Oberflächenplasmonen für die nächste Generation großflächiger Optoelektronik auf elastischen Substraten
Final Report Abstract
Wesentliche Fortschritte wurden in allen drei Teilbereichen (1. organische Solarzellen, 2. großflächige Erzeugung plasmonischer Nanostrukturen, 3. dehnbare Strukturen) erreicht. Bei den organischen Solarzellen konnten vor allem Fragen der Ladungsträgerextraktion, der plasmonischen Sensitivierung und Verstärkung, sowie technologische Fragestellungen geklärt werden. Als Ergebnis dieser Forschung, die in enger Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente erfolgte, können effiziente organische Solarzellen vollständig aus der Flüssigphase hergestellt werden. Dies umfasst neben den organischen Absorbern und den Elektroden auch die entsprechenden Ladungsträgerextraktionsschichten. Durch Transferdruck konnten auch metallische Top-Kontakte aus der Flüssigphase erzeugt werden. Das Verfahren erlaubt es, die Herstellung von Dünnschichten und ihre Abscheidung in ein Bauelement räumlich und zeitlich zu trennen und könnte daher eine Schlüsseltechnologie auch für die dehnbare Elektronik darstellen. Die Forschung zur großflächigen Erzeugung plasmonischer Nanostrukturen hat zunächst das Wachstum von Silberschichten auf Polydimethylsiloxan (PDMS) genau untersucht. Als Resultat dieser Forschung kann die Koaleszenz von Silber-Nanopartikeln (AgNPs) inzwischen genau eingestellt werden. Dabei wird gleichzeitig mit lokaler Kontrolle definiert, wie stark die optischen Eigenschaften durch lokalisierte bzw. delokalisierte Oberflächenplasmonen (SPPs) dominiert werden. Das Zusammenspiel dieser beiden Phänomene ist entscheidend, wenn hohe Absorptionsverstärkung bei gleichzeitig hoher Breitbandigkeit angestrebt wird. In einer Weiterentwicklung wurden AgNPs direkt aus der Flüssigphase abgeschieden und dabei durch Beleuchtung ausgerichtet. Die Methode bildet eine Kombination aus bottom up und top down Nanotechnologie. Sie schafft Nanostrukturen, die eine optimierte Wechselwirkung mit dem Licht herstellen, das während ihrer Abscheidung die Ausrichtung gesteuert hat. Gleichzeitig kann dieses Verfahren auf großen Flächen angewendet werden. Durch Transferdruck können optimierte AgNP-Strukturen in hochabsorbierende Metamaterialien übertragen werden. Die Strukturen zeigen eine mittlere breitbandige Absorption von etwa 80% für alle Einfallswinkel. Um dehnbare Strukturen herzustellen, wurde ein Verfahren entwickelt, das eine Abscheidung und gleichzeitige Strukturierung von Silberschichten auf PDMS ermöglicht, ohne dabei auf Vakuumtechnik, Lösemittel, Fotolacke oder ähnliches zurückgreifen zu müssen. Wenn geeignete Strukturen mit dieser Methode auf zweidimensional vorgedehnte PDMS-Folien abgeschieden werden, führt die anschließende Entspannung der Folie zu selbstorganisierten Faltenstrukturen, die eine wiederholte Dehnung in verschiedene Richtungen ermöglichen. Allerdings bestehen bei diesem Faltenansatz Grenzen bezüglich der insgesamt funktionalen nutzbaren dehnbaren Fläche und auch bezüglich der Dicke des zu dehnenden Bauelements. Ein neuer im Projekt entwickelter Ansatz umgeht diese Nachteile, indem Risse nicht verhindert, sondern kontrolliert und in ihrer Ausbreitung eingeschränkt werden. Die so genau platzierten Risse können sich seitlich ausdehnen und nehmen dadurch Verspannungen auf. Ergebnis ist eine zusammenhängende gehärtete Oberfläche, die durch kontrollierte Cracks dehnbar wird. Der für dehnbare Elektronik nutzbare Anteil der Fläche wird so wesentlich vergrößert. Übergänge von hart auf weich werden nicht benötigt. Das Verfahren wurde zum Patent angemeldet. Zusammenfassend konnten in allen drei Projektbereichen wesentliche Fortschritte erreicht werden, obgleich die Kombination, also die Realisierung dehnbarer plasmonisch verstärkter Solarzellen, leider noch aussteht. Diese soll unter Anwendung des Transferdrucks und der kontrollierten Cracks realisiert werden.
