Tlačenáelektronika

Tlačená elektronika

Rastúca populácia a industrializácia vo svete spôsobuje neustály rast dopytu po energii. Využitie fosílnych palív ako zdroja energie vedie k produkcii skleníkových plynov, ktoré majú nepriaznivý vplyv na životné prostredie a najmä na globálne otepľovanie. Sme ochotní akceptovať vplyv skleníkových plynov na zmenu klímy, aby sme splnili náš dopyt po energii? Ak tomu tak nie je, musíme naliehavo vyriešiť náročný problém vývoja alternatívnych zdrojov energie, ktoré to môžu zmeniť. Využívanie energie priamo zo slnečného žiarenia môže byť alternatívnym spôsobom k naplneniu potrieb ekologickej spotreby energie so zanedbateľnými vplyvmi na životné prostredie. Fotovoltické zariadenia predstavujú sľubný spôsob premeny slnečnej energie na elektrickú energiu. Možno ich rozdeliť do troch generácií:

Obr.1: Rozdelenie solárnych článkov.

Prvá generácia solárnych článkov, ktorá je založená na kremíkovej vrstve je v súčasnosti najpoužívanejšou technológiou, a to vďaka vysokej účinnosti (15 – 20 %) a dobrej dlhodobej stabilite. Aj keď cena kremíkových článkov za posledné obdobie prudko klesla (10-násobne), stále zostáva problémom vysoká energetická náročnosť ich výroby a prípravy kryštalického kremíka s vysokou čistotou (99,99 %). Ďalšou nevýhodou je, že kremík dostatočne neabsorbuje žiarenie a vrstvy musia byť hrubšie (200 – 300 m), čo komplikuje manipuláciu s jednotlivými solárnymi článkami pri výrobe modulov.

Druhá generácia solárnych článkov využíva technológiu tenkých vrstiev, ktoré majú 10 až 1000-krát tenšiu fotoaktívnu absorbujúcu polovodivú vrstvu v porovnaní s kryštalickým kremíkom. Hrúbka vrstiev je na úrovni nanometrov až niekoľkých mikrometrov. Najrozšírenejšími sú fotovoltické články na báze amorfného kremíka, ktorý však vykazuje nízku stabilitu z dôvodu degradácie vplyvom žiarenia. Tieto články dosahujú účinnosť na úrovni 15 %. Ďalšími tenko-vrstvovými predstaviteľmi sú články na báze zmesných polovodičových materiálov, akým je napríklad teluridkademnatý– CdTe alebo viacvrstvový systém zložený

z medi (Cu), india (In), gália (Ga) a selénu (Se)– CIGS. Tieto články sú konkurentmi ku kremíkovým článkom s laboratórnou účinnosťou do 23 %. Ich nevýhodou je toxicita, nedostatok materiálov a účinnosť závislá od teploty. Výhodou druhej generácie je nízka výrobná cena, možnosť spracovania na flexibilných substrátoch a masová produkcia.

Tretia generácia solárnych článkov, ktoré sa tiež označujú ako organické resp. hybridné solárne články, využíva organické materiály alebo polyméry ako absorbéry svetla a polovodivé vrstvy. Použitie rôznych oganickoanorganických vrstiev umožňuje zníženie spotreby materiálu a minimalizovanie výrobných nákladov. Do tretej generácie patria farbivom scitlivené solárne články (DSSC, označované aj ako Grätzelove články), organické solárne články (OPV) a organokovové trihalogenidové perovskitové solárne články (PSC), ktoré v posledných rokoch pritiahli veľkú pozornosť , vďaka rýchlo sa zvyšujúcej účinnosti konverzie svetelnej energie, ktorá za posledné roky rapídne stúpla z 3,8 % v roku 2009 na viac ako 25 % v tomto roku (v laboratórnych podmienkach). Medzi najväčšie výhody fotovoltických článkov tretej generácie patrí: • nízka cena výroby, nízka cena a dostupnosť materiálov, menšie investičné náklady, • možnosť využitia komerčných tlačových techník (sieťotlač, inkjet…), • prípr ava na flexibilných – polymérnych substrátoch (ohybné), • transparentnosť a možnosť využitia v podobe okien a vitráží, • nízk a hmotnosť, • vyšší výk on pri difúznom osvetlení (vyšší výkon aj pri zatiahnutej oblohe), • r ýchla energetická návratnosť (menej ako 1 rok).

