metallic nanowire networks : silver nanowire network stability enhancement using metal oxide coatings, Percolation onset of nano-object network

Cette étude est axée sur l’élaboration et l'optimisation d'électrodes transparentes (TE) basées sur des réseaux de nanofils d'argent (AgNW). Les TE constituent l'un des principaux composants de nombreux dispositifs modernes tels que les cellules solaires, les diodes électroluminescentes, les fenêtres intelligentes, les films chauffants transparents et les panneaux d'affichage. Ces dispositifs exigent une transmission optique élevée (> 90 %), une faible résistance électrique et, dans certains cas, une grande souplesse mécanique. Actuellement, le matériau le plus commercialisé pour les TE est la famille des oxydes conducteurs transparents (TCO) et l'oxyde d'indium dopé à l'étain (ITO) est le TCO leader sur le marché des TE. Malgré les très bonnes propriétés électro-optiques de l'ITO, il présente des inconvénients, notamment la rareté des ressources en indium, les techniques de dépôt sous vide et coûteuses, la grande quantité d'indium nécessaire et enfin la faible flexibilité mécanique. Les réseaux percolants composés de nanofils métalliques (MNW) à fort rapport d'aspect, principalement des AgNW, sont des candidats prometteurs parmi les matériaux émergents pour remplacer les électrodes à base d'ITO.En utilisant la méthode de spray, des réseaux AgNW ont été déposés sur du verre, avec une résistance de feuille de 5,9 Ωsq-1 et une transmission optique à 500 nm de 84,3%. Cependant, l'absence de stabilité thermique et électrique suffisante, la tendance des MNW à l'oxydation ou à la sulfuration, la rugosité de surface élevée et la mauvaise adhérence des MNW aux substrats sont parmi les principaux inconvénients. L’amélioration de la stabilité a été le principal objectif des études expérimentales dans le cadre de cette thèse. Nous avons choisi des couches minces d'oxydes métalliques (quelques dizaines de nanomètres) pour améliorer la stabilité des TE à base d'AgNW. L'AP-SALD a été utilisée pour déposer des revêtements de haute qualité de ZnO et Al2O3. Nous avons confirmé que les revêtements de ZnO et d'Al2O3 peuvent améliorer considérablement la stabilité électrique, thermique et de vieillissement des réseaux AgNW ; plus l'épaisseur de l'oxyde est importante, plus la stabilité est élevée. Des revêtements bicouches de ZnO/Al2O3 ont été proposés et testés. Le revêtement Al2O3 a été utilisé comme revêtement anti-reflet sur les films ZnO. Enfin, la flexibilité mécanique des réseaux AgNW nus, revêtus de ZnO et de ZnO/Al2O3 bicouches a été mesurée et a montré une supériorité significative par rapport aux électrodes ITO de référence.Nous avons également utilisé des simulations de Monte Carlo pour étudier la percolation des réseaux composés de nano-objets aléatoires avec différents ordres de symétrie afin de trouver les formes élémentaires ayant le seuil de percolation le plus bas possible. Nous avons observé que la prise en compte d'un ordre de symétrie optimal des nano-objets, tels que les nano-étoiles, peut entraîner une diminution de la densité surfacique de matière jusqu'à 50 % par rapport à des réseaux similaires composés de nanofils. Ces résultats peuvent être utilisés comme guide pour les chimistes afin de synthétiser de nouvelles formes de nano-objets. Enfin, nous nous sommes concentrés sur l'efficacité de collecte des TE basées sur les MNW pour les cellules solaires en étudiant l'effet de paramètres tels que la densité du réseau MNW, la longueur NW et les longueurs de diffusion des porteurs de charge photo-générés dans le matériau actif. Nos résultats indiquent, pour chaque type de cellules solaires et longueur des NW, quelle serait la densité de réseau idéale pour optimiser la performance des électrodes. Nous pensons que l'amélioration de notre modèle peut fournir une ligne directrice fiable pour concevoir une TE pour une application ciblée de cellules solaires, de la géométrie NW au niveau des propriétés du réseau.This study is focused on the fabrication and optimization of Transparent Electrodes (TEs) based on silver Nanowires (AgNW) networks. The TEs are one of the main components of many modern devices such as solar cells, Light Emitting Diodes, smart windows, transparent heaters and, display panels. These devices require high optical transmittance (above 90%), low electrical resistance, and in some cases, high mechanical flexibility. Currently, the most commercialized material for TEs is Transparent Conductive Oxides (TCOs) and Indium-doped tin oxide (ITO) is the leading TCO in the TEs market. Despite the great electro-optical properties of ITO, there are drawbacks associated with it including the scarcity of indium resources, expensive and vacuum-required deposition techniques, a high amount of required indium, and poor mechanical flexibility. Percolative networks composed of high-aspect-ratio Metallic Nanowires (MNWs), mainly AgNWs, are promising candidates among emerging materials to substitute ITO based electrodes.Using the air-brush spray procedure described in this thesis, AgNW networks were deposited on Corning glass, with a sheet resistance of 5.9 Ωsq−1 and optical transmittance at 500 nm (without subtracting the substrate contribution) of 84.3%. However, despite such excellent electro-optical properties, there are drawbacks associated with AgNW based TEs. Lack of sufficient thermal and electrical stability, the tendency of MNWs to oxidation or sulphidation, high surface roughness, and poor adhesion of MNWs to the substrates are among major disadvantages. Addressing the lack of efficient stability, was the main focus of experimental studies in the scope of this thesis. We have chosen thin coatings of metal oxides (a few tens of nanometers) to enhance the stability of AgNW based TEs. AP-SALD was used to deposit high-quality coatings of ZnO and Al2O3. We have confirmed that the coatings of ZnO and Al2O3 can dramatically improve the electrical, thermal, and aging stability of AgNW networks, the higher the oxide thickness, the higher the stability. Furthermore, to find a trade-off between the reproducibility of ZnO-coated AgNW networks and the high optical performance of Al2O3-coated ones, bilayer coatings of ZnO/ Al2O3 has been proposed and tested. Al2O3 coating has been used as an anti-reflective coating over ZnO films. Samples of bilayer ZnO/ Al2O3 coatings showed excellent stability after 6 cycles of annealing from room temperature to 450 °C. Finally, the mechanical flexibility of bare, ZnO and bilayer ZnO/ Al2O3-coated AgNW networks was measured and showed significant superiority compared to reference ITO electrodes. The results presented in this work indicate a path to low-cost, highly stable, and transparent composite electrodes based on AgNWs and oxide coatings.Also, we have used Monte Carlo simulations to investigate the percolation behavior of networks composed of random nano-objects with different orders of symmetry to find the elemental shapes with the lowest possible percolation threshold. We observed that considering an optimum order of symmetry of nano-objects, like branched NWs and nano-stars, can lead to a decrease in material areal density down to 50% compare to similar networks composed of sticks. These findings can be used as a guideline for chemists to synthesize new shapes of nano-objects. Finally, we focused on the collection efficiency of MNW based TEs for solar cells studying the effect of parameters such as MNW network density, NW length, and Diffusion lengths of photo-generated charge carriers in the active material. Our findings indicate for each type of solar cells and NW length, what would be the ideal network density to optimize the performance of electrodes. We believe that improving our model can provide a reliable guideline to design a TE for a targeted solar cell application from the NW geometry to network properties level