Towards Self-Healing Organic Electronics Oostra, Antoon

Transcriptie

1 Towards Self-Healing Organic Electronics Oostra, Antoon IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2016 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Oostra, A. (2016). Towards Self-Healing Organic Electronics [Groningen]: University of Groningen Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 De Europese Unie, V.S. en verschillende andere landen zijn bezig met het implementeren van beleidsplannen om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. De vermindering van energieverbruik door licht, en verhoogde energieproductie vanuit duurzame energiebronnen zijn twee van deze beleidsplannen. Kijkend naar het licht, volgt een significante hoeveelheid van de uitstoot van broeikasgassen uit het gebruik van inefficiënte gloeilampen (5% efficiëntie). Deze lampen moeten vervangen worden met meer efficiënte lichtbronnen om het energieverbruik te verminderen. Een veelbelovend alternatief voor de gloeilamp zijn de lichtgevende diodes (LEDs). LEDs zijn gebaseerd op halfgeleider technologie. Ze hebben een klein actief oppervlak, zijn zeer efficiënt ( 30%), hebben een laag energieverbruik (100 lm/w) en hebben niet de nadelen van andere alternatieve lichtbronnen zoals compacte tl-lampen (CFLs). Dat is, ze hebben geen verminderde prestaties bij lage temperaturen, en hebben geen verminderde levensduur wanneer ze aan worden gezet voor een paar minuten per keer. LEDs zijn op het moment het grootste alternatief voor gloeilampen vanwege hun efficiëntie en lage eigendomskosten. Kijkend naar duurzame energiebronnen, is brede invoering van zonne-energie een veelbelovende oplossing om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. "Klassieke" zonnecellen zijn, net zoals LEDs, gebaseerd op halfgeleider technologie. Voor mono kristallijne zonnecellen zijn record efficiënties van boven de 25% behaald. Helaas zijn de productiekosten van zonnecellen relatief hoog omdat silicium gezuiverd moet worden, en omdat de productie doorvoer relatief laag is. LEDs en zonnecellen gebaseerd op organische materialen zijn veelbelovende technologische toevoegingen voor "klassieke" kristallijne halfgeleiders. De grootste voordelen van het gebruik van organische materialen om organische licht gevende diodes (OLEDs, > 100 lm/w at 1000 cd/m 2 efficacy) en organische zonnecellen (OSCs, 10% licht naar energie conversie efficiëntie) zijn chemische weerbaarheid en eenvoudige verwerking. Deze factoren staan organische halfgeleiders toe om gefabriceerd te worden bij lage temperaturen, gebruikmakend van verwerkingsmethoden waarbij het materiaal uit een oplossing aangebracht word. Als gevolg kunnen de productiekosten van OLEDs en OSCs drastisch verlaagd worden aangezien hoge doorvoer productie methoden van de print industrie gebruikt kunnen worden. OLEDs en OSCs bestaan uit een of meer dunne (< 100 nm) opeengestapelde organische lagen ingeklemd tussen een anode en kathode. Aangezien grote oppervlakten bedekt 85

3 moeten worden met zeer dunne organische lagen, zijn er grote uitdagingen welke overwonnen moeten worden tijdens het aanbrengen van de organische materialen. Deeltjes en/of inhomogeniteiten welke aanwezig zijn op het substraat tijdens het aanbrengen van de dunne lagen kunnen gemakkelijk kleine gebieden veroorzaken waar de onderste electrode niet bedekt is met de organische materialen. Het aanbrengen van de bovenste electrode zal dan gemakkelijk resulteren in kortsluitingen (shunts) tussen de twee electroden die de organische lagen inklemmen. Zulke kortsluitingen kunnen leiden tot het complete falen van het apparaat (OLED/OSC), verlaagd productierendement, en verhoogde productiekosten. Ze moeten daarom effectief voorkomen worden om goedkope grote schaal productie van OLEDs en OSCs te faciliteren. In dit proefschrift werden extra verwerkingsmethoden, verwerkingsstappen, en reparatie-procedures bestudeerd die kortsluitingen en andere defecten in organische elektronica kunnen voorkomen. In hoofdstuk 4 stelden we een zeer succesvolle methode voor om microscopische kortsluiting in OLEDs te voorkomen. De methode was gebaseerd op de immersie van een OLED preparaat (ITO/PEDOT:PSS/lichtgevend polymeer), voor de depositie van de kathode, in een oplossing van natrium hypochloriet. Natrium hypochloriet is een oxidatiemiddel dat PEDOT:PSS kan over-oxideren, waardoor de geleidende eigenschappen van PEDOT:PSS volledig verdwijnen. Wij bestudeerden de reactie kinetiek tussen hypochloriet en PEDOT:PSS in hoofdstuk 3. We vonden dat voor lage (< 0.05%) NaClO (aq) concentraties het over-oxidatie process reactie-gelimiteerd is, en diffusie-gelimiteerd voor hogere concentraties. De afname in geleiding voor een laag van PEDOT:PSS, als functie van behandeltijd en hypochloriet concentratie, kon goed gemodelleerd worden gebruikmakend van een algemene effectieve medium theorie, waarvan de fitting parameters een draadvormige morfologie suggereerden voor PEDOT domeinen in een PSS matrix. De geleiding van PEDOT:PSS was volledig vernietigd na een behandeling van 30 seconden in 5% hypochloriet, waardoor een isolerende laag van over-geoxideerde PEDOT:PSS achter bleef. Immersie van een lichtgevend polymeer (LEP) in hypochloriet, voor dezelfde behandeltijd, had geen significant effect op de fotoluminescente eigenschappen van het polymeer, zoals blijkt uit de resultaten van hoofdstuk 4. Daarom kon een behandeltijd bepaald worden welke volledige uitschakeling van lokaal onbedekte PEDOT:PSS in microscopische gaten en andere defecte gebieden toe stond, maar de luminescente eigenschappen van het LEP intact liet. De behandeling was uitgeprobeerd in hoofdstuk 4 op OLEDs met kunstmatig gemaakte microscopische gaten in de LEP, en ongerepte, niet beschadigde, OLEDs. Hypochloriet behandelde OLEDs lieten verminderde parasitaire stromen, een vermindering in de hoeveelheid "bright spots", en een gelijkwaardige levensduur zien ten opzichte van onbehandelde (referentie) OLEDs. Op basis van deze resultaten werd geconcludeerd dat de hypochloriet behandeling een effectieve methode is om kortsluitingen in OLEDs te voorkomen. De behandelmethode van hoofdstuk 4, voor OLEDs, werd toegepast op P3HT:PCBMgebaseerde organische zonnecellen in hoofdstuk 5. Op basis van resultaten van contacthoekmetingen bleek dat polythiophene in het P3HT:PCBM mengsel geoxideerd werd wanneer blootgesteld aan hypochloriet. Daarom werd de complete immersie van het OSC preparaat ongeschikt geacht, en moesten defecten in de fotoactieve laag lokaal behandeld worden. Na lokale behandeling, konden macroscopisch gaten in de fotoactieve 86