Donedávna sme sa na Oddelení polygrafie a aplikovanej fotochémie venovali farbivom scitlivovanými solárnymi článkami s využitím ruténiového farbiva. Ich limity účinnosti sú okolo 11 až 15 %. Keďže využívali kvapalný elektrolyt, museli sa riešiť problémy s jeho častým únikom, resp. s jeho vysychaním, čo sa realizovalo rôznymi technikami zapuzdrenia celého solárneho článku. Spomenuté nevýhody farbivom scitlivovaných solárnych článkov vyriešili účinnejšie perovskitové solárne články s pevným elektrolytom, ktorým sa už pár rokov venuje aj naše oddelenie.

Perovskitové solárne články – hybridné solárne články

História perovskitu sa začala písať v pohorí Ural v Rusku. Anorganický CaTiO 3 , ktorý vykazuje špeciálnu kubickú „perovskitovú“ štruktúru, bol prvýkrát objavený v roku 1839 Gustavom Rose. Rose priniesol materiál mineralógovi L. A. Perovskému, ktorý materiál charakterizoval a neskôr bol po ňom aj pomenovaný ako perovskit, podobne ako všetky materiály s rovnakou kryštalickou štruktúrou. Hybridné organicko-anorganické perovskity získali pozornosť vďaka svojim vlastnostiam, čo viedlo k vývoju perovskitového materiálu ako potenciálneho vysokoteplotného supravodiča.

Perovskit predstavuje látku s kryštalickou štruktúrou, ktorá má špecifické usporiadanie so všeobecným vzorcom ABX3 (obrázok 3), kde A je organický katión (etylamónium, metylamónium alebo formamidínium), B je katión dvojmocného kovu (Pb2+ alebo Sn2+) a X je anión halogenidu (Cl-, I- alebo Br-).

Perovskitové solárne články sa zaraďujú medzi aplikácie tlačenej elektroniky. Sú považované za najsľubnejšie fotovoltické zariadenia vďaka ľahkej a ekologickej výrobe s využitím tlačových techník (flexotlač, hlbkotlač, inkjet alebo sieťotlač) a ovrstvovacích techník. S ich nízkymi výrobnými nákladmi a s vysokou účinnosťou (viac ako 25 %) sa predpokladá skoré nahradenie kremíkových solárnych článkov.

Obr. 3: Štruktúra perovskitovej jednotky s organickým katiónom A v strede (žltá farba), katiónmi kovu B (modrá farba) v rohoch a halogenidovými aniónmi X (červená farba) na hranách jednotky.

„Tlačená elektronika alebo organická elektronika predstavuje oblasť, ktorá využíva polovodivé alebo vodivé organické a anorganické materiály (prípadne ich kompozity) na tvorbu elektronicky funkčných štruktúr s postupným nanášaním jednotlivých funkčných vrstiev pomocou tlačových techník najmä na flexibilné polymérne substráty.“

Štruktúra perovskitových solárnych článkov

Perovskitové solárne články môžeme na základe usporiadania funkčných vrstiev v článku, polohy vrstvy transportujúcej elektróny alebo diery rozdeliť na zariadenia s n-i-p a inverznou p-i-n štruktúrou, kde i zodpovedá vlastnému (intrinsic) polovodiču (perovskitu). Označenie p a n zodpovedá polovodiču typu p a polovodiču typu n. PSCs s n-i-p štruktúrou môžeme ďalej rozdeliť na planárne a mezoporézne (obr. 4).

