今天预约的TEM测试时间是十点整,他提前了大约十分钟到达TEM测试房间,上一组的学生还没有离开,他们正在测试最后一个样品。
等了一会儿,终于轮到了许秋。
负责测试的老师还是上次的那个,话不是很多,对方简单询问了一下许秋样品的类型,想要得到什么信息,便开始上样品。
液氮冷却、抽真空、打开相机、开始测试。
两人交流拍摄部位、拍照、缩小画面、继续拍照、继续缩小画面……
放大画面、换一个位置、重复上一步。
更换样品,重复上面三步。
U盘拷贝数据,拍拍屁股走人。
虽然TEM测试得到的最终数据是一组.bmp格式的位图图片,之后还需要自己手动裁剪、图像处理,但在测试过程中,也是可以直接通过电脑屏幕实时看到图像的。
离开测试房间时,许秋已经在心中完成了数据的初步分析。
一共四组条件,TEM的图像各不相同:
1#,纯氯仿溶剂条件,给受体共混的非常好,几乎没有PDI的聚集区域;
2#,氯仿+DIO条件,给受体共混的较好,有少量PDI的聚集区域;
3#,纯氯苯溶剂条件,给受体出现一定程度的相分离,有明显的PDI晶相区域产生;
4#,氯苯+DIO条件,给受体出现明显的相分离,有大量PDI晶相区域产生。
不同的溶剂处理条件,对应着不同的器件性能,根据之前模拟实验室中得出的结论,2#最佳,1#次之,3#再次,4#最差。
这个器件性能与共混形貌的对应关系,倒是符合有机光伏领域关于共混形貌的通用理论,即有效层的最佳共混形貌为双连续的三相结构,2#的共混形貌最佳,因此对应的器件性能也是最佳。
所谓的双连续的三相结构,指的是给体聚集相、受体聚集相、给受体共混相三种相区缺一不可:其中,两种聚集相需呈现双连续的构造,贯穿整个有效层大约100纳米的尺度,用来产生激子,并将自由的电子/空穴输运至电极;在两种聚集相的交界处存续着共混相,也会产生激子,但主要作用是拆分激子,形成自由的电子/空穴,然后分别将它们转移至受体聚集相/给体聚集相。
而在有机光伏领域,整个光电转换过程主要有五步:
激子产生,光能转换为电能的第一步,光电材料吸收光子受到激发,形成被库仑引力束缚的电子/空穴对;
激子扩散,被束缚的电子/空穴对转移至给受体共混相;
激子拆分,被束缚的电子/空穴对在给受体界面处被拆分,变为可自由移动的电子/空穴,分别留在受体/给体相中,期间会损失一部分能量;
自由电荷输运,受内建电场的驱动,自由电子/空穴分别在受体/给体聚集相中向两个电极方向移动;
自由电荷被电极收集,在无外加载荷情况下,两个电极分别聚集电子/空穴,即负/正电荷,形成电势差,如果有外加载荷,则形成光电流。
三相结构承担了这五个步骤中的前四步,共混薄膜形貌的重要性可见一斑。
这也是为什么使用同样的光电材料,在不同器件加工条件下,最终得到的电池器件性能不同的原因。
许秋离开老化楼,在外面溜达了几步,来到旁边的第四教学楼,随便找了个没在上课的教室,走了进去。
教室里有几个自习的学生,许秋的出现并没有造成什么波澜。
许秋扫了两眼他们的课本。
嚯,《高等数学B》。
应该是大一的学弟学妹们,上完了第一二节课后留在教室里复习吧。
许秋内心随意推理了一番,随后在靠近门口的座位上趴下假装睡觉,进入模拟实验室II。
基于这次的TEM测试结果,他得到了几个主要结论:
第一,许秋和韩嘉莹的两个最优3D-PDI体系,在低沸点氯仿溶剂处理条件下,PDI分子的本征结晶性能够被极大幅度的抑制。
第二,PDI非富勒烯受体体系,和传统聚合物给体/富勒烯衍生物受体的体系不同,前者有效层的共混形貌受加工溶剂的影响非常大,许秋推测可能的原因是,前者为小分子材料主导的结晶,后者为聚合物材料主导的结晶。
第三,高沸点的溶剂添加剂DIO,会延长有效层溶液转换为有效层薄膜的时间,进而提升3D-PDI分子的结晶性,增加了PDI晶区的数量和大小。