4 laag, welke 5% van de gehele actieve oppervlak besloegen, succesvol uitgeschakeld worden door het onbedekte PEDOT:PSS bloot te stellen aan hypochloriet. De prestaties van cellen met een LiF/Al of Ba/Al kathode werd gelijk gevonden voor ongerepte (onbeschadigde) en beschadigde, maar hypochloriet-behandelde, organische zonnecellen. We merkten echter op dat vanuit een fabricatie-perspectief het niet optimaal is wanneer defecten in de fotoactieve laag eerst gedetecteerd dienen te worden voordat ze met hypochloriet kunnen worden behandeld. We zijn daarom in hoofdstuk 6 verder gegaan met het onderzoeken van een andere methoden om kortsluitingen in OSCs uit te schakelen. Een simpel equivalent circuit model met een diode, een serie-weerstand, en een parallelle (kortsluiting) weerstand werd gebruikt om te voorspellen dat kortsluitingen in conventionele OSCs weinig tot geen effect hebben op zonnecel prestaties wanneer hun weerstand hoger is dan 1000 Ohm. Door de ladingstransport door de PEDOT:PSSlihtium fluoride / aluminum (LiF/Al) kortsluiting juncties te bestuderen lieten we zien dat deze eis al bereikt is wanneer de aangebrachte LiF laag voldoende dik is (> 1.5 nm). We demonstreerden dat deze opmerkelijke flexibiliteit tegen kortsluitingen voorkomt uit de formatie van een significante ladingstransport barriere op het PEDOT:PSS-LiF/Al grensgebied, in welke ladingstransport een Poole-Frenkel-achtig gedrag laat zien. We valideerden onze voorspellingen van zelfhelende kortsluitingen door OSCs te fabriceren waarbij de fotoactieve laag expres beschadigd was, en vonden een perfecte overeenkomst tussen de berekende en experimentele stroom-voltage karakteristieken. De veerkrachtigheid van OSCs tegen productie imperfecties of schade aan de fotoactieve laag is daarom aanzienlijk verhoogd wanneer een kathode met een relatief dikke LiF laag wordt aangebracht, aangezien het de formatie van een zelfhelende stroom barriere op het anode-kathode grensvlak toestaat. Uiteindelijk lieten we in hoofdstuk 7 zien dat breuken in zilver roosters, algemeen toegepast in grote-oppervlakte organische elektronica, ook zelf-gerepareerd konden worden. De reparatie procedure was gebaseerd op de formatie van dendritische metaal structuren die de anode en kathode kant van de breuk verbinden, gebruikmakend van elektro-depositie. De organische anode is gebruikelijk in contact met het zilveren rooster, en kan functioneren als een geschikt medium voor ionen migratie. Dendritische groei van zilver kon daarom in de breuk geënitieerd worden door een DC voltage aan te sluiten. De gevormde dendrieten verminderde de weerstand in de breuk met één ordegrootte. Een extra daling van drie orders kon worden behaald door het sinteren van de dendrieten met behulp van een hoge voltage puls. Hierdoor werden geleiding niveaus bereikt binnen bijna 1 ordegrootte verschil met de geleiding van onbeschadigde zilverlijnen. 87

5 88 Samenvatting