Self-assembled nanostructures for photon management in optoelectronic devices
Creators: name: Donie, Yidenekachew Jenberu
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Nanofabrication
Self-assembly method
Additive manufacturing
Light management
Optoelectronic devices
printed electronics

description: Für den Erfolg der Photovoltaik (PV) und der organischen Leuchtdioden (OLED) sind erhebliche Fortschritte bei der Kostensenkung und Effizienzsteigerung erforderlich. Beide Ziele können durch den Einsatz von Nanostrukturen für das Photonenmanagement gleichzeitig erreicht werden. Die grundlegenden Ziele des Photonenmanagements sind die Verringerung der Reflexion des einfallenden Lichts, die Verbesserung der Absorption oder die Verstärkung der Auskopplung sowie die Anpassung der optischen Eigenschaften eines Bauelements für den Einsatz in verschiedenen Arten von Energieumwandlungssystemen. Für eine optimale Effizienz von Solarzellen und OLEDs sollten die Nanostrukturen einen erweiterten Spektral- und Winkelbereich aufweisen. In dieser Hinsicht hat das Photonenmanagement auf der Grundlage ungeordneter Nanostrukturen in vor kurzem große Aufmerksamkeit erregt. Solche photonischen Schichten arbeiten in einem breiteren Spektralbereich als vergleichbare periodische Strukturen und besitzen optische Eigenschaften, die im Gegensatz zu rein zufälligen Strukturen leicht vorhergesag- und eingestellbar sind. In dieser Arbeit wird das Photonenmanagement durch planare, ungeordnete 2D-Nanostrukturen für optoelektronische Dünnschichtbauelemente vorgestellt. Die Nanostrukturen sind so konzipiert, dass sie als antireflektierende oder effizient streuende Strukturen fungieren, deren primäres Ziel es ist, die optische Absorption von Dünnschicht-Solarzellen zu verbessern und ihre Energieumwandlungseffizienz zu erhöhen. Die entwickelte Methodik und die Strukturen haben direkte Auswirkungen auf den Bereich der OLED-Bauelemente. Die entwickelten Strukturen eingesetzt, um die Auskopplungseigenschaften von OLEDs zu verbessern, die einen vergleichbaren spektralen Wirkungsbereich wie Solarzellen besitzen. Voraussetzung für alle experimentellen Untersuchungen ist eine ausgereifte Herstellungsmethode zur Erzeugung von Nanostrukturen mit kontrollierbaren Störungseigenschaften, bei der eine vielseitige, großflächige nasschemische Methode eingesetzt wird, die auf der lateralen Phasentrennung einer Polymermischung beruht. Diese nasschemische Methode wird häufig durch Schleuderbeschichtung durchgeführt, die es nicht erlaubt, phasengetrennte Nanostrukturen (PSN) in beliebige 2D-Designs einzubauen, wie es für ihren Einsatz in kommerziellen Produkten erforderlich ist. Andererseits können additive Fertigungsverfahren wie Tintenstrahldrucker nahezu jede geometrisch komplexe Form im Mikrometer- bis Makromaßstab herstellen. Da die meisten herkömmlichen Tintenstrahldrucker jedoch nur eine Auflösung im Mikromaßstab aufweisen, sind sie für die Entwicklung von nanostrukturierten Materialien und Bauelementen noch nicht geeignet. In dieser Studie werden erstmals beide Mängel behoben und gleichzeitig die kostengünstige Attraktivität und Vielseitigkeit der Phasentrennung durch Homopolymermischungen bewahrt, indem die einzigartigen Vorteile des Tintenstrahldrucks genutzt werden. Unter optimierten Bedingungen werden digital druckbare PSN vom Mikrometer- bis in den Sub-100 nm-Bereich nach einem vorgegebenen 2D-Layout realisiert. Diese PSN können auf verschiedenen starren und flexiblen Substraten mit einer Geschwindigkeit von 45 cm/s hergestellt werden. Der vorgeschlagene Ansatz eröffnet außerdem zahlreiche neue Möglichkeiten für die Nanofabrikation, einschließlich der dynamischen Variation von PSN während des Tintenstrahldrucks, entweder durch Anpassung der Druckauflösung von Pixel zu Pixel für eine bestimmte Tintenformulierung oder durch die Verwendung mehrerer Polymer-Tinten. Darüber hinaus werden PSN in der Regel aus Polymeren mit niedrigen Glasübergangstemperaturen hergestellt, was ihre praktische Bedeutung für die Nanoimprint-Lithografie (NIL) einschränkt, da solche PSN bei hohem Druck und hoher Temperatur zu Verformungen in der Prägeebene neigen. Um dieses Manko zu überwinden, werden in dieser Arbeit die einzigartigen Vorteile eines anorganisch-organischen Hybridpolymers (OrmoStamp) genutzt, welches in der Industrie bereits als Material für Prägestempel in der UV- und thermisch basierten NIL bekannt geworden ist. