Thin film photovoltaic is a key technology to reduce greenhouse gas emissions and achieve an energy transition to renewable energy production by utilizing solar power. Organic thin film photovoltaics can be fabricated cost-effectively by fully solution-based processes. Another advantage is the possibility for stretchable, flexible and shape-adaptable devices. New materials as transparent conductive electrodes for organic solar cells (OCS) as well as touch panels, flexible displays or smart clothing are a crucial part of the aforementioned devices. Nanostructured materials have attracted a lot of interest because of their excellent mechanical and electrical properties.
In this work the mechanical integrity of silver nanowire (NW) electrodes was investigated. Advanced in situ electron microcopy techniques were employed to perform a scale bridging analysis on the deformation modes in single fivefold twinned Ag NWs and NW networks in correlation with electrical measurements. At small-scale in situ TEM tensile tests of single NWs directly reveal dislocation nucleation and a localized deformation before fracture. The mechanical characteristics of single NWs were determined by tensile and wire-wire bending tests. A size effect of strength under tensile stress were found. Bending and tensile tests of networks at small-scale confirmed a high adhesion of the Ag NWs to the substrate and a significant influence of the wire orientation with respect the loading direction. Precise force and displacement measurements were realised by digital image correlation (DIC) and microelectromechanical system (MEMS) based devices.
Going up in scale, aligned Ag NW networks were fabricated utilizing the shear forces in doctor blading. A custom-built straining stage was designed for large-scale SEM tensile straining tests of NW networks, which enabled to measure the resistance parallel to straining tests. It was found that the anisotropy of NW networks can be utilized to sustain a high conductivity during straining tests, when the majority of the NWs is aligned perpendicular to the straining direction. Moreover, these tests evidenced the effective welding of NWs by low temperature annealing. A key result is that the deformation mechanisms of Ag NWs can be categorized by three modes. Deformation mode I is tensile fracture, mode II is kink formation due to compression and mode III is bending due to the constraints in a NW network. Transverse compressive stresses occur in tensile tests due to the plastic Poisson effect, which was also utilized to perform compression tests of single NWs. Moreover, it is noteworthy that deformation in all three modes is highly localized. This can be traced back to dislocation multiplication and truncation of slip planes at the five twin boundaries, as it was confirmed in molecular dynamics simulations and high resolution TEM investigations. The effect of encapsulation of NWs in OSCs on their stability and mechanical performance was evaluated by X-ray tomography and energy-dispersive X-ray spectroscopy.
Overall, this work demonstrates a scale bridging and correlative approach that enables to deduce the performance of the NW electrode at large-scale back to the deformation modes of NWs and the involved crystallographic defects. The insights gained from this study contribute to pave the way further to improve fabrication and design strategies of flexible and stretchable devices. This can contribute to increase the lifetime of flexible devices like solar cells and boost their efficiency.Die Dünnschicht–Photovoltaik ist eine Schlüsseltechnologie, um eine Energiewende hin zu erneuerbaren Energien durch Ausnutzung der Sonnenenergie und die Reduzierung der Treibhausgasemission zu erreichen. Organische Dünnschicht-Photovoltaik kann durch lösungsprozessierte Drucktechniken kosteneffizient realisiert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass flexible, verformbare und dadurch individuell anpassbare Module möglich sind. Neue Materialien als transparente, leitende Elektroden sind ein essentieller Bestandteil in organischen Solarzellen sowie Touchpanels, flexiblen Displays oder Kleidung mit integrierten Sensoren. Nanostrukturierte Materialien haben sehr großes Interesse hervorgerufen, da sie ausgezeichnete mechanische und elektrischen Eigenschaften zeigen.
Diese Arbeit untersucht die mechanische Integrität von Silber-Nanodraht-Elektroden. Mit Hilfe fortgeschrittener in situ Elektronenmikroskopiemethoden wurde eine Längenskalen übergreifende Analyse der Verformung in fünffach verzwillingten Einzeldrähten und Netzwerken sowie der Einfluss auf die Leitfähigkeit untersucht. Auf Nanometerebene konnte in in situ Zugversuchen von Einzeldrähten die lokalisierte Verformung durch Versetzungen direkt beobachtet werden. Die mechanischen Eigenschaften der Einzeldrähte wurden durch Zug- und Biegeversuche bestimmt. Dabei wurde ein Größeneffekt der Festigkeit festgestellt. Biegebalken und Zugversuche von Netzwerken im Mikrometerbereich bestätigten eine hohe Adhäsion der Nanodrähte zu den Polymersubstraten und einen signifikanten Einfluss der Nanodrahtorientierung bezüglich der angelegten Spannung auf die Verformungsmechanismen. Die lokale Dehnungsverteilung sowie präzise Kraft-Weg Kurven während der Verformung wurden zum einen über digitale Bildkorrelation und zum anderen durch Mikrosystemtechnik (MEMS) basierte Verfahren gemessen.
Weiterhin wurden großflächige Netzwerke mit einer bevorzugten Ausrichtung der Drähte hergestellt. Die Texturierung ist durch die Scherkräfte zwischen Rakel und Substrat bei der Beschichtung möglich. Es wurde gezeigt, dass die Anisotropie der Netzwerke, bei denen die Drähte überwiegend senkrecht zur Zugrichtung ausgerichtet sind, genutzt werden kann, um unter Verformung eine hohe Leitfähigkeit aufrecht zu erhalten. Ein neu entwickelter Versuchsaufbau ermöglichte Widerstandsmessungen während der Verformung der Netzwerke in einem Rasterelektronenmikroskop. Zudem bestätigen die Zugversuche das erfolgreiche Verschweißen der Drähte an Kreuzungspunkten durch geringen Temperatureinfluss. Ein wesentliches Ergebnis der Studie ist, dass die Verformung der Nanodrähte durch drei Mechanismen beschrieben werden kann: Versagen unter Zugspannung, Knickbildung durch Kompression und Biegung aufgrund der gegenseitigen Beeinflussung der Drähte im Netzwerk. Eine Querkontraktion entsteht in Zugversuchen dünner Filme aufgrund des plastischen Poisson-Effekts. Weiterhin ist beachtenswert, dass die Verformung der Nanodrähte in den drei Fällen stark lokalisiert ist. Dies ist auf die Versetzungsmultiplikation und das Blockieren von Gleitsystemen durch die fünf Zwillingsgrenzen zurückzuführen und wurde durch molekulardynamische Simulationen und hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopieuntersuchungen bestätigt. Der Einfluss von verkapselten Nanodrähten in organischen Solarzellen auf die Stabilität und deren mechanisches Verhalten wurde durch Röntgenspektroskopie und – tomographie untersucht.
Insgesamt wurden im Rahmen der Arbeit verschiedene mikroskopische Methoden entwickelt und verbessert, um die Anwendung der Silberdrahtelektroden Größenskalen übergreifend und korrelativ zu evaluieren. Dieser Ansatz ermöglicht zudem das Verformungsverhalten der Elektroden auf die entstandenen kristallographischen Defekte zurückzuführen.
Die gewonnenen Erkenntnisse tragen dazu bei, verbesserte Herstellungsverfahren und Designs für flexible und verformbare Module zu entwickeln. Als Folge davon können beispielsweise die Lebensdauer und Effizienz von organischen Solarzellen weiter gesteigert werden
