不管背后的原因是什么,既然現在的器件效率已經超過了16,那么外量子效率EQE曲線就肯定要測試了。
于是,許秋向韓嘉瑩打了聲招呼:“我去給EQE的電腦開機,預熱一下,等會兒要測試。”
“好噠師兄”韓嘉瑩用甜膩膩的聲音說道,當只有他們兩個人在場的時候,學妹會比較放的開,而平常人多的時候,她就比較含蓄。
說完,學妹還開心的哼起了歌,“啦啦啦,啦啦啦啦,啦啦啦,啦啦啦啦……”,顯然是對自己拿到的16效率數據非常滿意。
許秋笑著搖了搖頭,走到旁邊的實驗臺,打開EQE的電腦。
在測試樣品的EQE曲線之前,還需要連接線路,測試標準硅電池的EQE曲線,進行標定。
其實,如果想偷懶的話,等下可以只測試最佳疊層體系的EQE曲線,這樣就比較省時間。
不過,從數據完備性的角度來講,最好還是全部都測試一遍。
因為萬一之后要用到某個數據,結果發現之前因為偷懶沒有測,那可能就需要把整個體系的器件全部重做一遍,再進行測試。
而且,有時候做一遍器件都不一定能拿得到所需要的數據,需要重復兩遍、三遍,甚至更多次。
尤其是要發表《科學》這種檔次的文章,對于數據完備性的要求非常高,在投稿的時候還需要額外上傳全部的原始數據文件。
而像平常投AM之類的文章就不需要上傳原始數據,只需要上傳正文文件以及支持信息即可。
許秋自然沒有選擇偷懶的做法,打算把所有器件都測試一遍。
主要也是因為現在是他和學妹兩個人合作進行實驗,一個負責JV曲線的測試,一個負責EQE曲線的測試。
同樣的工作量分攤開來,所花費的時間就只有原先的六七成,可能總共花費一個多小時就可以完成。
而現在距離晚上十二點還有三個小時,時間上肯定是來得及,不需要那么趕。
于是,許秋一心三用。
一邊操作EQE的電腦進行測試,一邊陪著學妹聊天,一邊在腦海中思考這次器件效率數據異常高的原因。
思來想去,許秋發現主要有兩個變量。
一方面,是實驗操作者的變化。
之前主要是由許秋自己和莫文琳進行疊層器件的制備,這回換成了韓嘉瑩。
雖說學妹也是自己教出來的,操作習慣上按理說應該和自己并無太大的差別,但許秋也不能完全排除這方面的可能性。
畢竟,人和人之間,多多少少還是有一些差異的。
不過,就算真的是這方面的因素,現在也無法驗證。
只能讓學妹下周過來,再做一批器件試試,看能不能把這個結果重復出來。
另一方面,平常許秋他們做疊層器件的時候,通常會算好時間,等蒸鍍完畢后直接進行測試,中途不會有太長時間的停留:
如果下午五點半前能來得及測試完畢的話,那就下午測試;
如果下午來不及完成測試,而數據又急著要的話,那就點外賣,加班把數據肝出來;
如果數據不急著要的話,那就延遲蒸鍍的開始時間,把蒸鍍預期完成時間安排到晚上七點半之后,這樣可以在休息過后進行實驗。
換言之,以前疊層器件的制備、測試等一系列過程是連續的。
而這次,學妹在下午五點多蒸鍍好疊層器件后,并沒有立即進行測試,然后讓蒸鍍好的器件又在蒸鍍艙的真空環境中放置了大概四個小時,一直到晚上九點左右,才開始進行的測試。
也就是說,這批器件的制備、測試中間,有了大約四個小時的空窗期。
如果放在平常,許秋肯定不會懷疑是這方面的原因,但現在他有些實在找不到原因了,只能從細節的地方著手考慮。
而且,有機光伏器件也比較特殊,它的有效層是一種多相共混的體異質結結構。
理論上,一旦器件被制備出來,只要不是處于絕對零度的條件下,有效層的形貌時時刻刻都在變化著。
也因此,即使是同一個器件,在不同時間去測試它,得到的結果都會是不同的。
只是人們一般不太會去考慮較短時間尺度下的器件性能變化,通常都是存放幾百、上千個小時,來驗證器件的穩定性。
因為短期器件的存放,會受到影響的因素太多,難以進行控制。
這時,許秋突然靈機一動,回憶起大約一年前,自己剛剛進入課題組的時候,田晴和他講述的一段實驗經歷:
