно они, по оценкам экспертов, обладают максимальным коммерческим потенциалом и будут способствовать развитию солнечной энергетики в ближайшие годы. Такие технологии наиболее экологичны, используют доступные сравнительно недорогие материалы и изначально ориентированы на создание гибких устройств.
Некоторые промышленно выпускаемые и разрабатываемые гибкие солнечные источники энергии представлены в табл.6.
Как и в OLED-устройствах освещения, в качестве активно развиваемых методов получения гибких солнечных источников энергии второго и третьего поколений используются технологии термического осаждения и высокопроизводительные roll-to-roll процессы.
Четвертое, пока в большей степени перспективное, поколение представляет собой гибридные структуры, объединяющие технологические материалы предшествующих поколений и инновационные нанотехнологии и наноструктуры. Некоторые разработки гибких солнечных источников энергии четвертого поколения представлены в табл.7. 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 источники энергии фирм Solo Power и EMPA представлены на рис.9.
Таким образом, можно констатировать, что развиваются и промышленное производство, и исследования гибких солнечных источников энергии. Для более широкого практического использования, в том числе в интегральных решениях с другими устройствами гибкой фотоники, необходимы повышение срока службы и эффективности, а также удешевление и технологическая отладка массового производства.
Перспективы
Все представленные направления гибкой фотоники – OLED-освещение, пленки с управляемыми оптическими параметрами и солнечные источники энергии – обладают сходными характерными чертами. В первую очередь, это широкое использование нанотехнологий, обеспечивающих требуемые характеристики изделий. Современный уровень подобных технологий характеризуется все более широким применением экологически безопасных материалов и технических процессов, которые не образуют вредных отходов в процессе утилизации после окончания жизненного цикла изделий.
Промышленное производство OLED-освещения, пленок с управляемыми оптическими параметрами и гибких солнечных источников энергии уже достигло стадии создания специализированных предприятий полного цикла. Совместные проекты и инвестиции реализуются в рамках как согласованной политики отдельных коммерческих компаний – разработчиков и производителей, так и государственных программ перспективного технического и экономического развития.
Несмотря на ограниченность практического применения рассмотренных систем (в первую очередь из-за их пока весьма высокой стоимости), уже сформировался спрос на международном рынке, что существенно улучшает перспективы успешной коммерциализации появляющихся разработок. Высокий уровень инвестирования и хорошие темпы научно-технологического развития этих направлений говорят о том, что в ближайшем будущем рассмотренные устройства гибкой фотоники станут естественными элементами быта. Совокупность достигнутых и планируемых параметров конкретных устройств позволят интегрировать их в интеллектуальные интерфейсы обеспечения комфортной среды обитания человека.
Литература
Лучинин В. Мультидисциплинарные технологии. Гибкая электроника и фотоника. – Нано- и микросистемная техника, 2013, №12(161), с.2–6.
Лучинин В. Гибкая электроника. – Наноиндустрия, 2013, №8 (46), с.26–32.
Афанасьев П., Боков О., Лучинин В. Научно-технологический комплекс экспресс-прототипирования изделий гибкой электроники и фотоники. – Наноиндустрия, 2013, №6(44), с.94–104.
Афанасьев П., Боков О., Лучинин В. Создание технологического кластера гибкой печатной электроники. – Наноиндустрия, 2014, №3(49), с.52–56.
Отзывы читателей