Obe štruktúry pozostávajú z piatich rôznych vrstiev. Na rigidnom (sklenenom) alebo flexibilnom (plastovom, PET) podložnom substráte sa ako prvá vrstva nachádza vodivý transparentný oxid (TCO). Najčastejšie sa využíva fluórom dopovaný oxid cínu (FTO) alebo indiom dopovaný oxid cínu (ITO). Ďalšou vrstvou v poradí je elektrón transportujúca vrstva (ETL), ktorá môže mať planárnu alebo mezoporéznu

konfiguráciu. Ďalej nasleduje perovskitová fotoaktívna vrstva absorbujúca dopadajúce svetlo zo slnka, diery transportujúca vrstva (HTL) a poslednou vrstvou je zadná elektróda, ktorá môže byť kovová (zlatá, strieborná, medená) alebo nekovová (uhlíková).

Obr. 4: Schématická štruktúra perovskitových solárnych článkov, mezoporézna n-i-p štruktúra, planárna n-i-p štruktúra a planárna p-i-n štruktúra.

Roll to Roll (R2R)

je prispôsobiteľná výrobe planárnych perovskitových solárnych článkov so štruktúrou PET/ITO/ETL/perovskit/ HTL/zadná elektróda. V tejto R2R výrobnej linke je flexibilný polymérny PET/ITO substrát neustále odvíjaný z kotúča a prechádza pod výrobnými jednotkami, v ktorých prebiehajú depozičné a zapúzdrovacie procesy. Zadná elektróda sa môže naniesť buď prostredníctvom rotačného ovrstvovania alebo pomocou sieťotlače a nakoniec sa celý solárny článok zalaminuje barierovým filmom, ktorý zlepšuje stabilitu solárneho článku. Zhotovené solárne články sú navinuté na druhom valci. Tlačové techniky, ktoré sú kompatibilné s R2R procesom, predstavujú obrovský potenciál, pretože majú vysoký výkon a sú teda schopné vyrobiť veľké množstvo lacných flexibilných solárnych článkov za krátky čas. Technika R2R bola úspešne implementovaná pri výrobe solárnych článkov a to najmä v oblasti organických solárnych článkov, tiež pri DSSC a aj pri inej tlačenej elektronike (OLED osvetlenie, RFID terčíky…).

Obrázok 5 schematicky znázorňuje všeobecnú výrobnú linku R2R (z kotúča na kotúč – pri rotačnej tlači) pre spracovanie organických solárnych článkov, ktorá

Tlačená elektronika sa už využíva aj v praxi: • napr. na označovanie produktov s presne stanoveným časom exspirácie (potraviny, lieky), kde sa môže farebne zmeniť kontrolná plôška, • tlačená batéria, ktorá môže byť napr. súčasťou hracej pohľadnice (Fraunhoferresearchinstitution, 2009, manroland), • v Nemecku firmy Reckli a Heliatek, vyrobili v roku 2015 prvú solárnu stenu na betóne z organických fotovoltických panelov (BIOPV) v Európe s účinnosťou 25 %, čo je dôležité pre energetickú sebestačnosť novopostavených budov, • tlačené OLED osvetlenie (Mitsubishi 2011) • tlačené RFID antény s vkladaným čipom na sledovanie pohybu tovarov (Drupa 2008, manroland, polyIC), • flexibilné displeje –displej hodiniek a displeje menších Tab. 1: Tlačové a depozičné techniky, ktoré sa používajú na prípravu jednotlivých vrstiev v perovskitových solárnych článkoch. Obr. 5: Schematický návrh všeobecnej výrobnej linky R2R pre spracovanie organických solárnych článkov.

Obr. 6: Obal s tlačeným elektroluminiscenčným displejom, ktorý púta pozornosť zákazníka v predajni. Obal je aktívny len v regáli v predajni.