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal gezeigt, dass Nanostempel auf der Basis von PSN (aus OrmoStamp) direkt auf verschiedenen starren und flexiblen Substraten mit Hilfe eines Phasentrennungsprozesses hergestellt werden können. Dies ermöglicht den direkten Einsatz von PSN in der NIL ohne zusätzliche lithographische oder replikative Zwischenschritte. So können schleuderbeschichtete und gedruckte sowie geprägte PSN das Photonenmanagement in vielfältigen nanophotonischen Anwendungen verbessern, wie hier durch ihren Einsatz in Solarzellen und OLEDs zur Steigerung der Leistungseffizienz demonstriert wird. Für Solarzellen werden zwei verschiedene optische Managementtechniken erforscht. Die erste Methode konzentriert sich auf die Entwicklung von lichtstreuenden Schichten für Solarzellen, entweder durch eine Bottom-up- oder eine Top-down-Strategie. Bei der Bottom-up-Strategie werden PSN in die Rückseite von Solarzellen aus hydrogeniertem amorphem Silizium (a-Si:H) eingebracht, bevor ein Reflektor abgeschieden wird, um lichtstreuende Reflektoren zu realisieren. Diese lichtstreuenden Reflektoren erzielen einen besseren Wirkungsgrad als ein Bauelement, das auf einem kommerziellen lichtstreuenden Substrat basiert. Darüber hinaus werden ergänzende optische Simulationen an einem akkuraten 3D-Modell durchgeführt, um die überlegenen Lichtsammeleigenschaften der entwickelten Streureflektoren zu analysieren und allgemeine Designregeln abzuleiten. In der Top-Down-Strategie werden PSN verwendet, um eine Resist-Ätzmaske zu strukturieren, die für die Übertragung ungeordneter Nanolöcher in eine dünne a-Si:H-Schicht durch Trockenätzung verwendet wird. Die Studie begann mit der Durchführung dreidimensionaler optischer Simulationen, um die Auswirkungen der Unordnung auf die ursprünglich periodischen Anordnungen von Nanostrukturen systematisch zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Simulationen zeigen, dass quasi-ungeordnete Strukturen zu breiteren Spektral- und Winkelantworten führen, was für PV-Anwendungen eindeutig von Vorteil ist. Nach dem Top-Down-Ansatz wird eine Verbesserung der integralen Absorption um bis zu 93% bei normalem Einfall und um bis zu 200% bei großen Einfallswinkeln im Vergleich zu einem ungemusterten Absorber gezeigt.Darüber hinaus kann eine ähnliche Struktur als Nanostempel in einer Top-Down-Strategie dienen, wobei die Perowskit-Schichten durch die Nanostempel unter Verwendung eines thermischen NIL-Systems nanogeprägt werden. Für den nanostrukturierten Perowskitfilm wird eine erhöhte integrierte Absorption und eine gesteigerte Photolumineszenz von 7%$_{rel}$ bzw. 121%$_{rel}$ erzielt. Dieser Weg ebnet den Weg für Rolle-zu-Rolle verarbeitbare "photonisierte" Absorber. Die zweite Methode konzentriert sich auf die Entwicklung von Antireflexionsschichten durch zusätzliche Anpassung des PSN an die Abmessungen unterhalb der Wellenlänge. Das hier betrachtete Design besteht aus einer Frontelektrode, Indium-Zinn-Oxid (ITO), die formschlüssig auf die PSN aufgebracht wird. Im optimalen Fall führen die nanostrukturierten ITO-Elektroden zu einer Erhöhung des Transmissionsgrads um 7%$_{rel}$ im Vergleich zu planaren Referenzstrukturen. Die Antireflexionseigenschaften werden genutzt, um die Photostromdichte von 4-poligen Perowskit/Kristallsilizium (Perowskit/c-Si)-Tandemsolarzellen zu erhöhen. Perowskit/c-Si-Tandem-Zellen mit nanostrukturiertem ITO weisen eine höhere Kurzschlussstromdichte (2,9 mA/cm$^{2}$ absolute Verstärkung) und PCE (1,7% absolute Verstärkung) in der unteren c-Si-Solarzelle im Vergleich zur Referenz auf. Schließlich wird in dieser Arbeit die Bedeutung der genannten Erkenntnisse für das umgekehrte Problem - die Lichtextraktion in OLEDs - aufgezeigt. In der ersten untersuchten Konfiguration nutzt diese Arbeit die leicht abstimmbaren Lichtstreueigenschaften von ungeordneten Titandioxid-Nanosäulen, die aus einer selbstorganisierenden Struktur und einem lösungsmittelbasierten Lift-off-Prozess resultieren. Die anschließende Planarisierung dieser Nanosäulen durch eine dünne Epoxidschicht gewährleistet eine hervorragende Reproduzierbarkeit der Bauelemente - ein Aspekt, der bei nanowelligen Substraten oft kritisch ist - und bewahrt eine starke räumliche Überlappung der eingefangenen optischen Moden mit den lichtstreuenden Strukturen. Zur Veranschaulichung wird gezeigt, dass das vorgeschlagene Design die Effizienz einer von unten emittierenden OLED ($\mathbf{\lambda_{peak}}$=520 nm) um +22%$_{rel}$ und die Winkelemissionscharakteristik im Vergleich zu planaren Bauelementen verbessert. In der zweiten untersuchten Konfiguration werden im Tintenstrahldruckverfahren hergestellte lichtauskoppelnde PSN mit verschiedenen 2D-Designs getestet, wie sie für den Einsatz in gedruckten OLED-Bauelementen vorgesehen sind. Dabei wird ein transparentes Anodenmaterial direkt auf das PSN aufgebracht, was zu einer Strukturierung der Grenzfläche zwischen Anode und organischen Schichten und einer resultierenden Streuung der Wellenleitermoden führt. Eine OLED ($\mathbf{\lambda_{peak}}$=520 nm), die ein gedrucktes PSN enthält, weist bei einer Leuchtdichte von 1000 cd/m$^{2}$ im Vergleich zu einem planaren Referenzelement eine um 57% höhere Effizienz auf. Dieser Ansatz lässt sich in eine Hochdurchsatz-Fertigungsroutine integrieren und kann leicht auf andere OLED-Layouts erweitert werden.