第三十六章 外量子效率
更新時間:2021-03-29 作者:肥美的韭菜
我有科研輔助系統 第三十六章 外量子效率
許秋將樣品托放在手套箱的傳送艙內，并不急著拿出來。 他跟隨學姐，來到外量子效率的測試儀器旁，這里有一臺電腦和一個黑色的箱體。 箱體在關閉狀態下的遮光性很好。 打開箱體后，它的內部有光源、透鏡、電源、檢測器、升降平臺，其中光源可以發射不同波長的單色光。 陳婉清開始操作示范。 她把標準硅電池放在升降平臺上，并將其與電源和檢測器連接，然后調節透鏡，使光斑完全打在硅電池表面。 標準硅電池是10厘米×10厘米的，而光斑很小，所以操作起來沒有什么難度。 接著打開電腦，開啟測試軟件，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“當當當”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。 測試完成后，軟件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，放在升降平臺上，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范圍內，那么范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。”陳婉清贊嘆道。 “基本操作而已，不值一提。”許秋隨意擺擺手道：“話說，為什么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，不過也有比較夸張的課題組，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，我們旋涂出來的有效層薄膜，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，那么最終A的效率約為5.25%。 最后比較最高效率，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，現在有機光伏還處于實驗室階段，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。 然后我就仔細看了正文，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，通過軟件內自帶的積分功能，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，表明后者的測試結果可信。 之后，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。 “學姐預測的挺準啊，今天果然不用加班。”許秋道。 “熟能生巧嘛，”陳婉清道：“對了，晚上去吃什么？” “怎么，學姐要請客嗎？” “上周不是答應你了嘛。” “我當時就是開個玩笑，這怎么好意思，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，他也沒閑著，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，保不準哪天就會用上。 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，然后就截然而止。 必須對所得數據進行分析，討論它與論文結論的關系。 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，而硅電池卻能到80%以上，這是為什么呢。”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，然后電子-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。 這個過程很復雜，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：“所以人們就基于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，材料也迭代了好多代，包括PTB7-TH，你知道它為什么叫這個名字嗎？”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表示噻吩并噻吩單元，B表示苯并噻二唑單元，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。 后來研究者們又基于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。”我有科研輔助系統 第三十六章 外量子效率
許秋將樣品托放在手套箱的傳送艙內，并不急著拿出來。 他跟隨學姐，來到外量子效率的測試儀器旁，這里有一臺電腦和一個黑色的箱體。 箱體在關閉狀態下的遮光性很好。 打開箱體后，它的內部有光源、透鏡、電源、檢測器、升降平臺，其中光源可以發射不同波長的單色光。 陳婉清開始操作示范。 她把標準硅電池放在升降平臺上，并將其與電源和檢測器連接，然后調節透鏡，使光斑完全打在硅電池表面。 標準硅電池是10厘米×10厘米的，而光斑很小，所以操作起來沒有什么難度。 接著打開電腦，開啟測試軟件，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“當當當”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。 測試完成后，軟件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，放在升降平臺上，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范圍內，那么范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。”陳婉清贊嘆道。 “基本操作而已，不值一提。”許秋隨意擺擺手道：“話說，為什么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，不過也有比較夸張的課題組，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，我們旋涂出來的有效層薄膜，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，那么最終A的效率約為5.25%。 最后比較最高效率，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，現在有機光伏還處于實驗室階段，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。 然后我就仔細看了正文，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，通過軟件內自帶的積分功能，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，表明后者的測試結果可信。 之后，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。 “學姐預測的挺準啊，今天果然不用加班。”許秋道。 “熟能生巧嘛，”陳婉清道：“對了，晚上去吃什么？” “怎么，學姐要請客嗎？” “上周不是答應你了嘛。” “我當時就是開個玩笑，這怎么好意思，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，他也沒閑著，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，保不準哪天就會用上。 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，然后就截然而止。 必須對所得數據進行分析，討論它與論文結論的關系。 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，而硅電池卻能到80%以上，這是為什么呢。”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，然后電子-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。 這個過程很復雜，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：“所以人們就基于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，材料也迭代了好多代，包括PTB7-TH，你知道它為什么叫這個名字嗎？”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表示噻吩并噻吩單元，B表示苯并噻二唑單元，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。 后來研究者們又基于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。”我有科研輔助系統 第三十六章 外量子效率
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