• r ôzne elektronické komponenty, ako sú tlačidlá a senzory pre integrované inteligentné systémy – IntegratedSmartSystems (Quad Slovakia, s. r. o., Žilina – tlač elektrických vodičov a kontaktov ku klávesniciam sieťotlačou – strieborné a uhlíkové), • gluk ózové testery, • dá sa využiť aj ak o ochrana firemných značiek, • ďalej už existujú tlačené pamäte, tlačené reproduktory, tlačené jednoduché procesory…

Cieľom tlačenej elektroniky nie je „vytlačiť“ počítač. Jej výsledkom by mohol byť inteligentný obal. Na obal by sa zo zadnej strany vytlačila batéria, pamäť a integroval malý procesor a z prednej strany obalu by bol OLED displej, elektroluminiscenčný displej alebo elektronický papier, ktorý sa používa v elektronických knihách. Existujú už obaly, ktoré svietia v obchode v regáli – ich RFID prvok mení rádiofrekvenčný signál na elektrický, ktorý napája elektroluminiscenčný displej a časť obalu svieti (kým sa nachádza v regáli). Tiež by sa dala „sprejovaná“ elektronika využiť pri pouličnom osvetlení: zo zadnej strany by mohla byť „nasprejovaná“ batéria a z prednej strany „nasprejované“ OLED osvetlenie, súčasťou by bol aj „nasprejovaný“ solárny článok, ktorý môže byť aj transparentný – cez deň by solárny článok zásobil elektrinou batérie a v noci by batérie dodávali energiu do OLED osvetlenia. Technológie už existujú, len treba zabezpečiť ich dostatočnú životnosť, ľahkú aplikovateľnosť na rôzne materiály, nízku cenu a po ich doslúžení ekologickú odbúrateľnosť.

Predpovede hovoria, že od roku 2023 by sa malo takto riešiť osvetlenie (technológiu s displejom vonku na stene predpovedal už aj Dave Evans na rok 2015, no nestalo sa), podstatne by sa mal zvýšiť počet solárnych článkov a mali by sa zásobovať energiou aj menšie zariadenia (internet vecí), skladacie a rolovacie displeje už v roku 2019 a neskôr rôzne deformovateľné odolné displeje, batérie priamo tlačené na rôzne produkty, výrazný rozvoj inteligentných (smart) technológií, ktoré existujú už aj v súčasnosti, OLED displeje na oblečení, senzory monitorujúce zdravie, bezdrôtové senzory. Niektoré zo spomínaných technológií existujú aj dnes, ale len vo forme prototypov.

Použitá literatúra

1. P. Gemeiner: Tlačené hybridné fotovoltické články. Kniha: Efektívne využívanie zdrojov a surovín,kapitola 7,vydala Slovenská technická univerzita v Bratislave, Fakulta chemickej a potravinárskej technológie, 2016. 2. M. Hv ojnik: Tlačené vodivé a polovodivé štruktúry pre elektronické aplikácie.Písomná práca k dizertačnej skúške, Fakulta chemickej a potravinárskej technológie STU v Bratislave, 2019. 3. A .M. Popovičová: Oxidové nanovrstvy pre perovskitové solárne články. Diplomová práca, Fakulta chemickej a potravinárskej technológie STU v Bratislave, 2019. 4. P aving the Way fromLab to Market – OE-A Roadmap shows Development of Printed Electronics, 2.7.2015, Frankfurt Germany, id:189484.

Matej Hvojník a Vladimír Dvonka Oddelenie polygrafie a aplikovanej fotochémie ÚPSP Fakulta chemickej a potravinárskej technológie STU vladimir.dvonka@stuba.sk, www.opaf.sk

Polygrafi a Academica 2020 Wood, Pulp & Paper 2020

Oddelenie polygrafi e a aplikovanej fotochémie vás pozýva na medzinárodnú konferenciu zameranú na výmenu poznatkov o aktuálnom stave a prognózach v polygrafi ckom, obalovom, papierenskom a drevospracujúcom priemysle, ktorá sa bude konať 11. a 12. marca 2020 v hoteli Saff ron v Bratislave pod záštitou dekana Fakulty chemickej a potravinárskej technológie STU. V prípade vášho záujmu nás kontaktujte na vladimir.dvonka@stuba.sk, wpppa.educell.sk alebo telefonicky: Vladimír Dvonka – 02 59 32 52 21, 0903 71 07 43.