第四,氯仿和氯苯两个主溶剂进行比较,氯仿的沸点低于氯苯,因而初始状态下氯苯溶剂的体系更容易诱导3D-PDI分子结晶,形成晶区。
在这些结论之中,第二条为接下来的实验优化提供了新的思路:
既然有效层的共混形貌,在极大程度上会受到加工溶剂的影响,那便强化这方面的探索力度。
许秋很快便做好实验规划,以纯氯仿的体系作为基准点(此时PDI的晶区几乎为0),仿造之前氯仿/DIO体系的优化路线,引入各种各样的高沸点溶剂作为溶剂添加剂(PDI晶区数量、尺度增加)。
接着,他迅速给模拟实验人员下达指令,探索氯仿/氯苯体系,氯仿/二氯苯体系,氯仿/氯萘体系……
……
下午,许秋补充了两个3D-PDI体系的HOMO/LUMO能级测试。
这次他的3D-PDI分子虽然开发了三代,但许秋不打算像之前PCE11体系那样,把三代分子拆分成三篇文章发表。
一方面,要拆分成三篇文章,就必须按照一、二、三代的顺序发表,有被其他人提前截胡的可能性。
另一方面,这种拆开发文章,可能最终结果是一篇普通一区加上两篇二区,文章数量是上去了,但质量却比不上一篇NC,况且还有编辑或者其他研究工作者不买账的风险。
如果是缺文章毕业的话,这样搞搞也可以理解,但许秋现在不缺文章,自然没必要这么做。
完成HOMO/LUMO能级测试后,许秋把现有表征数据放在PPT文件中进行汇总。
不总结不知道,一总结吓一跳。
他惊讶的发现,他和学妹的两个最优3D-PDI体系的表征数据,现在已经基本凑齐了:
光吸收性能,包括光吸收光谱UV-vis、荧光光谱PL、瞬态荧光光谱TRPL,全部测试完毕;
HOMO/LUMO能级测试,刚刚测完;
分子结构相关,包括核磁共振NMR氢谱、碳谱,元素分析,已送样,等待几天就可以拿到原始数据;
DFT模拟,测试完毕。
光电性能,亮态/暗态J-V特性曲线、外量子效率曲线EQE,测试完毕,当然如果日后效率创新高,还需要重新绘制新的;
形态学表征,透射电子显微镜TEM,测试完毕。
现在缺少的表征测试,只剩下不多的几种,电荷输运机制方面的CELIV,分子堆砌结构表征GIWAXS,以及原子力显微镜AFM,或许再加上一个SCLC。
下周花一两天的时间把CELIV、AFM、SCLC搞定,两周后去光源再测个GIWAXS,数据就补齐了。
这样看来,文章都可以写起来了啊。
248 什么世界纪录啊?(求订阅)
下午五点左右,材一216,许秋等四人围坐在办公桌前,孙沃在里间的实验室测试器件。
吴菲菲的手机屏幕突然亮起,她看了眼手机,面色微变,随后朝众人说道:“魏老师来消息了,问我们‘如何’?”
顿了顿,她补充道:“各位都把今天的工作用文字总结一下报给我,许秋你帮我问一下张疆的那两位。”
“不用问了,我知道她们两个在做什么,”许秋淡定接话,说道:“韩嘉莹在合成她的3D-PDI分子,同时检验新到的微波反应器是否好用,陈婉清在合成她的A-D-A分子,CH1和CH2,今天是最后一步反应的后处理。”
“好的,我记下了,”吴菲菲点点头,问道:“那你呢?”
“许秋上午测试了TEM,下午用CV方法测试了能级结构,就这么写吧。”许秋想了想道。
接下来,吴菲菲又统计了另外几个人的工作情况,编写了长长的一段文字,确认没有遗漏,这才发送给魏老师。
很快,她的手机屏幕再次亮起,许秋撇了眼,看到魏老师回了一个表情包[收到],那是转动着的两个大大的立体字,旁边还有一朵红花点缀。
“话说,魏老师那边现在是上午吗?”许秋随意问道。
“魔都这边差不多比瑞典快7小时吧,所以这边的下午五点,那边差不多是……”陈婉清心算了两秒钟,“上午十点。”
“这样啊。”许秋点点头,他的理科不错,不过文科就不太行了,高一文理不分科的时候,理科均分90左右,文科均分60左右,当然也和他在文科课上写理科作业的原因有关。
众人又闲聊了一会儿,吴菲菲走进实验室和孙沃讨论,隐约可以听到:
“这批锡基的器件,效率多少?”
