Metal Nanowire Networks as Transparent Electrode for Small-Molecule Organic Solar Cells

This work focuses on the development of metal nanowire networks for the use as transparent electrodes in small-molecule organic solar cells. Broad adoption of organic solar cells requires inexpensive roll-to-roll processing on flexible, lightweight substrates. Under these conditions, traditional metal oxide electrodes suffer from significant drawbacks such as brittleness and cost. In contrast, metal nanowire networks provide properties more suitable for high-throughput processing and thus, are investigated here as an alternative. They combine the high-conductivity of metals with the advantage of optical transparency found in aperture-structured networks. The process chain from nanowire deposition to cell integration is examined with silver and copper nanowire material. Two techniques are presented for deposition. While dip-coating is investigated in detail, including a discussion of the most important parameters, spray-coating is demonstrated as an alternative for large area applications. Since the nanowires are barely conductive after deposition, post-treatment steps are used to achieve a performance comparable to standard metal oxide films such as tin-doped indium oxide (ITO). The inherent roughness of nanowire electrodes is addressed by using a conductive polymer as a planarization layer. On top of optimized electrodes, small-molecule organic solar cells are deposited with a UHV thermal evaporation process. Completed cells are tested and performance is found to be comparable to the used standard transparent electrodes. Additionally, a new approach to achieve aligned nanowire network structures is demonstrated. The additional degree of order is used to illustrate optical effects of silver nanowire networks. Furthermore, these aligned networks exhibit anisotropic conductivity. This effect is discussed and simulations are performed to reproduce the observations. The freedom of network design is used to achieve superior conductivity compared to standard random structures.Im Fokus dieser Arbeit steht die Entwicklung von Metall-Nanodraht-Netzwerken für die Anwendung in transparenten Elektroden für organische Solarzellen. Eine breite Verwendung von organischen Solarzellen setzt eine kostengünstige Rolle-zu-Rolle Fertigung auf flexiblen und leichten Substraten voraus. Unter diesen Bedingungen leiden traditionell verwendete Metalloxid-Elektroden unter erheblichen Nachteilen, wie Brüchigkeit und Preis. Im Gegensatz dazu zeigen Metall-Nanodraht-Netzwerke deutlich bessere Eigenschaften und werden deshalb hier als alternative Elektroden untersucht. Die Netzwerke kombinieren die hohe Leitfähigkeit von Metallen mit einer hohen Transmittivität in Folge der netzwerkbedingten Apertur. Die Prozesskette von der Nanodraht-Abscheidung bis zur Zellintegration wird für Silber- und Kupferdrähte untersucht. Zwei Techniken für die Abscheidung werden präsentiert. Ein Tauchverfahren wird detailliert untersucht und die zugehörigen Parameter werden diskutiert. Für große Flächen wird eine Sprühbeschichtung als Alternative aufgezeigt. Da die abgeschiedenen Netzwerke eine schlechte Leitfähigkeit besitzen, sind Nachprozessierungsschritte notwendig um gute Leitfähigkeiten im Bereich von üblichen Elektroden wie Indium-Zinn-Oxid (ITO) zu erreichen. Die Rauheit der Nanodraht-Elektrode wird mit Hilfe einer glättenden Polymerschicht behoben. Auf den optimierten Elektroden werden organische Solarzellen aus kleinen Molekülen in einem thermischen UHV-Prozess abgeschieden. Die Zellen werden getestet und zeigen Eigenschaften vergleichbar zu üblichen transparenten Elektroden. Zusätzlich wird ein neuer Ansatz zur Herstellung von ausgerichteten Netzwerkstrukturen demonstriert. Der zusätzliche Grad an Ordnung wird für die Untersuchung von optischen Effekten an Silberdraht-Netzwerken genutzt. Weiterhin zeigen diese ausgerichteten Netzwerke eine anisotrope Leitfähigkeit. Dieser Effekt wird diskutiert und Simulationen werden durchgeführt, um die Beobachtungen zu verifizieren. Die Freiheit in der Netzwerkstruktur wird für eine Verbesserung der Leitfähigkeit genutzt