然后用便宜的方法(万用表)初步确认原因;
再用贵的方法(各种电镜)确认原因,当然如果组里没钱的话,这一步可以省略;
接着,去小虫子看看其他人有没有类似的情况,他们是怎么解决的;
最后翻文献,找到解决或者替代的方法。
这些顺序也不是完全固定的,可以根据实际需要进行调整。
另外,之所以首先要去小虫子逛逛,是因为这里是关于科研的中文论坛,大佬们层出不穷,如果能精准的搜索到别人已经解决的问题,就会省下不少时间,类似于程序圈里用别人造好的轮子。
毕竟,检索SCI论文花费的时间可不少,很多时候可能一个小时过去了,好不容易找到了几篇相关的文献,但最后发现都没什么用,解决不了问题。
当然,也不是每次经过这番操作,都能解决实验失败的问题。
就比如这次,许秋一顿操作猛如虎,最终得出结论,PLAN A(计划A)扑街。
即基于实验室现有的设备,用银纳米线薄膜的这个方法制备半透明器件的顶电极并不合适。
不过,许秋丝毫不慌。
因为他还有PLAN B,所以他也懒得去优化银纳米线制备工艺了,直接暂时放弃PLAN A,先用薄层金属电极的方法搞起,日后如果有需要的话,再重新尝试也不迟。
在正式的实验之前,许秋对现有的半透明器件文献做了一个简单的总结。
他发现半透明器件这个概念在好几年前就有了,文献也不少,光一区二区的文章就有十多篇,不少都是国外一个大组Yang Yang发表的。
不过,之前只有富勒烯的体系,虽然可见光范围内的平均透过率(AVT)可以做的很高,最高甚至能达到50%,但效率(PCE)一直上不去。
光有AVT,没有PCE,这就和“只要面子,没有里子”差不多,就比如50%的AVT配上1%的PCE,没什么太大的意义,光伏器件最终还是得回归到效率的比拼上。
目前,性能最好的一个工作是基于PCE10:PCBM的半透明器件,效率只有7%,AVT也只有25%,他们采用的电极是薄层的10纳米银电极。
正式实验的时候,许秋尝试了三种薄层电极,分别是常用的金、银、铝,以PCE10:IEICO-4F和PCE10:FNIC-4F两个体系作为标样,制备了不同厚度金属电极的器件,从5纳米到正常的100纳米不等。
最终的结果,以PCE10:IEICO-4F体系为例。
电极厚度在100纳米条件下,金、银、铝电极,器件最高效率分别为12.3%、12.4%和12.5%,三种电极的器件效率相当。此时器件的AVT约为0,即器件几乎完全不透过可见光。
50纳米条件下,最高效率分别为12.0%、12.1%和12.0%,三种电极的器件效率仍然相当。此时器件的AVT同样约为0。
30纳米条件下,最高效率分别为10.8%、11.0%和6.2%,三种电极的器件效率产生分化,其中金、银作为电极的器件,效率衰减不明显,而铝作为电极的器件,效率衰减比较严重。此时器件的AVT达到了5%-10%,可见光有部分可以透过,可以模模糊糊的看到器件背后的东西。
20纳米条件下,最高效率分别为9.4%、10.2%和0%,金、银作为电极的器件,效率衰减仍不明显,而铝作为电极的器件,已经断路。此时器件的AVT达到了10%-20%,可见光有部分可以透过,可以模模糊糊的看到器件背后的东西。
10纳米条件下,最高效率分别为8.0%、9.0%和0%,金、银作为电极的器件,也开始发生分化,银电极的器件效率更高。此时器件的AVT达到了20%-40%,可见光有较大的一部分可以透过,可以较为清楚的看到器件背后的东西。
5纳米条件下,最高效率分别为5.3%、1.2%和0%,金电极器件仍然能保持一定的器件效率,而银电极器件效率直接跳水,接近于断路。此时器件的AVT达到了30%-45%,可见光有较大的一部分可以透过,可以很清楚的看到器件背后的东西。
另外,电极厚度降低的过程中,器件的效率衰减主要是因为短路电流密度降低所致,开路电压、填充因子两项参数几乎保持不变。
针对这些实验现象:
小学生的水平,能够得出比较简单的结论。
哇,世界纪录又被我打破了呢。
