許秋將樣品托放在手套箱的傳送艙內,並不急著拿出來。
他跟隨學姐,來到外量子效率的測試儀器旁,這裡有一台電腦和一個黑色的箱體。
箱體在關閉狀態下的遮光性很好。
打開箱體後,它的內部有光源、透鏡、電源、檢測器、升降平台,其中光源可以發射不同波長的單色光。
陳婉清開始操作示範。
她把標準矽電池放在升降平台上,並將其與電源和檢測器連接,然後調節透鏡,使光斑完全打在矽電池表面。
標準矽電池是10厘米×10厘米的,而光斑很小,所以操作起來沒有什麼難度。
接著打開電腦,開啟測試軟體,設置參數。
掃描區間設置為300-800納米,步長設置為10納米
開始測試。
儀器「噹噹當」的運轉起來,電腦上實時顯示測試結果。
橫坐標為波長,縱坐標為EQE值,從300納米開始,每隔10納米,產生一個數據點。
測試完成後,軟體根據測試結果自動進行校準。
「學姐,接下來的操作換我來吧。」許秋已經通過系統影像提前看了一遍操作流程。
「你確定?等下測樣品時光斑聚焦可不容易哦。」陳婉清道。
「沒事,你放心。」
「好呀。」陳婉清說完將位置讓給許秋。
許秋從傳送艙將樣品托取出,石英玻璃窗口的那一面朝上,放在升降平台上,將探針與電源和檢測器連接。
接下來,要將光源的光斑聚焦在待測電池上。
這步操作確實比較難,因為每個電池器件的面積僅有0.09平方厘米。
如果光斑沒有完全照射在這個範圍內,那麼範圍外的光能將會損失,最終測試結果就會偏低。
不過這難不倒許秋,他耐心調試了一會兒,便將光斑調好,啟動測試。
「你這操作可以啊。」陳婉清讚嘆道。
「基本操作而已,不值一提。」許秋隨意擺擺手道:「話說,為什麼電池器件的面積要做的這么小呢,做一個1平方厘米的不好嗎?」
「因為電池面積越大,光電轉換效率就越低啊,」陳婉清道:
「現階段為了獲得高效率,大部分課題組都是做小面積的,一般國際慣例是0.09或0.04平方厘米,不過也有比較誇張的課題組,會做0.01平方厘米的器件。」
「讓我想想,」許秋思考了一會兒,說道:
「我明白了,我們旋塗出來的有效層薄膜,肉眼看上去幾乎是均勻的,但其實每個區域都有細微的差別。
比如一個0.09平方厘米的器件A,將其均分為9部分A1-A9,每一部分面積0.01平方厘米。
A1-A9的光電轉換效率可能在5.0-5.5%之間波動,那麼最終A的效率約為5.25%。
最後比較最高效率,0.09大面積的差不多在5.3%左右,而0.01小面積的則是5.5%,甚至能夠波動到更高的數值。
是不是這個原因呢,學姐。」
「是呀,差不多就是這個樣子,現在有機光伏還處於實驗室階段,所以沒有統一的標準,」陳婉清道:
「我之前還看到一篇文獻,標題上寫著光電轉換效率達到了15%以上,結果一看期刊是個SCI二區的。
我當時就震驚了,這就算發不了《自然》、《科學》,也能發一個它們的大子刊。
然後我就仔細看了正文,發現原來它用的是單色光,而不是模擬的太陽光,就是在標題搞了個噱頭而已。」
…………
樣品測試結束。
EQE曲線的形狀大體上和有效層的光吸收光譜差不多,通過軟體內自帶的積分功能,可計算出理論上的短路電流密度。
這個樣品的理論結果是11.96毫安每平方厘米,J-V曲線實測結果是12.05毫安每平方厘米。
兩者誤差在5%之間,表明後者的測試結果可信。
之後,許秋又測試了另外的五組器件。
到下午五點十五分,全部測試完畢。
「學姐預測的挺准啊,今天果然不用加班。」許秋道。
「熟能生巧嘛,」陳婉清道:「對了,晚上去吃什麼?」
「怎麼,學姐要請客嗎?」
「上周不是答應你了嘛。」
「我當時就是開個玩笑,這怎麼好意思,那就去吃哥老關火鍋吧。」
「好呀。」
因為是周五晚上,吃火鍋的人還是比較多的。
許秋取了個號,A65,前面還有12桌,估計要等一個小時左右。
等待期間,他也沒閒著,向陳婉清請教問題。
雖然閱讀文獻也可以獲得答案,但是真人指導效果自然是更好的。
搞科研是個系統的工作,遇到的各個細節都要弄明白,保不准哪天就會用上。
因為每測試的每一個數據,最終都要轉化為對結果的論證,總不能在寫論文時,告訴別人,我們測試了一個XXX,得到的數據是XXX,然後就截然而止。
必須對所得數據進行分析,討論它與論文結論的關係。
如果是比較異常的結果,無法解釋,那也要說明「這個現象我們暫時無法解釋」,但這樣的話出現一兩次還可以,通篇都是「我們無法解釋」的話,就會被審稿人教做人了。
「剛才測試時,我發現我們做的器件,大多數波長下的EQE值都在60%以下,而矽電池卻能到80%以上,這是為什麼呢。」許秋問道。
「簡單來說,就是現在使用的P3HT材料存在很多問題,需要改進。
如果要具體展開來說,首先你要知道太陽能轉化為電能的過程:
太陽光照射出光子,光電材料組成的有效層吸收光子,其內部產生電子-空穴對,然後電子-空穴對拆分為自由電荷、自由電荷在材料內輸運,接著在電極處被收集,最終形成電流。
這個過程很複雜,中途任何一個步驟出現問題,都會導致電流損失,表觀上看到的就是EQE低。」陳婉清道。
「我懂了,」許秋道:「所以人們就基於P3HT,進行改進,到現在最好用的給體材料就是PTB7-TH。」
「是啊,有機光伏領域發展了20年,材料也疊代了好多代,包括PTB7-TH,你知道它為什麼叫這個名字嗎?」陳婉清問道。
許秋搖搖頭,他也只是知道一個名稱而已。
陳婉清解釋道:
「這是一個系列的材料,其中T表示噻吩並噻吩單元,B表示苯並噻二唑單元,P表示它是由這兩個單元共聚而成的聚合物,所以最早它是叫PTB。
後來研究者們又基於PTB,對其進行改性,得到PTB2、PTB3,一直到PTB7。
再將PTB7上一個支鏈上的苯環改為噻吩環,所以加上了一個噻吩的縮寫-TH,就得到了現在的PTB7-TH。
而且,這20年來,主要改進的方向都是聚合物給體材料,受體一直使用的都是PCBM系列。
或許將來某一天,受體領域也能夠取得突破,對有機光伏領域造成翻天覆地的改變吧。」
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