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许秋将样品托放在手套箱的传送舱内,并不急着拿出来。
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他跟随学姐,来到外量子效率的测试仪器旁,这里有一台电脑和一个黑色的箱体。
箱体在关闭状态下的遮光性很好。
打开箱体后,它的内部有光源、透镜、电源、检测器、升降平台,其中光源可以发射不同波长的单色光。
陈婉清开始操作示范。
她把标准硅电池放在升降平台上,并将其与电源和检测器连接,然后调节透镜,使光斑完全打在硅电池表面。
标准硅电池是10厘米×10厘米的,而光斑很小,所以操作起来没有什么难度。
接着打开电脑,开启测试软件,设置参数。
扫描区间设置为300-800纳米,步长设置为10纳米,
开始测试。
仪器“当当当”的运转起来,电脑上实时显示测试结果。
横坐标为波长,纵坐标为eQe值,从300纳米开始,每隔10纳米,产生一个数据点。
测试完成后,软件根据测试结果自动进行校准。
“学姐,接下来的操作换我来吧。”许秋已经通过系统影像提前看了一遍操作流程。
“你确定?等下测样品时光斑聚焦可不容易哦。”陈婉清道。
“没事,你放心。”
“好呀。”陈婉清说完将位置让给许秋。
许秋从传送舱将样品托取出,石英玻璃窗口的那一面朝上,放在升降平台上,将探针与电源和检测器连接。
接下来,要将光源的光斑聚焦在待测电池上。
这步操作确实比较难,因为每个电池器件的面积仅有0.09平方厘米。
如果光斑没有完全照射在这个范围内,那么范围外的光能将会损失,最终测试结果就会偏低。
不过这难不倒许秋,他耐心调试了一会儿,便将光斑调好,启动测试。
“你这操作可以啊。”陈婉清赞叹道。
“基本操作而已,不值一提。”许秋随意摆摆手道:“话说,为什么电池器件的面积要做的这么小呢,做一个1平方厘米的不好吗?”
“因为电池面积越大,光电转换效率就越低啊,”陈婉清道:
“现阶段为了获得高效率,大部分课题组都是做小面积的,一般国际惯例是0.09或0.04平方厘米,不过也有比较夸张的课题组,会做0.01平方厘米的器件。”
“让我想想,”许秋思考了一会儿,说道:
“我明白了,我们旋涂出来的有效层薄膜,肉眼看上去几乎是均匀的,但其实每个区域都有细微的差别。
比如一个0.09平方厘米的器件a,将其均分为9部分a1-a9,每一部分面积0.01平方厘米。
a1-a9的光电转换效率可能在5.0-5.5%之间波动,那么最终a的效率约为5.25%。
最后比较最高效率,0.09大面积的差不多在5.3%左右,而0.01小面积的则是5.5%,甚至能够波动到更高的数值。
是不是这个原因呢,学姐。”
“是呀,差不多就是这个样子,现在有机光伏还处于实验室阶段,所以没有统一的标准,”陈婉清道:
“我之前还看到一篇文献,标题上写着光电转换效率达到了15%以上,结果一看期刊是个scI二区的。
我当时就震惊了,这就算发不了《自然》、《科学》,也能发一个它们的大子刊。
然后我就仔细看了正文,发现原来它用的是单色光,而不是模拟的太阳光,就是在标题搞了个噱头而已。”
…………
样品测试结束。
eQe曲线的形状大体上和有效层的光吸收光谱差不多,通过软件内自带的积分功能,可计算出理论上的短路电流密度。
这个样品的理论结果是11.96毫安每平方厘米,J-V曲线实测结果是12.05毫安每平方厘米。
两者误差在5%之间,表明后者的测试结果可信。
之后,许秋又测试了另外的五组器件。
到下午五点十五分,全部测试完毕。
“学姐预测的挺准啊,今天果然不用加班。”许秋道。
“熟能生巧嘛,”陈婉清道:“对了,晚上去吃什么?”
“怎么,学姐要请客吗?”
“上周不是答应你了嘛。”
“我当时就是开个玩笑,这怎么好意思,那就去吃哥老关火锅吧。”
“好呀。”
因为是周五晚上,吃火锅的人还是比较多的。
许秋取了个号,a65,前面还有12桌,估计要等一个小时左右。
等待期间,他也没闲着,向陈婉清请教问题。
虽然阅读文献也可以获得答案,但是真人指导效果自然是更好的。
搞科研是个系统的工作,遇到的各个细节都要弄明白,保不准哪天就会用上。
因为每测试的每一个数据,最终都要转化为对结果的论证,总不能在写论文时,告诉别人,我们测试了一个XXX,得到的数据是XXX,然后就截然而止。
必须对所得数据进行分析,讨论它与论文结论的关系。
如果是比较异常的结果,无法解释,那也要说明“这个现象我们暂时无法解释”,但这样的话出现一两次还可以,通篇都是“我们无法解释”的话,就会被审稿人教做人了。
“刚才测试时,我发现我们做的器件,大多数波长下的eQe值都在60%以下,而硅电池却能到80%以上,这是为什么呢。”许秋问道。
“简单来说,就是现在使用的P3hT材料存在很多问题,需要改进。
如果要具体展开来说,首先你要知道太阳能转化为电能的过程:
太阳光照射出光子,光电材料组成的有效层吸收光子,其内部产生电子-空穴对,然后电子-空穴对拆分为自由电荷、自由电荷在材料内输运,接着在电极处被收集,最终形成电流。
这个过程很复杂,中途任何一个步骤出现问题,都会导致电流损失,表观上看到的就是eQe低。”陈婉清道。
“我懂了,”许秋道:“所以人们就基于P3hT,进行改进,到现在最好用的给体材料就是PTB7-Th。”
“是啊,有机光伏领域发展了20年,材料也迭代了好多代,包括PTB7-Th,你知道它为什么叫这个名字吗?”陈婉清问道。
许秋摇摇头,他也只是知道一个名称而已。
陈婉清解释道:
“这是一个系列的材料,其中T表示噻吩并噻吩单元,B表示苯并噻二唑单元,P表示它是由这两个单元共聚而成的聚合物,所以最早它是叫PTB。
后来研究者们又基于PTB,对其进行改性,得到PTB2、PTB3,一直到PTB7。
再将PTB7上一个支链上的苯环改为噻吩环,所以加上了一个噻吩的缩写-Th,就得到了现在的PTB7-Th。
而且,这20年来,主要改进的方向都是聚合物给体材料,受体一直使用的都是PcBm系列。
或许将来某一天,受体领域也能够取得突破,对有机光伏领域造成翻天覆地的改变吧。”