“1%了,也不知道他们文献里是怎么做到的6%,明明实验步骤一模一样。”
“可能有什么关键步骤隐藏了吧,我们也不能完全参照文献,要自己寻找条件进行优化。”
“行,下回我试试热旋涂的方法。”
田晴和段云则开始收拾书包,打算提前离开,一般魏老师查过岗后,大概率就不会再找她们了,何况现在魏老师人在国外。
许秋倒没急着走,他还要等韩嘉莹从张疆回来,之前收到消息她们坐的是五点的校车,不过这个时间段刚好是晚高峰,估计到学校得六点。
他本来打算今天给新文章起个头,把脉络先给梳理出来。
结果刚新建了一个WORD文件准备开干,就发现了一个问题——组里没有过Nat. Common.的投稿历史,也就是说没有对应的模板。
他只好基于常用的Wiley模板,对照着其他研究者发表在NC上的文章,手动做一个模板出来。
在许秋做模板的时候,其他人陆陆续续的离开,最后一个走的人是孙沃。
直到六点出头,许秋才把模板弄好,此时办公室里只剩下他一人了,他看了眼时间,嘀咕了一句:“她们应该快到了吧。”
话音刚落,韩嘉莹和陈婉清就一起出现在办公室门口,“师兄,我们回来啦~”
学妹走到许秋的身旁坐下,学姐从书包中取出一个垃圾袋,往里间实验室走去。
许秋顺势抓住学妹的小手,关心的问了一句:“微波反应器效果怎么样?”
“效果不错呢,”韩嘉莹兴奋道:“用了微波反应器,同样的反应条件下,6个小时的产率就有接近70%,之前的对照组24小时产率也不过40%。”
“不过……”学妹嘟了嘟嘴,话锋一转:“今天的时间不够,没有把产物完全处理完。”
“微波反应器好用就好,产物可以留着慢慢处理嘛,”许秋先是安慰了一句,随后道:“下次还可以试试其他反应用微波反应器的效果,理论上大多数的合成反应,都可以通过微波加热的手段提升反应速率,尤其是那些需要24小时,甚至48小时的反应,可以节省不少的时间。”
“嗯嗯,”韩嘉莹点头附和,“而且我觉得一些产率低的反应,也可以用微波反应试试,或许能像这次这个反应一样大幅提高产率。”
“这也是个不错的思路。”许秋赞叹道,学妹学会举一反三了,这是件好事。
此时,陈婉清从里间实验室出来,朝许秋说道:“终于把CH1和CH2合成出来啦,这次大约有50毫克的产物,我放到手套箱中我的乐扣盒里了。”
许秋瞬间听懂学姐话语之中的意思,应和了一句,“行,周日我要是做器件的话,帮你捎一批器件。”
“学姐,一起吃晚饭嘛?”韩嘉莹提议道。
陈婉清笑着摆摆手,背起书包,“我就不打扰你们啦,先走一步。”
……
晚饭后,许秋将韩嘉莹送回去,独自返回寝室,进门看到两个室友都不在,他把灯一关,往床上一躺。
“不知道有没有惊喜呢?”许秋嘀咕了一句,随后进入模拟实验室II。
此时,模拟实验人员已经停止工作,这代表上午新安排了六个溶剂体系,全部完成了初步探索工作。
许秋查看了一下系统保存下来的数据,在六个新溶剂体系中,氯仿/二氯苯的体系脱颖而出。
这里的二氯苯代表的是邻二氯苯o-DCB,它还有两个兄弟,分别为间二氯苯和对二氯苯,其中,邻间对指的是苯环上的两个氯的相对位置,分别间隔0、1、2个碳原子。
二氯苯也是一种常见的用于有机光伏领域的加工溶剂,但由于沸点比较高,旋涂时要搭配高浓度的溶液使用,比较浪费材料,许秋只有在最开始尝试传统P3HT体系的时候,用过二氯苯作为加工溶剂,之后主要采用的都是氯仿和氯苯。
最终结果,基于氯仿/二氯苯混合溶剂,许秋和学妹最佳的两个体系最高效率分别为8.02%和7.15%。
“终于突破8%了!”
“没想到将二氯苯作为溶剂添加剂使用居然这么给力。”
“而且,还有进一步提升的希望,毕竟之前只是初步探索。”
许秋心中一阵激动,迅速基于现有的数据,制定了一组新的实验条件,交予模拟实验人员进行试验。