Dieser Artikel beschreibt die Forschungsergebnisse aus der Zeitschrift Science and Technology of Advanced Materials, die beim National Institute for Materials Science und bei Taylor & Francis erhältlich ist. Sie können den vollständigen Bericht hier lesen.
Eine planare Elektrode ist eine nicht abgeschirmte Elektrode, die in eine isolierte Ebene eingebettet ist, so dass die Elektrodenoberfläche mit der umgebenden Ebene bündig wird. Aus: Zeitschrift für elektroanalytische Chemie
Für detaillierte Informationen über den Memmert Vakuumtrockenschrank wenden Sie sich bitte an unser Experten-Team oder melden Sie sich für unseren Newsletter an. Ausführliche Informationen zum Vakuumschrank VO finden Sie jetzt in unserem neuen Whitepaper. Registrieren Sie sich hier, um in unserem Download-Bereich darauf zuzugreifen. Weitere Informationen zu Trockenschränken, deren Technologie, Einsatzmöglichkeiten, Vielfältigkeit und mehr finden Sie in unserem Blog.
Transparente Elektroden, wie Indium-Zinn-Oxid (ITO), sind ein wesentliches Element optoelektronischer Geräte. Der Grund dafür ist die optische Transparenz und Leitfähigkeit in Flachbildschirmen, Solarzellen und Leuchtdioden.
ITO ist aufgrund seines akzeptablen Schichtwiderstands (15-60 Ω/□) und seiner hohen optischen Transparenz (>90 %) zum meistgenutzten Material für transparente Elektroden geworden.
Es gibt jedoch einige Nachteile, welche die Anwendungen und die Verarbeitung von Rolle zu Rolle einschränkt.
Dies führt dazu, dass eine Alternative für transparente Elektrodeneigenschaften gesucht wird.
Hier kommt das Thema "Gütezahl" ins Spiel.
Eine Gütezahl ist eine Größe, die zur Charakterisierung der Leistung eines Geräts, Systems oder Verfahrens im Vergleich zu seinen Alternativen verwendet wird. Aus: Practical Three-Way Calibration, 2014
Dieser Wert hilft, die transparente Elektrode zu vergleichen. In der Studie heißt es, dass es bei alternativen transparenten leitfähigen Elektroden zu einem Kompromiss zwischen optischer Transparenz und Leitfähigkeit kommt. An dieser Stelle ist die Gütezahl hilfreich:
Es gibt mehrere Möglichkeiten zur Herstellung von ITO-freien transparenten Elektroden:
Die letzte Variante, Silbernanodrähte (AgNW), ein Schlüsselelement dieses Artikels, hat eine Reihe von Vorteilen für die Herstellung transparenter leitender Elektroden:
Die Sache hat allerdings einen Haken - ein größerer Durchmesser der Nanodrähte kann zu einer Oberflächenrauheit führen.
Der Bericht listet frühere Versuche zur Erforschung der Transparenz und der Schichtwiderstandseigenschaften von verwobenen transparenten Elektroden aus Silbernanodrähten und einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (AgNW:SWCNT) auf. Es gibt viel Raum für die weitere Entwicklung durch die Änderung der Elektrodenverarbeitungsbedingungen. So kann die planarisierte Oberfläche der Elektroden an der Herstellung von Bauelementen beteiligt werden.
In diesem Bericht wird die Herstellung von planarisierten AgNW:SWCNT-Elektroden mit hoher Güte (<5 nm rms-Rauheit) erörtert, die in dünne Poly(3,4-Ethylendioxythiophen)-Polystyrolsulfonat/PEDOT:PSS-Elektroden mit Hilfe der Epoxid-Klebeabhebetechnik eingebettet sind.
Die nachstehenden Schritte sind in einem Diagramm zusammengefasst.
Die Carboxylat-funktionalisierten SWCNT (50 mg) wurden in 3M HNO3 behandelt, das 12 Stunden lang unter Rückfluss erhitzt und anschließend über 0,45 μm Polycarbonat filtriert wurde. Anschließend wurde eine Probe entnommen und 2 Minuten lang mit einer Sondenbeschallung bei 40 % Amplitude in Wasser suspendiert. Später wurde sie mit deionisiertem Wasser versetzt, um eine Konzentration von 0,25 mg mL-1 zu erreichen. Die vorgenannten verwobenen Netzwerke wurden für die Studie durch Vakuumfiltration durch gemischte Zelluloseestermembranen hergestellt. Die vorbereiteten AgNW- (0,1 mg mL-1) und SWCNT-Lösungen (0,25 mg mL-1) wurden zu 300 mL deionisiertem Wasser gegeben. Dies ermöglichte eine Oberflächenbeladung von 125 mg m-2 AgNWs in der endgültigen Nanokomposit-Elektrode.
