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第三十八章 時溫等效原理

更新時間:2021-03-29  作者:肥美的韭菜
我有科研輔助系統 第三十八章 時溫等效原理
周六。

許秋宅在寢室,用電腦查看學姐拷貝給他的文獻資料,關于柔性襯底有機太陽能電池的。

文獻數量不多,只有不到十篇,期刊檔次普遍不高,都是SCI二區的,沒有一區的文章。

至于為什么沒有三四區的文章,許秋從學姐那了解到,是因為魏老師只會檢索一二區的期刊,并將它們整理好發給學生。

許秋花費兩個多小時,粗略的讀完所有文獻后,得到了想要的信息:

柔性基底通常采用聚酯材料,PET或PEN。

PET和PEN的玻璃化轉變溫度,分別為70和120攝氏度左右。

因此,以它們為基底制備電池器件時,傳輸層和有效層材料的加工溫度不能過高。

文獻中的解決辦法是用低溫法制備金屬氧化物作為傳輸層材料,比如二氧化鈦、氧化錫等。

許秋思考過后,覺得貿然使用之前沒有用過的傳輸層材料,風險過大。

因為需要花費大量時間去摸索條件,最終結果可能還不盡人意,倒不如對自己熟悉的材料加以改造。

最終他決定使用PEN為基底,先嘗試使用PEDOT:PSS作為傳輸層材料,降低它的退火溫度至100攝氏度,并延長退火時間。

確定了基底之后,許秋給陳婉清發微信:

“之前魏老師交給我的項目,要用到柔性基底,因此我需要訂做一批鍍有ITO薄膜的PEN基底,學姐那邊有沒有門路。”

沒過幾分鐘,他便收到了學姐的回復。

“好。”一個蜜桃貓的表情。

“等我消息。”

…………

許秋放下手機,閉眼做了一套眼保健操,然后休息片刻,進入模擬實驗室。

昨天還留下一個溶液溶解的問題沒有解決。

不過,目前只有在配制有效層溶液時,才存在過夜攪拌的需求,即攪拌時長大于12小時。

像是配制氧化鋅預聚體溶液,只需攪拌兩小時,問題便不大。

許秋進入手套箱,拿起昨日配好的有效層溶液,輕輕晃動瓶子,可以明顯的看到瓶壁上掛有未溶解的聚合物材料。

他盯著小棕瓶,陷入了沉思。

為什么溶液要攪拌過夜?

因為聚合物分子量較大,溶解比較困難,需要長時間的攪拌使其充分溶解。

那有沒有什么途徑可以使聚合物快速溶解呢?

可以降低其濃度。

但降低濃度的話,旋涂出來的薄膜厚度就會變薄,所以并不是一個好方法。

有沒有其他辦法呢?

許秋突然想到,上學期學過的高分子凝聚態物理中講到過高聚物的時溫等效原理。

具體的描述他已經記不清了,但大致意思應該是提高溫度可以縮短時間。

為了驗證這個想法,許秋退出模擬實驗室。

他在書架上找到高分子凝聚態物理課本,翻看目錄,很快便找到了“時溫等效原理”的介紹:

高聚物的同一力學松弛現象可以在較高的溫度、較短的時間(或較高的作用頻率)觀察到,也可以在較低的溫度下、較長時間內觀察到。因此,升高溫度與延長觀察時間對分子運動是等效的,對高聚物的粘彈行為也是等效的。

這個講的是高聚物的力學松弛現象,并不是說溶解過程,不過許秋覺得或許可以將其延伸一下。

因為溶解過程也算是高分子的分子運動過程,那么升高溫度與延長攪拌時間也應該也是等效的。

而且在氮氣氛圍內,構成有效層的兩種材料對熱都很穩定,耐100攝氏度的溫度沒有什么問題,不然也不會有熱退火步驟了。

不過這樣的話,使用氯仿溶劑就不合適了,因為它沸點低,無法加熱到很高的溫度。

許秋返回模擬實驗室。

先將昨日配制的氧化鋅預聚體溶液放在培養皿蓋子上,然后將加熱攪拌臺的溫度設為90攝氏度,最后將有效層溶液放在加熱臺上。

驗證想法的話,需要等待一段時間,許秋決定再配制一些其他濃度的PTB7-TH:PC[70]BM有效層溶液。

溶劑都選擇氯苯,濃度則分別為10、20、25毫克每毫升,給體受體的質量比仍固定在1:1.5,各1毫升。

他想看看聚合物的極限溶解度是多少。

配好溶液后,許秋將四種溶液按照各自的濃度,分別記做10#、15#、20#、25#溶液。

將10#、15#、25#溶液放在加熱攪拌臺上后,他拿起最早配制的15#溶液,再次輕輕晃動瓶子,發現已經沒有固體殘余掛在瓶壁上了。

他看了眼時間,只過去了半個多小時。

果然,“時溫等效原理”也可以用在聚合物的溶解上。

而且,溫度對于時間的影響是指數級別的,雖然現在的90度加熱,相較于平常的60度只提升了30度,但溶解速度卻可能相差了10倍。

許秋將15#溶液放在瓶架上,使其緩慢降至常溫。

然后開始旋涂氧化鋅基片,一共12片。

在等待基片退火的過程中,他又返回手套箱查看各溶液的溶解情況。

結果發現,瓶架上的15#溶液在冷卻后,內部液體竟變為了凝膠狀。

許秋稍用力的晃動瓶子底部,下方的凝膠卻一動不動,最終他只好再次將15#放在加熱攪拌臺上加熱。

他接著查看另外三種濃度的溶液,10#、20#均完全溶解,25#則未完全溶解,瓶壁上仍有固體顆粒存在。

許秋將10#、20#溶液放置在瓶架上冷卻。

然后用移液槍在25#溶液中加入667微升的氯苯溶劑,將其濃度稀釋為15毫克每毫升,并重新貼好25#15#的標簽,再把它放到加熱臺上。

隨后,許秋將每個溶液編號代表的意義記錄到實驗記錄本上。

再次進入手套箱,他發現15#溶液已經部分解除凝膠狀態,開始重新變為溶液。

10#溶液在常溫下可以保持溶解狀態,而20#溶液同樣出現了凝膠的現象。

也就是說,在常溫下,質量比為1:1.5的PTB7-TH:PC[70]BM在氯苯溶劑中,極限溶解度為10-15毫克每毫升,在90攝氏度下,極限溶解度在20-25毫克每毫升。

溫度升高,不僅能夠提高溶解速度,也能同時提高溶解度。

溶液溶解的問題算是解決了。

只是,新的問題又出現了。

這些溶液該怎么旋涂呢?

是把它們都稀釋到10毫克每毫升濃度,等待其冷卻后再涂?

還是不稀釋,直接趁熱涂呢?

不過,考慮到這周的實驗時長已經刷滿。

還是先不糾結這個問題,等到下周再繼續實驗,節省一些積分吧。我有科研輔助系統 第三十八章 時溫等效原理

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