Fabrication of PEDOT:PSS/silver nanowire based films for the development of transparent heating systems

Abstract

Transparent and flexible heating systems have become increasingly important for applications such as in defrosting windows, sensors, or heating displays. PEDOT:PSS and silver nanowire (AgNW) films offer the possibility of high transparency, flexibility, and conductivity, making them promising substitutes for ITO, the most used material in these systems. In this work, these films were studied with the aim of utilizing screen-printing as a reproducible method to produce effective transparent and flexible heating systems with low input voltages. With that purpose, AgNWs were synthesized and the effect of different factors on the films’ resistances was studied: the films’ thickness; PEDOT:PSS modifications with water, PEG, glycerol, methanol, or DMSO; post-treatments with methanol, DMSO, CTAB or sodium borohydride, and the utilization of sintered AgNWs, an ionic liquid, and PVA. The results showed that depositing a layer of AgNWs on PEDOT:PSS decreased its resistance slightly, while another layer of PEDOT:PSS decreased it considerably. Modifying PEDOT:PSS and post-treating it with methanol had an insignificant effect on the resistances, while post-treatment with DMSO generally lowered them. Utilizing sintered AgNWs, an ionic liquid, PVA, or post-treating the films in CTAB or sodium borohydride was ineffective. As such, it was concluded that the resistance depended mainly on the thick ness of the films. When characterized thermally with an input voltage of 12 V, most films showed an insignificant increase in their temperature. Nevertheless, films with two manually deposited layers of PE DOT:PSS post-treated with methanol with a layer of AgNWs, and films with screen-printed PEDOT:PSS with a big mesh size and a layer of AgNWs were able to increase their temperature values by almost 5 °C. In conclusion, different methods were studied to improve the conductivity of films for transparent and flexible heating systems, which showed that the films’ thickness is a key factor in their resistance and, consequently, in their heating abilities.

Sistemas de aquecimento transparentes e flexíveis têm ganhado importância em aplicações como o desembaciamento de janelas, em sensores ou no aquecimento de displays. Os filmes de PEDOT:PSS e nanofios de prata (AgNWs) podem atingir alta transparência, flexibilidade e condutividade, tornando-os substitutos promissores do ITO, o material mais usado nestes sistemas. Neste trabalho, estes filmes foram estudados com o objetivo de utilizar a serigrafia como um método reprodutível para produzir sistemas de aquecimento transparentes e flexíveis eficazes com baixas voltagens de entrada. Assim, AgNWs foram sintetizados e foi estudado o efeito de vários fatores nas resistências dos filmes: espessura dos filmes; modificações do PEDOT:PSS com água, PEG, glicerol, metanol ou DMSO; pós-tratamentos com metanol, DMSO, CTAB ou borohidreto de sódio, e utilização de AgNWs sinterizados, de um líquido iónico, e de PVA. Os resultados mostraram que a deposição de uma camada de AgNWs sobre PEDOT:PSS diminuiu ligeiramente a resistência, enquanto outra camada de PEDOT:PSS a diminuiu consideravelmente. As modificações do PEDOT:PSS e o pós-tratamento com metanol tiveram um efeito insignificante nas re sistências, enquanto o pós-tratamento com DMSO geralmente teve um efeito redutor. A utilização de AgNWs sinterizados, líquido iónico, PVA, ou o pós-tratamento dos filmes com CTAB ou borohidreto de sódio foram ineficazes. Como tal, concluiu-se que a resistência dependia principalmente da espessura dos filmes. Quando caracterizados termicamente com uma voltagem de entrada de 12 V, a maioria dos filmes teve um aumento insignificante na sua temperatura. No entanto, filmes com duas camadas de PE DOT:PSS depositadas manualmente e pós-tratadas com metanol e com uma camada de AgNWs, e filmes com PEDOT:PSS serigrafado com um grande tamanho de malha e uma camada de AgNWs, aumentaram a sua temperatura cerca de 5 °C. Em conclusão, foram estudados diferentes métodos para melhorar a condutividade de filmes para sistemas de aquecimento transparentes e flexíveis, tendo-se observado que a espessura dos filmes é um fator chave na sua resistência e, consequentemente, no seu aquecimento.