Strukturierte Elektroden wurden hergestellt, indem eine gemischte Zelluloseester-Schablone mit relativ kleiner Porengröße während des Filtrationsprozesses unter der 0,45 μm-Membran positioniert wurde. Nach der Filtration werden die strukturierten Elektroden auf vorgereinigten Siliziumsubstraten positioniert. Das Silizium und die strukturierten Elektroden werden in einem Vakuumofen 30 Minuten lang bei 80 °C und einem Druck von 0,16 kg cm-2 erhitzt. Dabei handelt es sich um einen Labor-Vakuumtrockenschrank von Memmert, der für die verschiedensten Anwendungen eingesetzt wird. In unserem Blog finden Sie weitere interessante Anwendungsbeispiele für dieses vielseitig einsatzbare Gerät. Sie haben Fragen zum Vakuumschrank VO? Kontaktieren Sie uns per Mail oder füllen Sie das Anfrageformular aus und wir treten mit Ihnen in Kontakt.
Nun kann das gemischte Zelluloseester-Filterpapier entfernt werden, indem es eine Stunde lang in Aceton aufgelöst wird. Dabei bleibt der Rückstand des gemusterten AgNW:SWCNT-Nanokomposits auf dem Siliziumsubstrat zurück. Die Poly (3,4-Ethylendioxythiophen)-Polystyrolsulfonat/PEDOT:PSS-Lösung in einer Zusammensetzung von 33 v/v% 2-Propanol und 10 v/v% Sorbitol (200 μL) wird bei 500 Umdrehungen pro Minute für 5 Sekunden über das Nanokomposit aus Silbernanodrähten und einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (AgNW:SWCNT) geschleudert und dann für 3 Sekunden auf 3000 Umdrehungen pro Minute erhöht. Dieses Nanokomposit wird 10 Minuten lang bei einer Temperatur von 140 °C getempert.
Auf die mit Silber-Nanodrähten und einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen (AgNW:SWCNT) beschichtete Poly (3,4-Ethylendioxythiophen)-Polystyrolsulfonat/PEDOT:PSS-Elektrode wird Epoxidharz aufgetragen. Darauf wird ein Glassubstrat für Übertragungszwecke gelegt, um einen AgNW:SWCNT:PEDOT:PSS/Epoxid/Glas-Stapel zu bilden.
Dieser Stapel wurde in einem Wärme- und Trockenofen von Memmert eine Stunde lang bei 65 °C gehärtet. Der Stapel wird in flüssigen Stickstoff gelegt, um die Silizium/PEDOT:PSS-Grenzfläche zu spalten und die Bildung einer ebenen leitenden Oberfläche auf diesem Glassubstrat zu bewirken. Der Schichtwiderstand wird gemessen. Die Transmission des Reflexionsvermögens wird an den Proben (25 mm2) mit einem Spektralphotometer mit integrierender Kugel gemessen. Es werden rasterelektronenmikroskopische (SEM) und topografische Rasterkraftmikroskopie (AFM) Aufnahmen gemacht. Die Werte für den quadratischen Mittelwert der Rauheit (Rrms) werden anhand von ebenen, angepassten Bildscans von 10 μm2 ermittelt.
Die elektrische Leitfähigkeit der planaren AgNW:SWCNT-Elektroden wird mit Hilfe des Peak-Force-Tunneling-AFM (PF-TUNA) kartiert. Der Cantilever und die Spitze sind mit 20 nm Platin und Iridium beschichtet, um einen Spitzendurchmesser von etwa 40 nm zu erreichen. Die Probenoberfläche ist über einen Kupferdraht elektrisch verbunden. Dieser Aufbau ist unten abgebildet.
Zwei Arten von Zellen wurden unter Verwendung von zwei verschiedenen organischen Halbleitermischungen hergestellt, um die AgNW:SWCNT:PEDOT:PSS-Elektroden in den Geräten mit folgenden Strukturen zu testen:
Vorstrukturierte ITO-Substrate werden mit Alconox (Alconox) in deionisiertem Wasser gereinigt. Danach werden sie mit deionisiertem Wasser gespült und 5 Minuten lang ultrasonisiert. Anschließend werden sie in Aceton und Isopropanol jeweils 10 Minuten lang ultraschallbehandelt.
Die Substrate werden mit einer Stickstoffpistole getrocknet. Alle Methoden und Schritte der Herstellung und Prüfung von Bauelementen aller Art finden in einer Stickstoffumgebung statt. Eine dünne MoOx-Schicht wird durch thermisches Verdampfen mit einem Druck von ∼1×10−6 mbar auf die planarisierte AgNW:SWCNT-Schicht aufgebracht.
