349 沖擊CNS頂刊的途徑

他本人則在模擬實驗室I中系統的研究了一下IDIC體系，利用32倍加速，對FTAZ:IDIC體系進行了包括CELIV、SCLC、GIWAXS、DFT等測試表征，畢竟這個體系之前表現出來一些不同于其他ITIC系列的獨有特性。

其中，CELIV和SCLC的結果表明，IDIC的電子遷移率是ITIC的3倍左右。

GIWAXS和DFT的結果，分別在實驗以及理論上證明，IDIC分子在結晶時會呈現出更加緊密的分子排布。

拿到這些表征數據后，許秋可以初步解釋出現“IDIC體系可以制備厚膜器件，同時能量損失比較低，開路電壓也比較高”這一實驗現象的原因。

因為在有機光伏器件有效層的內部，正、負電荷是在給體、受體形成的單獨聚集相區之內進行輸運，當受體材料的晶區中，受體分子呈現出更加緊密的分子排布時，電子在分子間的輸運將更容易進行，從而提升電子遷移率，進而降低能量損失，可以制備厚膜器件。

往前推演一步，造成IDIC分子具有更為緊密的分子排布的原因，便是側鏈的改變，相較于ITIC的苯基側鏈，IDIC的烷基側鏈有著更小的空間位阻，更利于兩個受體分子之間堆疊。

總結下來，從微觀分子結構到宏觀器件表現有一套完整的因果鏈：

側鏈改變→分子間位阻減小→有效層中受體分子排布變得緊密→電子遷移率提高→可以制備厚膜器件，能量損失降低，開路電壓提高。

當然，這也只是許秋整理出來的，他覺得比較合理的一套說法，并不一定就是完全正確的。

畢竟微觀級別的東西，看不見摸不著，真相究竟如何，誰都很難說明白。

這也是為什么搞理論的人，互相都會看對方不順眼，隨時會開噴。

就是因為很多事情都不會有一個確切的真相，公說公有理婆說婆有理。

而不像搞材料的，就比較簡單粗暴，比較客觀。

比如我這邊光電轉換效率13，你不信，覺得我數據是假的，那我就做個第三方檢測唄，結果出來，確實是13，爭論自然就平息了。

針對IDIC體系的發現，許秋繼續分析、推演，主要方向是怎么讓電子遷移率進一步提高，讓能量損失進一步降低。

他發現不論是ITIC還是IDIC，中央D單元都是IDTT單元，為了保證分子的溶解度，引入側鏈的方式是通過sp3雜化的碳原子。

而sp3雜化的碳原子，類似于甲烷的結構，在空間中會伸出兩個支鏈，和中央D單元共軛結構呈現大約為109度28分的二面角。

也就是說，兩個引入的側鏈和中央D單元共軛結構不共平面。

在這種情況下，即使是IDIC這樣具有烷基支鏈的分子，當兩個IDIC分子在垂直方向上進行堆砌時，其實也是會形成較大的位阻，只是相較于ITIC的位阻更小一些罷了。

但不管怎么說，受體分子中的側鏈還是得要的，不然材料都溶解不了，自然也無從用溶液法制備電池器件。

想要解決這個問題，許秋暫時想到了兩種方法，主要思路是變換引入側鏈的方法。

一種方法，是利用氮原子引入側鏈，同為sp3雜化的氮原子，因為孤對電子的存在，只有單根側鏈，可以一定程度的降低位阻。

另一種方法，是利用sp2雜化的碳原子，也即苯環或噻吩環上的碳原子，這種情況下的碳原子，同樣只有單根側鏈，而且因為是sp2雜化，側鏈是和中央D單元共軛結構共平面的，也可以大幅度降低位阻。

不過，如果采用這兩種策略的話，算是對D單元進行大幅度的改變，原先IDT、IDTT的合成思路肯定是沒法用了，合成難度會大幅度增加，又是全新的結構，需要大量的摸索。

許秋打算把這個初步的想法暫時交給模擬實驗室III，讓高級實驗人員幫忙摸索著。

算是走一步閑棋，如果有效果那自然最好，就算沒有效果，也無妨。

等眼下ITIC系列的這些工作完成后，他再投入精力攻關就是了。

除了這種大幅度對分子結構進行改性的手段，許秋還有另外一種可行的策略，有望實現器件效率的突破。

那就是制備疊層太陽能電池器件。

所謂疊層器件，顧名思義，就是多個電池串聯，“疊”在一起。

平常許秋制備的器件都是單結的，也就是一個電池，如果忽略傳輸層，那么結構就是電極/有效層/電極。

要是雙結疊層電池器件，分為雙終端結構和四終端結構，雙終端結構就是電極/有效層1/電極（電荷復合層）/有效層2/電極，四終端結構就是兩個“電極/有效層/電極”。

要是三結疊層電池器件，那么就是三個有效層，四結就是四個有效層。

五結，暫時沒聽說過……

漂亮國的國家可再生能源實驗室（NREL），也就是魏興思回國前的工作單位，在傳統無機硅、砷化鎵、CIGS等體系中常年保持著各項世界紀錄，按照2015年8月份的數據，三結器件的最高效率已經達到了44.4，四結更是到了46.0。