“我周五蒸鍍好的器件,把它們放在了蒸鍍艙中存放,周日跑過來測試,器件效率居然比平常還高一些……”
自那以后,組里其他人做器件都是半天,或者一天完成一批;
而田晴就要拖到兩天,甚至三天才完成一批,只有偶爾來了實驗興致,她才會在一天內把器件給做完。
當時,許秋聽到田晴的解釋也沒有太過在意,只當她是在給自己劃水找借口。
現在想想,田晴當時可能并不是在說謊,她確實發現了一個獨特的實驗現象。
而且,她說的這個現象,或許也是具有普適性的,比如在疊層器件中同樣適用。
也就是說,當器件制備完成后,不立刻進行測試,而是讓它們在蒸鍍艙內的真空環境中放置一定的時間,有幾率會引起器件性能的提高。
這個變量比之前實驗者的那個變量要更加容易驗證一些。
許秋直接在模擬實驗室中開始操作,摸索不同體系的器件性能,隨蒸鍍完成后在蒸鍍艙內放置時間的變化趨勢。
其中,所選擇的體系包括各種經典二元單結體系,PCE10:PCBM、H22:ITIC等,以及最新的幾種疊層體系。
放置時間從0、1、3、6、9、12、18、24小時……不等。
接下來,繼續測試。
除了第一片器件的效率達到了16.15外,后面測到第七片的時候,再次出現了效率更加高的器件,達到了16.24,反超了模擬實驗室中16.22的結果。
而且,能更佳的第七片器件,加工條件并非是模擬實驗室中摸索出來的最優條件。
這倒是比較好理解,模擬實驗室中的最優條件其實是針對于許秋的實驗操作,現在出現了兩個新的變量,最優條件大概率也會隨之而改變。
最終,許秋和韓嘉瑩兩人在實驗室里忙活到了晚上十點五十分,終于把所有的數據都拿到手。
EQE曲線積分得到的短路電流密度與JV曲線中的結果基本一致,誤差在5以內,說明器件性能的數據是可靠的,16的效率數據是真實的。
結束實驗后,許秋發現自己并沒有之前想象中的那么勞累,感覺精力還是比較充沛的,可能是因為自己在手套箱外面工作,而且還可以坐在凳子上測試。
學妹的臉倒是有些紅彤彤的,不知道是累的,還是太過于激動開心的緣故。
因為距離電影開場還有一段時間,兩人選擇在216休整。
韓嘉瑩坐在許秋的腿上,陷在了許秋的懷中,就像電池插在了充電器上一般。
充了二十多分鐘電,學妹再次變得元氣滿滿,從許秋的身上彈了起來,歡快的說道:“下一站,電影院,我們沖鴨”
五角場,億達影院。
雖然是凌晨的首映,但因為疊加了跨年的因素,人還是比較多的。
觀影人群的主體以年輕人為主,大概率是周邊魔都綜合大學或者魔都財經大學的學生。
電影名字是“凹凸曼大戰毒液”,許秋之前看了看宣傳的簡介:
主要講述的是這兩位宛如神邸一般強大的對手,在一場壯觀的戰爭中相遇,彼時世界命運正懸于一線。
為了找到真正的家園,凹凸曼與他的保護者們踏上了一次艱難的旅程。
與他們一道前行的還有一個年輕的孤兒女孩……瑪利亞,這個女孩與凹凸曼之間存在著一種獨特而強大的緊密聯系。
但意想不到的是,他們在強行的航道上與憤怒的毒液狹路相逢,也由此在全球引起了一系列破壞。
一股無形的力量造成了凹凸曼和毒液之間的巨大沖突,深藏在地心深處的奧秘也由此揭開。
然后,許秋和韓嘉瑩他們具體看了下來,發現劇情大致就是:
凹凸曼遇到了毒液,他們打起來了,凹凸曼慘敗了,但沒有死……
接下來,走了走劇情,他們又遇到了,又打起來了,凹凸曼又慘敗了,但又沒有死……
反復幾次過后,凹凸曼和毒液他們發現,幕后有大BOSS在暗中操縱這一切。
于是,凹凸曼和毒液成為了朋友,一起合力干翻了大BOSS。
最終,皆大歡喜。
劇情嘛,算是中規中矩,打斗特效做的倒是非常不錯。
總體評分還是能給到7、8分的,值得一看。
電影結束后,眾人有序散場。
許秋和韓嘉瑩在大學路上手拉手,壓著馬路。
途徑一家快捷酒店,許秋撇了一眼學妹,見她走路的步伐似乎變慢了不少……
于是,許秋試探的問道:“身份證帶了嘛?”
