Application of coplanar dielectric barrier discharge for modification of printed functional coatings

Mgr. Július Vida, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Poptávka po efektivnějších zařízeních pro získávání energie, systémech skladování energie, senzorech a dalších elektronických zařízeních vede k hledání nových materiálů s vylepšenými vlastnostmi a také nových metod zpracování. Nejmodernější elektronická zařízení na bázi křemíkových substrátů nesplňují požadavky na levné výrobní kroky, které v poslední době zahrnují výrobu roll-to-roll na flexibilních substrátech. Proto je použití nových materiálů často spojeno s vývojem nových výrobních metod pro rychlé, velkoplošné a nízkoteplotní úpravy. Nízkoteplotní plazma je stále více využíváno pro úpravu povrchů materiálů. Vysoké koncentrace energetických částic přítomných v plazmě mohou interagovat s bezprostředním povrchem upravovanýho materiálu a vyvolávat chemické reakce a strukturální změny. V oblasti tištěné elektroniky se plazmová úprava stále více používá jako náhrada chemických metod pro čištění substrátů a zlepšení tisku. Po depozici může být plazma také použita jako náhrada za tepelné sintrování, čímž se sníží teplota zpracování a umožní se použití flexibilních substrátů citlivých na teplotu. V této disertační práci prezentujeme aplikace velkoplošného plazmatu difuzního koplanárního povrchového bariérového výboje (DCSBD) pro čištění transparentních vodivých substrátů, sintrování tištěných nanočástic a modifikaci elektronických vlastností upravovaných materiálů. Diskutujeme změny vyvolané na povrchu plazmovým zpracováním. Kvalitu procesu demonstrujeme porovnáním účinnosti perovskitových solárních článků s plazmově zpracovanými vrstami a zařízeními se standardním zpracováním.

Abstract:

The demand for more efficient energy harvesting, energy storage systems, sensors, and other electronic devices has driven the search for new materials with enhanced properties as well as new processing methods. The state of the art electronic devices based on silicon substrates do not meet requirements for low-cost fabrications steps, which recently involve roll-to-roll manufacturing on flexible substrates. Therefore, the utilization of novel materials is often linked to a development of new manufacturing and fabrication methods demanding fast, large-area and low-temperature processes. Non-thermal plasma is increasingly used for modification of surfaces of materials. High concentrations of energetic species present in plasma can interact with the immediate surface of the treated material inducing chemical reactions and structural changes. In the field of printed electronics plasma treatment is increasingly used as a substitution for chemical methods for cleaning of substrates and improving of printability. After deposition plasma can also be used as a substitution for thermal sintering thus lowering processing temperature and enabling flexible temperature-sensitive substrates. In this dissertation we present applications of large-area plasma of the diffuse coplanar surface barrier discharge (DCSBD) for cleaning of transparent conductive substrates, sintering of printed nanoparticles, and modification of electronic properties of treated materials. We discuss the changes induced on the surface by plasma processing. We demonstrate the quality of the process by comparing performance of perovskite solar cells with plasma-processed films to devices with standard processing.

Keywords

printed electronics, atmospheric pressure plasma, dielectric barrier discharge, plasma sintering, electronic properties, surface modification, DCSBD

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 11. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 23. 1. 2024
• Supervisor: doc. RNDr. Tomáš Homola, PhD.
• Reader: doc. Ing. Miroslav Mikolášek, PhD., doc. Ing. Tomáš Syrový, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Plasma Physics