Sprayed silver nanowire networks coated with nanoparticles and polymers as transparent electrodes on flexible substrates

Abstract

Transparente Elektroden (TE) auf Basis von Silber-Nanodrähten (AgNW) zeichnen sich durch einen niedrigen Flächenwiderstand (Rs) und eine hohe optische Transparenz (T) aus. Die Diplomarbeit beschäftigte sich mit der Entwicklung von AgNW-Kompositen auf Polycarbonat (PC). Das flexible PC-Substrat limitiert die maximale Abscheidungstemperatur aufgrund der niedrigen Glasübergangstemperatur. AgNW-Netzwerke wurden in Schichtkomposite mit a) Zink Oxid Nanopartikeln (ZnONP) und b) Poly-3,4-ethylen-dioxythiophen Polystyrolsulfonat (PEDOT:PSS) eingebracht, um optische und elektrische Eigenschaften zu optimieren und die Stabilität der TE zu verbessern. Eine mit Rolle-zu-Rolle Verfahren kompatible Ultraschall-Sprühmethode wurde verwendet und die Abscheidungsparameter wurden optimiert. Die Kombination von AgNW-Netzwerken mitZnONP und vor allem mit PEDOT:PSS reduziert den Widerstand der TE. Es konnte eine Senkung von Rs einer repräsentativen Probe PC/AgNW von 21 Ohm/sq auf 11 Ohm/sq in PC/AgNW/PEDOT:PSS erzielt werden. Experimentelle Daten wurden mit Perkolationsmodellen beschrieben, um zusätzliche Informationen über die kritische AgNW Dichte(c) und den kritischen Exponenten (t) zu erlangen. Durch das Beschichten von AgNW-Netzwerken wurden c und t gesenkt. Dies ist durch eine Verringerung des Widerstands an AgNW-Knotenpunkten erklärbar. Gesprühte ZnONP-Schichten erhöhen aufgrund des Kaffeering-Effekts die Oberflächenrauheit und somit die optische Trübung (H). ZnONP- und PEDOT:PSS-Beschichtungen schützen AgNW-Netzwerke vor frühzeitiger, elektrischer Degradierung bei Lagerung für ein Monat bei 70°C und Umgebungsluft. Die Elektroden a) PC/ZnONP/AgNW/ZnONP (H=0,3; T=0,8; Rs=10 Ohm/sq) und b) PC/AgNW/PEDOT:PSS (H=0,1; T=0,8; Rs=10 Ohm/sq) wurden als transparente Heizelemente untersucht. Durch das Anlegen einer Spannung von 3,5 V konnten Oberächentemperaturanstiege von + 65 °C (PC/ZnONP/AgNW/ZnONP) und+ 80 °C (PC/AgNW/PEDOT:PSS) erzielt werden. Es konnte gezeigt werden, dass leistungsstarke transparente Elektroden, welche verschiedene Anwendungen finden können, auf Basis von beschichteten AgNW-Netzwerken bei 100 °C aus Lösung und auf flexiblen Substraten hergestellt werden können.

Networks of silver nanowires (AgNWs) gain attention as transparent electrodes (TEs) that combine low sheet resistance (Rs) and high optical transmittance (T). TEs on basis of AgNW-networks on low-cost, flexible Polycarbonate (PC) were developed. Efforts were pursued to keep the processing temperature below the glass transition of the PC-substrate. The AgNWs were combined with coatings of a) zinc oxide nanoparticles (ZnONPs) and b) poly(3,4-ethylendioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS). Ultrasonic spraying was the deposition method of choice, a convenient technique for industrial production. Deposition parameters were systematically studied and optimized to obtain high-performance TEs. ZnONP- and PEDOT:PSS-coatings decrease the Rs of sparse AgNW-networks, most prominently PEDOT:PSS, due to a decrease in the junction-resistance. The Rs of a representative sample of PC/AgNW was reduced from initially 21 Ohm/sq to 11 Ohm/sq by PEDOT:PSS-coating. Experimental results were used in percolation modelling, where material parameters, such as the critical AgNW surface fraction (c) and the critical exponent (t) were extracted. The c and t are decreased by the coatings. While the coating with PEDOT:PSS does not infuence the haze, the coating with ZnONPs increases the surface roughness and the optical haze (H). The roughness results from coffee rings and is partly controllable through the adjustment of spray-coating parameters of ZnONPs. The coatings are shown to suffciently protect theAgNWs from premature electrical degradation, when stored in ambient atmosphere and at 70 °C for one month. The TEs a) PC/ZnONP/AgNW/ZnONP (H=0.3, T=0.8, Rs=10 Ohm/sq) and b) PC/AgNW/PEDOT:PSS (H=0.1, T=0.8, Rs=10 Ohm/sq) were tested as transparent heaters. For an applied voltage of 3.5 V, surface temperature increases of + 65 °C (PC/ZnONP/AgNW/ZnONP) and + 80 °C (PC/AgNW/PEDOT:PSS) were obtained. We show, that high-quality transparent electrodes, suitable for various applications,can be fabricated at 100 °C by ultrasonic spray-coating on flexible substrates.