然后,得到學妹低聲的回應:“嗯……”
兩人走進快捷酒店,許秋主動說道:“老板,來一間大床房。”
“不好意思,今晚沒有空余房間了。”
“我們換下一家?”
“好……”
“老板,來一間大床房。”
“不好意思,已經預定滿了。”
“老板……”
“滿了,一周前就預定滿了,下次記得早點預定。”
這幾家都是沿路的快捷酒店,全部都沒有空余的房間,別說大床房了,就連標間都被預約滿了。
許秋不由內心感慨,看來別人都是有備而來啊,果然機會總是會眷顧有準備的人。
最后,許秋和韓嘉瑩一路走回到了學校。
許秋看到了旁邊五星級的皇冠假日酒店,向韓嘉瑩說道:“去試試運氣?”
學妹現在也不害羞了,大大方方的說道:“好呀。”
“你好,還有房間嗎,標間也行?”
“先生你好,房間是有的,不過現在只有總統房了,你們要入住嗎?”
“多少錢?”
“先生你好,總統房是1188軟妹幣一晚上。”
“……來一間吧。”
(據說幾個省略號就是幾次,劃掉)
元旦雖說有三天的假期,但對于科研圈是不存在的。
因為課題組里的日程安排是1月1號、2號周六、周日休息,1月3號周一照常上班,1月8號周六下午還要補班,所以相當于沒有休。
1月3號,周一早上。
許秋已經拿到了之前交給模擬實驗室摸索的兩個結果。
首先,是不同體系的器件性能,隨蒸鍍完成后在蒸鍍艙內放置時間的變化趨勢。
結果表明,之前最高效率16.22的三元IDICM二元COi8DFIC疊層體系,隨著放置時間的延長,器件效率呈現先升后降的趨勢。
在放置時間為12小時的時候,器件效率達到峰值,為16.66。
許秋看到結果時的第一反應:“大概,這就是上帝留給劃水實驗者們的專屬福利?”
事實上,許秋之前沒有發現這種“放置變好”的實驗優化方法,很大程度上是受到了有機合成實驗的影響。
因為在做Stille偶合反應等有機合成實驗的時候,許秋發現投反應的速度越快,最終的結果通常就越好,所以他在做器件的時候也直接代入了同樣的想法。
這也說明,搞科研這種東西,運氣成分真的非常大。
此外,這次“放置變好”的實驗現象中,除了放置12小時達到峰值外,其他的結果也很有趣。
許秋發現,當放置時間達到3小時時,最高效率就已經提升到了16.58。
之后延長放置時間,從6小時、到9小時,再到12小時,效率變化的幅度并不大,就是0.02、0.03左右,這樣緩慢提升著。
再之后,繼續延長放置時間,效率下降的幅度同樣不大,也是0.02、0.03左右,可以認為是效率在短期內已經趨于了穩定。
同時,“放置變好”這個現象也不是對所有體系都適用的。
許秋一共研究了十七種標準體系,發現其中只有五種體系,存在“放置變好”的實驗現象,另外有八種體系是“放置變差”,還有四種體系是“放置不變”。
他試著給“放置變好”、“放置變差”以及“放置不變”的體系分別歸了歸類,然后發現:
“放置變好”、“放置變差”的體系,大多是有效層旋涂后,沒有經過退火的體系,“放置不變”的體系,大多是經過退火處理的體系。
退火這項實驗操作,主要影響的是有效層旋涂過后殘存的溶劑含量,如果不退火的話,沸點100多攝氏度的氯苯,以及沸點更高,可達200攝氏度以上的溶劑添加劑DIO等肯定會有所殘留。
因此,許秋認為“放置變好”、“放置變差”、“放置不變”這些實驗現象,背后可以歸因于:
