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
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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