Beschichtung mittels Ultraschall-Sprühen

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1 10. ThGOT Thementage Grenz- und Oberflächentechnik Beschichtung mittels Ultraschall-Sprühen Roy Buschbeck, Daniel Lehmann, Heinrich Lang, Dietrich R. T. Zahn [1] [1]

2 Gliederung Motivation Funktionsweise Ultraschallzerstäubung Experimentelles: Aufbau Ergebnisse gesprühte transparente Elektroden für Solarzellen gesprühte aktive Schicht für Solarzellen gesprühte Transistoren Zusammenfassung 2

3 Motivation Sprühen seit einigen Jahrzehnten bekannt & angewendet: organische Materialien Perylenfarbstoffe [5] einstellbare Absorption über einen weiten Bereich interessant für Farbstoffe & Solarzellen allgemein gute Löslichkeit Verarbeitung aus Lösung (Aufschleudern, Drucken, Rolle-zu- Rolle, Spray-coating) halbleitendes Verhalten 3 [1] Kiel, wall Figure: Place: Kiel, Flexible wall Substrate in Kunst: zur Abscheidung von Farbstoffen auf Oberflächen Figure: Place: [1] auf große Flächen anwendbar genutzt in Glasindustrie [2] und Solarzellenproduktion [3] Org. Electr. 13 (2012) 432 organische Solarzelle Lumogen [4] Indigo OFET [1] [2] J.M. Mochel, US Patent 2,564,707 (1951) [3] J.E. Hill, R.R. Camberlin, US Patent 3,148,084 (1964) [Adv. Mater. 2012, 24, 375 [5] interessant für Bauelemente [4]

4 Funktionsweise Ultraschallzerstäubung Ultraschalldüse Seitenansicht von ultraschallzerstäubten Tropfen Air-Sprühdüse Seitenansicht der Tropfenverteilung Fotoaufnahme: [1] + + [1] [2] [3] Ultrasonic Nozzle Theory by Robb Engle, Sono Tek Corporation 4 [2] [3]

5 Ultraschallzerstäubung: Aufbau N 2 Atmosphäre Horiba Jobin Yvon UVISEL in situ Ellipsometer ExactaCoat Inert Sprühbeschich ter (SonoTek) Düse (N 2 als Trägergas) Spritze verschiede ne Pfade einstellbar Heizplatte Parameterschar: Leistung Piezo P Substrattemperatur T Durchsatz v Stickstoffdruck p Konzentration der Lösung c Düsen-Substrat-Abstand z 5

6 Gliederung Motivation Funktionsweise Ultraschallzerstäubung Experimentelles: Aufbau Ergebnisse gesprühte transparente Elektroden für Solarzellen gesprühte aktive Schicht für Solarzellen gesprühte Transistoren Zusammenfassung 6

7 Ergebnisse: gesprühte Schichten für Solarzelle Wie wichtig ist die Zusammensetzung der Tinte? Schematischer Aufbau Solarzelle: Transparente Elektrode: Multiwallkohlenstoffnanoröhrc hen [1] [1] * Sodiumdodecylbenzensulphonat transparent & leitfähig Sprühparameter: T S = 80 C, p = 20 kpa, P = 1,6 W, z = 68 mm, v F = 0,2 ml/min Präparation der Dispersion: 0,1 %wt MWCNT (SMW 100- L43 von Southwest Nanotechnologies) bzw. 0,1 %wt SDBS* Ultraschall: für 15 min Zentrifuge: 40 min bei 5000 rpm 7

8 Leitfähigkeit vs. Transparenz Topographie Beschichtung mittels Ultraschall-Sprühen Ergebnisse: gesprühte Schichten für Solarzelle MWCNT Dispersion MWCNT/PEDOT:PSS Mischung Dispersionszusat z (80 % + 20 % PEDOT:PSS) & DMSO Sprühdauer t 550 nm

9 Ergebnisse: gesprühte Schichten für Solarzellen - aktive Schicht: PCBM - [6,6]Phenyl-C61-butansäuremethylester Präparation der Lösung: 3 mg/ml PCBM in Toluol Sprühparameter: P = 0,5 W, Durchsatz v F = 0,5 ml/min, z = 68 mm 9

10 Ergebnisse: gesprühte Schichten für OPV - aktive Schicht: PCBM - Optische Mikroskopieaufnahmen: Substrattemperatur Substrattemperatur beeinflusst Morphologie Quantitative Korrelation? Farbseperation und Binarizierung der optischen Bilder 10

11 1. Optische Mikroskopie: Ergebnisse: gesprühte Schichten für OPV - aktive Schicht: PCBM - T BOIL (Toluol) = 110 C T C = (163 5) C 2. Binarization der Bilder: Substrat PCB M Zwei Bereiche: bis (163 5) C konstante Bedeckung höhere Temperaturen: lineare Abnahme 11

12 Ergebnisse: gesprühte Transistoren 6,13- Bis(triisopropylsilyethynyl)pentacen organischer Halbleiter TIPS-Pentacen (ptypisch) in verschiedenen Lösungsmitteln abgeschieden bei T S = 60 C Si/SiO x Fraunhofer Substrate mit Goldelektroden ( Bottom-Kontakt OFETs) vier verschiedene Kanallängen (L = 2,5, 5, 10, 20 µm) [2] Schematischer Aufbau OFET [1] Chen et al. J. Polym. Sci., Polym Phys. 44 (2006) 3631 [2] Dissertation I. Toader, TU Chemnitz,

13 Ergebnisse: gesprühte Transistoren Messapparatur: Polarisationsaufgelöste Mikroskopie: Lösungsmittel Beweglichkeit µ / cm 2 (Vs) -1 Chlorbenzol (9 7) 10-5 Toluol (1,8 0,8) 10-4 Tetralin/Toluol (1,1 0,5) 10-2 (1:2) Elektrische Charakterisierung (Ausgangs- und Transferkennlinien) L = 10 µm: Lösung: 8 mg/ml TIPS- Pentacen Tetralin/Toluollösung(1 :2) Goldfinger (Source/Drainelektrode) TIPS-Pentacen-Kristallit 13

14 Zusammenfassung gesprühte transparente Elektroden für Solarzellen Einfluss Tintenformulierung und Sprühdauer t gesprühte aktive Schicht für Solarzellen Quantitatives Analyseverfahren Einfluss Substrattemperatur Sprühdauer t gesprühte Transistoren Binarization der Bilder: Einfluss Tintenformulierung auf intrinsische elektrische Eigenschaften Bestimmung des Bedeckungsgrad es T C = (163 5) C 14

15 Danksagung Arbeitsgruppe Prof. Dr. Dr. h.c. Zahn Arbeitsgruppe Prof. Dr. Ing. O. Kanoun Bandelin Sonoplus HD 3100 Sigma 2-16PK centrifuge Arbeitsgruppe Prof. Dr. R. Magerle optisches Mikroskop M.Sc. Bhushan R. Patil Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 15