在蒸鍍艙的真空環境下,器件內殘存溶劑揮發對有效層形貌的影響。
對于氯苯、DIO這些溶劑來說,它們在常溫常壓的條件下不容易揮發。
而在常溫低壓的條件下,就會逐漸從器件有效層中“跑出來”,擴散到外界的真空氛圍中。
溶劑揮發的過程,是需要一定時間的。
正常蒸鍍的過程持續時間只有2小時左右,不足以讓有效層內部的殘留溶劑完全揮發。
現在把這個時間額外延長3小時以上,就可以讓溶劑近乎完全揮發。
溶劑揮發的過程中,也將伴隨著有效層顯微形貌的改變。
如果這個影響是正面的,反應出來的結果就是“放置變好”,反之,就是“放置變差”。
在經過退火操作的器件中,因為有效層內殘留的溶劑較少,所以可以認為不存在溶劑揮發這個過程。
因此,額外的放置時間對于經由退火處理的器件性能的影響并不大。
可能長時間放置也會有變化,但在短時間內的表現就是“放置不變”。
當然,這些都是許秋提出的觀點,具體對不對,只能通過不斷的實驗來檢驗。
不過,他自我感覺這套理論沒什么問題,至少現階段的實驗結果,是支持他這些推論的。
許秋決定之后把“真空放置”這個實驗操作,與熱退火、溶劑退火等并列為一種對加工工藝進行優化的方式。
具體操作起來,可以晚上蒸鍍完成,不打開蒸鍍艙,讓基片在艙里“悶一晚上”,等到第二天白天過來再進行測試。
這樣做,就是消耗的時間會久一些。
不過,為了提升器件性能,也是值得付出的成本。
對于模擬實驗室中的影響倒是不大,因為里面蒸鍍艙的數量足夠多,可以循環利用不同的蒸鍍艙進行實驗。
另一方面,將PCBM引入頂電池的策略,同樣獲得了突破性的進展。
現在二元IDICM三元COi8DFIC體系在模擬實驗室中的結果,器件效率已經達到了16.83。
相較于之前三元IDICM二元COi8DFIC體系的16.22,提升了0.61。
這個提升幅度在這個階段,相對還是比較大的。
不過,也很正常。
之前國家納米科學技術中心李丹課題組的報道工作,他們二元和三元體系之間的提升也有1左右,反應到疊層器件中,能有0.61的提升并不奇怪。
現在,“真空放置”和“頂電池三元化”兩項策略,雙雙取得了性能上的突破,可謂是雙喜臨門。
而且,這兩項策略許秋之前在摸索的時候,是相互獨立的。
換言之,如果把它們綜合在一起,看現在這趨勢,可以說是劍指17!
雖然許秋覺得有些夢幻,在短短一個多月的時間,他就把疊層器件的效率從原先的10出頭,做到了現在的接近17。
但其實從半經驗分析結果上來看,疊層器件的性能顯著高于單結器件才是正常的,疊層器件性能和單結器件差不多,那才是不正常的。
比如,截止2018年6月16號,所有光伏體系中,三結和四結的疊層器件,世界最高效率記錄已經分別達到了44.4和46.0。
而單結器件中的王者,砷化鎵光伏器件,最高效率也不過只有35.5,兩者相差10。
之前有機光伏領域一直處于不正常的區間,主要是因為沒有找到合適的近紅外受體材料。
現在許秋團隊帶領著整個有機光伏領域,補足了這一塊空缺,在效率上能夠實現“飛躍”也不奇怪。
如果能做到17,就已經是非常好的數據了。
看似有機光伏的17,和其他光伏最高紀錄的46.0差距很大,但只要前者的器件成本能做到后者的三分之一甚至更低,那實際的差距就沒有那么大。
這也是為什么有些領域雖然性能不好,但也一直有研究者熱衷于去研究的原因。
PS2:當前