这也很正常,以许秋现在手中拥有的资源,不选择某个细分领域也就罢了,一旦选择了某个领域,那也就标志着这个细分领域的世界纪录就要易主了。
毕竟,他现在已经暂时成为有机光伏这个大领域的领路人。
中学生的水平,可以稍微往深想一想。
制备半透明器件,铝电极就是个垃圾,电极还没等达到半透明呢,器件就已经扑街了。
大学生的水平,再往深想一想。
当前的体系选用银电极比较好,在10-20纳米比较合适的区间内,器件性能都是最佳的那一个,这或许和他是导电性能最好的金属材料有关。
硕士生的水平,再再再往深想一想。
金电极在5纳米的厚度下,性能反超了银,这说明金属电极能否在薄层状态下导电,密度可能是一个非常关键的因素。
因为金的密度是19.32克每立方厘米,银的密度是10.49克每立方厘米,而铝只有2.70克每立方厘米。
金属导电的实质,是金属原子之间通过形成“电子气”来传导电子,这里导电有个前提条件,那就是金属原子之间要连续,不能有太多的缺漏。
在金属膜比较厚的时候,密度小一些也无所谓,反正可以近似实现紧密堆积,就算偶尔有缺陷,旁边也有其他的金属原子兄弟可以代为传递;
而当金属层比较薄的时候,密度小的金属材料在蒸镀时,就会更容易出现不均匀、不致密的现象,这时产生了缺陷,结果旁边没有金属原子兄弟帮忙了,那导致无法顺畅的传导电子,从而造成断路。
博士生的水平,还能再再往深想一想。
相较于不透明的金属电极,半透明金属电极造成器件性能损失的一个主要来源,是电极导电率的下降,直接影响电极收集电荷的能力,从而造成短路电流密度的降低,最终导致器件效率的衰减。
但还有另外一个性能损失的来源,那就是来自不透明金属电极的二次反射光会变少。
这个该怎么理解呢?
当太阳光入射一个光伏器件表面后,有一部分光会直接反射、散射损失掉,有一部分会转化为热能损失掉,在这之后的太阳光会到达有效层。
有一部分到达有效层的光会被有效层吸收,形成激子,之后拆分输运,形成电流,而还有一部分则会穿过有效层,到达顶电极的位置。
假如顶电极是100纳米厚的金、银、铝,也就是不透光的,因为金属会反射光,就会让这一部分透过有效层的光重新回到有效层,也就是所谓的“二次反射”,同样会对器件效率造成一定的贡献。
而现在金属电极变得半透明了,这部分光就会部分发生“二次反射”,部分穿过金属电极损失掉。
到了许秋的水平,他将上述这些整合了起来,想到了一种多层的薄层电极结构。
这种薄层金属的结构,是先蒸镀一层薄薄的相对比较致密的金,比如一纳米厚度,然后再往上蒸镀导电性能更好的银,比如10-20纳米。
这样的结构,可以产生的预期效果就是:
超薄的金层提供了致密的成核中心,从而降低银膜向传输层和有效层中的渗透厚度,提高银膜在低厚度下的均匀性,保证连续银膜的形成,从而得到兼具高透射率和低电阻的薄层金属电极。
当然,分析归分析,具体结果如何,还是得用实践来证明一切。
PS:今天万字三更,第二更、第三更分别在7、16点。
389 我要悄悄的拔尖,然后惊艳所有人(求订阅)
许秋基于PCE10:IEICO-4F和PCE10:FNIC-4F两个基准近红外体系,制备了一系列不同厚度的金(1纳米)/银(10-20纳米)薄层金属电极。
最终器件结果还不错,这种双层薄层电极的结构,器件效率普遍比原来单层薄层电极的结构高大约0.5%-1%。
其中,一个比较关键的节点是1纳米金,15纳米银的双层电极结构。
此时,PCE10:IEICO-4F体系的器件效率,最高可达10.25%,可见光平均透过率(AVT)可达32%,另外一个体系的两项数值也分别达到了9.73%和34%。
AVT只有30%,看似很低,其实在基于薄层金属电极的半透明器件中已经非常不错了。
就拿总厚度16纳米的金属薄层电极来说,它本身就可以吸收近40%-50%的可见光。
这也意味着,哪怕有效层是空的,AVT最多也只有50%-60%。
换算下来,30%的AVT,有效层本身的AVT可能会达到60%以上。
对于这两个体系,许秋打算把它们合并起来发一篇文章,这样既有工作量,又有亮点.