當然，把效率做這么高，已經不是出于商業化應用的考慮了，主要目的是探索科學的邊界。

換句話來說，就是想知道以人類的力量，能把這個光電轉換效率的數值堆到多高。

在實際應用上呢，并沒有太多的意義。

一方面，30和40差距并不大，只差三分之一罷了，又不像效率從1提升到11，有10倍的差距；

另一方面，對于效率這么高的太陽能電池體系，基本上都用到了砷化鎵，這玩意的成本非常高，只能用于軍用或高端應用領域，比如衛星、空間站之類的，就算把效率優化到100，也沒有民用的價值。

這種疊層器件，是串聯的結構，但和普通干電池的那種串聯有所不同。

疊層器件在空間結構上是一個整體，不論是“雙終端”還是“四終端”，都是一個器件只吸收一單位的太陽光。

比如，對于一個雙結有機太陽能電池疊層器件來說，當太陽光入射后，首先經過頂電池，吸收了300600納米的光，然后剩余的主要是波長大于600納米的光，將被底電池再次吸收。

聽起來很美好，可以規避有機光伏器件激子吸收特性帶來的光吸收范圍窄的問題，有效的利用太陽光能。

但實際上，疊層器件在有機光伏領域的表現并不如意。

目前，純有機光伏的疊層器件的效率，只有12左右，本來和單結器件的12.21相當，而當許秋將單結效率突破到接近13后，疊層器件的性能實際上已經落后于單結了。

主要還是因為之前常年使用的PCBM富勒烯衍生物體系，受體材料幾乎不能吸可見光，只能依靠給體材料吸光。

如果考慮到光吸收互補，采用一個窄帶隙給體的體系和一個寬帶隙給體的體系的話，由于窄帶隙的給體材料對應的短路電流通常較高，可能出現頂電池和底電池電流不匹配的問題。

因為器件是串聯連接的，根據中學物理知識，串聯電路電流處處相等。

假如上下兩個電池器件的短路電流密度差距過大，比如一個10毫安每平方厘米，另一個6毫安每平方厘米，那么最終表現出來的電流就會在6毫安每平方厘米左右。

對于第一個電池來說，就會直接損失大約40的效率。

電壓方面的問題倒是不大，各個電池之間近似是線性疊加的，比如一個是0.8伏特，另一個是0.7伏特，那么最終就是1.4、1.5伏特的樣子。

除了短路電流方面的問題，另外還有加工工藝上的問題。

有機光伏領域現有文獻報道的疊層器件，大多數都是雙結兩終端的結構，在制備疊層器件時，兩個電池中間需要有一層電荷復合層，通常采用的是導電的電極材料。

而這層電極必須是透光的，因為如果不透光，下層的電池就廢了，沒有光可吸收了。

透光的電極，比如ITO，不能通過溶液法制備，只能用磁控濺射等方法。

而磁控濺射的話，一方面溫度高，可能破壞有效層的結構，另一方面，一臺磁控濺射的設備，一般需要5080萬，就用來做個ITO電極，有點大炮打蚊子的意思，除非是那種大課題組，經費花不完，才會買一臺用用。

基于ITO制備困難的現狀，主流的思路是采用金屬電極作為電荷復合層，需要解決的主要問題就是透光性。

其中一個方法，可以采用薄的金屬電極作為電荷復合層，比如蒸鍍幾納米的銀，可以兼顧導電率和透光率。

日常生活中的金屬不透光，本質是金屬原子把入射的光子都吸收或反射了，而在幾納米這個尺度下，哪怕是金屬，也可以透光，當然，透光率不會太高，可能在50左右。

這種方法的優點是制備工藝簡單，只需要修改蒸鍍電極時的厚度即可，缺點則是透光性不理想。

另外一個方法是采用銀納米線、銀納米顆粒等方法，優點是透光性會好一些，缺點是制備工藝比較復雜。

總結下來，制備疊層器件的思路，就是：

利用新開發出來的一系列ITIC衍生物非富勒烯材料，從中找到兩個光吸收、短路電流適配的體系，再解決加工工藝方面的難題，最終實現器件效率的飛躍。

根據理論計算，如果一切順利，效率將有望達到15以上！

這便是許秋試圖沖擊CNS頂刊的途徑。

當然，實際做起來，肯定要分成多步進行，徐徐圖之。

因為疊層器件的工藝難度很大，國內能做疊層器件的課題組也不多，徐正宏算是一個主力，主要是老外在做。

許秋打算先從半透明器件開始入手，這算是制備疊層器件的一個前置條件，像是四終端法的頂電池，其實就是一個半透明器件。

而且，制備半透明器件，還有其他額外的好處：

一方面課題組里開發出來的近紅外非富勒烯受體，比如FN4F、IEICO4F、IEICO4Cl，這些可以利用起來發一些文章；

另一方面這也是有機光伏未來商業化的亮點之一，可以和藍河那邊進行合作，比如把柔件制作成各種各樣的顏色，然后可以貼在樓宇外側，用來裝飾發電。

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