Publications
- Overcoming the “light-soaking” issue in inverted organic solar cells by the use of Al:ZnO electron extraction layers. Adv. Energy Mater. 3, 1437 (2013)
S. Trost, K. Zilberberg, A. Behrendt, A. Polywka, P. Görrn, P. Reckers, J. Maibach, T. Mayer, T. Riedl
(See online at https://doi.org/10.1002/aenm.201300402) - Highly robust Indium-free transparent conductive electrodes based on composites of silver nanowires and conductive metal oxides. Adv. Funct. Mater. 24, 1671 (2014)
K. Zilberberg, F. Gasse, R. Pagui, A. Polywka, A. Behrendt, S. Trost, R. Heiderhoff, P. Görrn, T. Riedl
(See online at https://doi.org/10.1002/adfm.201303108) - Manipulating the Morphology of Silver Nanoparticles with Local Plasmon Mediated Control. Part. & Part. Syst. Charact. 31, 342 (2014)
A. Polywka, A. Vereshchaeva, T. Riedl, and P. Görrn
(See online at https://doi.org/10.1002/ppsc.201300175) - Facile preparation of high-performance elastically stretchable interconnects. Adv. Mater. 27, 3755 (2015)
A. Polywka, T. Jakob, L. Stegers, T. Riedl, and P. Görrn
(See online at https://doi.org/10.1002/adma.201501461) - Highly robust transparent and conductive gas diffusion barriers based on tin oxide. Adv. Mater. 27, 5961 (2015)
A. Behrendt, C. Friedenberger, T. Gahlmann, S. Trost, T. Becker, K. Zilberberg, A. Polywka, P. Görrn, and T. Riedl
(See online at https://doi.org/10.1002/adma.201502973) - Plasmonically sensitized metal-oxide electron extraction layers for organic solar cells. Sci. Rep. 5, 7765 (2015)
S. Trost, T. Becker, K. Zilberberg, A. Behrendt, A. Polywka, R. Heiderhoff, P. Görrn and T. Riedl
(See online at https://doi.org/10.1038/srep07765) - Tin oxide (SnOx) as universal "light-soaking" free electron extraction material for organic solar cells. Adv. Energy Mater. 5, 1500277 (2015)
S. Trost, A. Behrendt, T. Becker, A. Polywka, P. Görrn and T. Riedl
(See online at https://doi.org/10.1002/aenm.201500277) - Transfer Printing of Electrodes for Organic Devices - Nanoscale Versus Macroscale Continuity. Appl. Phys. A 120, 503 (2015)
T. Jakob, A. Polywka, L. Stegers, E. Akdeniz, S. Kropp, M. Frorath, S. Trost, T. Schneider, T. Riedl, and P. Görrn
(See online at https://doi.org/10.1007/s00339-015-9299-5) - Controlled Mechanical Cracking of Metal Films Deposited on Polydimethylsiloxane (PDMS). Nanomaterials 6(9), 168 (2016)
A. Polywka, L. Stegers, O. Krauledat, T. Riedl, T. Jakob, and P. Görrn
(See online at https://doi.org/10.3390/nano6090168) - Light controlled assembly of silver nanoparticles. Sci. Rep. 7, 45144 (2017)
Andreas Polywka, Christian Tückmantel, and Patrick Görrn
(See online at https://doi.org/10.1038/srep45144) - Self-Encapsulating Thermostable and Air-Resilient Semitransparent Perovskite Solar Cells. Adv. Energy Mater. 7, 1602599 (2017)
J. Zhao, K. Brinkmann, T. Hu, N. Pourdavoud, T. Becker, T. Gahlmann, R. Heiderhoff, A. Polywka, P. Görrn, Y. Chen, B. Cheng, and T. Riedl
(See online at https://doi.org/10.1002/aenm.201602599|) - Distributed Feedback Lasers Based on MAPbBr3. Adv. Mater. Technol. 3, 1700253 (2018)
N. Pourdavoud, A. Mayer, M. Buchmüller, K. Brinkmann, T. Häger, T. Hu, R. Heiderhoff, I. Shutsko, P. Görrn, Y. Chen, H.-C. Scheer, and T. Riedl
(See online at https://doi.org/10.1002/admt.201700253)