亮点包括“同时实现了效率超过10%,AVT破30%的成就”、“开发出双层结构的薄层电极”、“首个非富勒烯体系的半透明器件”。
当然,这个工作想打破壁垒往上投并不是很容易,因为一来没有新材料被开发出来,二来效率也不是破新高的那种,只是打破了一个细分领域的记录。
不过,水一篇AM还是很有机会的。
许秋盘算了一下自己手里的文章,五篇一区,一篇年底出了分区就会成为一区的文章,还有两篇在投的一区,再算上眼下这个体系,加起来一共九篇一区。
还差一篇就能凑齐十篇一区,完成系统进阶任务了。
许秋思索片刻,灵机一动,想到了一个思路。
那就是和蓝河那边合作,用刮涂的方法制备柔性、半透明、多彩、全溶液加工的有机光伏器件。
这样制备出来的器件,几乎集齐了有机光伏所有的“优点”,就差大尺寸、卷对卷制备了,噱头可谓十足。
这样操作下来,只要效率不拉胯,能达到7%、8%左右,一篇AM基本上妥妥的。
第一步,选定受体材料。
既然两种近红外受体IEICO-4F和FN-4F都用过了,那么就用学姐另外一个IEICO-4Cl材料。
这个材料性能与IEICO-4F相当,同样是一种优秀的近红外非富勒烯受体材料,最高器件效率也是接近12%的。
第二步,选定给体材料。
想要实现多彩的器件,受体已经被固定了,那么就只能从给体的角度做文章。
许秋打算选择三种不同禁带宽度的给体材料,最终选定了H43、J2和PCE10,禁带宽度分别在2.0、1.8、1.6左右。
说实话,体系是选出来了,但光看材料名称,许秋也无法知道旋涂出来的薄膜到底是什么颜色的。
于是,他便配了个溶液,亲手旋涂,尝试了一下。
结果表明,以IEICO-4Cl为受体,H43、J2、PCE10为给体的体系,薄膜颜色分别对应于紫色,蓝色以及蓝绿色。
知道结果反推过程就比较容易。
许秋查了下数据,紫光、蓝靛光、绿光对应的光波长范围分别在350-455纳米,455-492纳米和492-577纳米。
而H43、J2、PCE10的主要光吸收范围,分别是450-650纳米,500-700纳米,550-750纳米,IEICO-4Cl则覆盖了650-1000纳米的光。
最终剩余未吸收的光的波长范围分别是300-450纳米、300-500纳米、300-550纳米,刚好对应紫色,蓝色以及蓝绿色。
由于这些薄膜是半透明的,薄膜透过什么光,就显示什么颜色。
那么三种薄膜分别对应紫色,蓝色以及蓝绿色也就可以解释了。
具体的摸索工作,许秋交由了模拟实验室III进行,不过他暂时不抱有太大的希望,因为之前复制的刮涂机器还是个玩具性质的概念机。
他打算抽时间去蓝河那边看看他们有没有什么最新的进展,然后把新机器复制进来。
确立了两个工作的方向后,许秋其实很想再找一个半透明器件的研究工作,作为储备的一篇AM文章。
这也算是未雨绸缪。
虽然到目前为止许秋没有被拒稿的经历,但说不准那天运气不好,走夜路就撞到了小可爱,遭遇要各种故意针对的审稿人,这也很难说。
现在算起来是有十篇一区,最后发现少了一篇不就尴尬了。
不过,他内心想了很多思路,都没有太过满意的想法,因为半透明器件这边能挖掘的点也不多,之前的两个思路都快把亮点给挖掘干净了。
而没亮点的话,AM文章也不是那么好水的,除非自己合成新材料,或者借用邬胜男的几种新结构,但这样的话,工作的周期就会很长。
至于随意弄一些亮点出来搞几篇小文章,许秋现在暂时不考虑。
他已经把自己发文章的下限提高到了AM、JACS、Angew、EES、AEM、NC这个级别,也就是一区顶刊。
这个门槛比魏兴思的门槛还要高,魏老师组里基本都是二区以上的文章,只有段云发了组里唯一的一篇三区文章,RSC Adv.。
毕竟许秋是学生的身份,一作的文章都要自己动笔一个字一个字的码出来,而魏兴思只需要改文章挂通讯就好,消耗的精力差别很大。
因此,许秋要是把精力花在写二区的文章上,就不是很划算,像二区文章,直接蹭课题组里其他人的二作就好了,这样也可以增加自己文章的数量。
而且,当文章数量达到一定程度时,别人就会更加关注你发了多少AM、JACS顶刊,文章被引用的情况,代表作有哪些。
就比如以许秋现在的成果,科研影响力是10,那么再捞上三五篇二区一作,可能科研影响力会提高到10.1,没太大的意义。
最终,许秋决定还是先把手头这两个工作完成好。
眼下的工作是最重要的,做科研一定不能拖拖拉拉,不然同行就会教你做人。
现在还没有出现基于非富勒烯受体的半透明器件,不代表没有人正在做,说不定哪个同行就悄咪咪的搞着呢。