Ein Gemisch aus P3HT:PCBM (1:1 w/w) wird durch Mischen gleicher Mengen einzelner Lösungen von P3HT (Mw= 94 kDa, Polydispersitätsindex (PDI) = 1,9) und PC60BM in 1,2-Dichlorbenzol (DCB) (wasserfrei) hergestellt. Die Konzentration lag bei 30 mg mL−1. Die Mischung wird filtriert und im Schleudergang beschichtet. Die aktive Schicht aus PCDTBT:PC70BM wurde durch Mischen einer Lösung von 6 mg mL−1 PCDTBT in DCB hergestellt. Die aktive Schichtmischung wurde auf die MoOx-Schicht aufgeschleudert. P3HT:PCBM (1:1 Gew./Gew.) und PCDTBT:PC70BM (1:4 Gew./Gew.) wurden bei einer Temperatur von 60 °C für 20 Minuten auf einer Heizplatte getrocknet.
Dies führte zu einer dicken Al-Schicht, die durch thermische Verdampfung bei einem Druck von ∼1×10−6 mbar aufgetragen wurde, um die Herstellung zu ermöglichen, wobei die endgültigen Geräte eine aktive Fläche von 0,2 cm2 hatten. Die Gerätecharakterisierung erfolgte mit einem Sonnensimulator, und die Lichtintensität wurde kalibriert.
Die Ergebnisse der Studie werden im Folgenden dargestellt:
| Average %T (400-800 nm) | Average %R (400-800 nm) | Sheet resistance (Ω/□) | Figure of merit (Ω^-1) | |
|---|---|---|---|---|
| AgNW:SWCNT:PEDOT:PSS | 86,0 +/- 1,0 | 3,4 +/- 0,3 | 6,6 +/- 0,5 | 367 |
| ITO | 93,0 +/- 7,3 | 7,2 +/- 4,3 | 18,3 +/- 0,5 | 292 |
Zusammenfassung der Eigenschaften von ITO- und AgNW:SWCNT:PEDOT:PSS-Elektroden. Zur Verfügung gestellt von Taylor & Francis Online und A J Stapleton et al.
Transmission (%T) und Reflexionsvermögen (%R) einer ITO- und einer planaren AgNW:SWCNT:PEDOT:PSS-Nanokomposit-Elektrode, korrigiert um den Substratanteil. Die rechts dargestellten Schichtwiderstände sind der Durchschnitt von 15 Messungen an 3 separaten 25-mm2-Proben. Zur Verfügung gestellt von Taylor & Francis Online und A J Stapleton et al.
SEM-Bilder von (a) nicht planarisierten AgNW und SWCNTs auf einem Glassubstrat und (d) der AgNWs:SWCNT:PEDOT:PSS-Elektrode nach der Planarisierung. AFM von (b) nicht planarisierten AgNW und SWCNTs auf Glas und (e) AgNWs und SWCNTs nach dem Planarisierungsprozess. Die Höhenprofile entlang der gestrichelten Linien in (b) und (e) sind in (c) bzw. (f) dargestellt. Alle Skalenbalken sind 2 μm. Zur Verfügung gestellt von Taylor & Francis Online und A J Stapleton et al.
(a) Höhen- und (b) Spitzenkraftstromkarte der planarisierten AgNW:SWCNT-Elektrodenoberfläche mit einer Vorspannung von 2 V. Zur Verfügung gestellt von Taylor & Francis Online und A J Stapleton et al.
J-V-Charakteristiken der besten OPV-Bauelemente auf planarisierten transparenten AgNW:SWCNT:PEDOT:PSS-Nanokomposit-Elektroden und ITO mit aktiven Schichten aus P3HT:PC60BM und PCDTBT:PC70BM sowie Leistungsparameter. Inset zeigt die Struktur eines OPV-Bauteils. Zur Verfügung gestellt von Taylor & Francis Online und A J Stapleton et al.
Die planaren Nanokomposit-Elektroden werden mit einer besseren Leistungszahl (367 Ω−1) - einer Kombination aus Transparenz und Leitfähigkeit - hergestellt als ITO (267 Ω−1) auf Glas.
Dies zeigt, dass die AgNW:SWCNT:PEDOT:PSS-Elektrode mit einer Reihe von organischen halbleitenden Polymer:Fulleren-Heteroübergangssystemen funktionieren kann.
Die Memmert GmbH + Co.KG mit Sitz in Schwabach und Fertigung in Büchenbach produziert den Vakuumtrockenschrank VO als Teil ihres vielfältigen Wärme- und Trockenschrankprogramms.
Er bietet unter anderem folgende Eigenschaften:
Lesen Sie in unserem Blog weitere Artikel über Anwendungen mit dem Vakuumschrank VO und anderen Memmert-Geräten. Besuchen Sie unsere Website oder melden Sie sich für den Newsletter an, um weitere Informationen über Produkte wie Klimakammern, Inkubatoren, Laborwasserbäder, medizinische Geräte wie Sterilisatoren, Deckenwärmer und mehr zu erhalten. Sie haben Fragen? Wir freuen uns über Ihre Kontaktaufnahme via Mail oder über das Kontaktformular.
