确定了文章格式后,许秋本来打算下载几篇最新“报告”格式的《科学》论文当做模板的。
结果发现下载不了,只能预览标题、文章作者、摘要等基础的信息,如果要阅读全文,或者下载文献全文PDF,就需要付费了。
他这才想到学校没有购买《科学》的电子版资源。
不过,很多期刊的电子版收费是有期限的。
也就是说文章发表后经过一定时间,会自动转换为开源文章,这个期限有的可能是一年,有的可能是两年。
因此,许秋找了找往期的《科学》论文,从中下载了几篇已经开源的“报告”格式论文,开始对照着制作模板。
大体上和之前ACS、RSC、Wiley旗下期刊的格式差不多,改变的主要是一些细节:
比如,正文中参考文献的标注,不是常见的上标,而是正常的字体大小直接跟在语句后面,用的也不是常见的方括号[],而是圆括号();
参考文献本身的引用格式也和其他期刊有所不同,年份需要加圆括号,放在页码的后面。
大致花费了一个小时,许秋终于完成了文章撰写前的准备工作。
接下来,就是构筑《科学》论文的大致框架。
……
……
……
三天后。
周三下午,许秋完成了这篇《科学》论文的大致框架。
正文中,他一共规划了三张图片。
第一张图片的主题是“基于AM1.5G标准光照条件下,对二终端法叠层有机太阳能电池器件理论效率的半经验分析”。
这张图片属于叠层器件文章中较为常规的配图,在平常单结器件的文章中并不多见。
具体细分为A、B、C、D四张小图。
其中,A图是核心。
许秋构建了一个三维立体坐标系,xyz三个坐标分别为:
x,外量子效率EQE,从65%到85%;
y,顶电池的光吸收边λonset,近似于顶电池材料可以吸收光波长的最大值,从900到1200纳米;
z,器件的理论光电转换效率PCE,从12%到30%。
此外,还有第四个变量,即每个子电池的能量损失Eloss,分为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8电子伏特五个档次。
同时,假定填充因子FF恒定为0.75。
经过计算,得到在不同子电池能量损失下,光电转换效率随外量子效率和顶电池的光吸收边变化的曲面图像。
因为能量损失有五个档次,所以对应的三维立体坐标系中就有五个曲面。
许秋为了表述直观,还给五个曲面染了色,从蓝到红分别表示光电转换效率逐渐增大。
这张图片看起来比较高端,但其实背后的计算过程并不复杂。
顶电池的光吸收边,可以通过公式换算出有效层材料的禁带宽度,禁带宽度再减去假定的能量损失,就得到了开路电压。
禁带宽度已知,外量子效率已知,可以通过积分计算得到短路电流密度。
最后,填充因子是给定的0.75。
三者相乘,就得到了最终的光电转换效率。
理论预测的结果还是比较美好的。
在光吸收边为1100纳米,外量子效率75%,填充因子0.75,能量损失0.6电子伏特的条件下,有机光伏叠层器件的效率可以达到20%!
20%!
然而,理想很丰满,现实有点短。
现实的情况是,每个值都比理想情况下差5%左右。
比如,光吸收边实际上只有1000纳米,外量子效率只有70%,填充因子只有0.70,能量损失是0.65电子伏特。
从而导致,现实里的结果差不多就是20%*0.95*0.95*0.95*0.95=16.3%。
而现在都还做不到16.3%呢。
不过经过许秋团队的努力,已经非常的接近这个数值了。
剩下的B、C、D三张图片,就是把三维坐标系之下立体的A图,变为二维坐标下的平面图。
也就是分别固定外量子效率、顶电池的光吸收边,以及每个子电池的能量损失,三个变量其中的一个,考察光电转换效率随另外两个变量变化的二维图谱。
其中,光电转换效率同样通过之前的蓝红颜色进行表示,并绘制出等效率线。
值得注意的是,在这些半经验分析图片中,许秋都把填充因子恒定为0.75。
一方面,是因为填充因子相对比较特殊。
它虽然是变量,但影响它的因素非常多,不是很好优化和界定,不像短路电流密度和开路电压,可以认为直接和材料禁带宽度相关。
理论上讲,填充因子主要受到太阳能电池器件本身的影响,最终得到的器件串联电阻越大,并联电阻越小,填充因子就越小。
但实际上,不论是串联电阻还是并联电阻,都是在涂膜后才测试出来的,在涂膜前怎么让这两个数值随心意而改变,是比较难以做到的。
换言之,器件填充因子的优化,几乎是纯粹的结果导向。
填充因子比较小的体系,用到的光电材料以及加工工艺,在发展的过程中会被自动淘汰,或者自动转为冷门的领域。
比如,全聚合物有机光伏的N2200的体系,填充因子通常会比较低,甚至只有0.5、0.6左右,现在做这个领域的研究者就非常的少。
另一方面,也是因为在一个三维立体图谱中,只能有三个自变量,如果再加上一个填充因子作为变量,就需要用到四维坐标系了。
四维坐标系,许秋就算想画,也画不出来。
况且,现在虽说是三个自变量、一个因变量,其实也是有限制的。
其中一个自变量“每个子电池的能量损失”并不是连续变化,而是以0.1电子伏特为间隔跳动变化的。
如果这个变量也连续变化,那么最终得到的就是连续曲面。
点动成线,线动成面,面动成体。
连续变化的曲面就会等效为一个立体的结构。
此时,“每个子电池的能量损失”变量,将取代光电转换效率成为新的z坐标。
而原本是z坐标的效率将“坍缩”为颜色,或者是一个强度值,从而得到一张真·立体图谱。
在纸张这种二维空间中,是无法表达“真·立体图谱”这种三维图谱的。
这也是之前“每个子电池的能量损失”非连续变化的原因。
第二张图片,单结器件相关的表征。
这个和平常发的文章没什么太大的区别,相对比较常规,许秋暂定做四张图片:
顶电池、底电池有效层材料的分子结构;
顶电池、底电池有效层的光吸收光谱;
单结顶电池、底电池器件各自的J-V曲线;
单结顶电池、底电池器件的EQE曲线。
第三张图片,叠层器件相关的的表征。
有些类似于第二张图片,许秋暂定做六张图片:
叠层器件的结构示意图;
能级结构图,包括电极功函数、有效层和传输层HOMO/LUMO能级;
叠层器件效率随着顶电池和底电池厚度变化的二维图谱,类似于第一张图的B、C、D图,光电转换效率用颜色表示,并标注出等效率线;
最佳叠层器件的J-V特性曲线;
最佳叠层器件的EQE曲线,包括两个电池单独的EQE曲线和总的EQE曲线,同时简单分析电流损失分布;
不同光照强度下的最佳叠层器件的J-V特性曲线。
三张图片许秋已经全部绘制完毕。
其中,第一张图片是通用的,第二和三张图片,是许秋根据现有的体系,绘制出来的初代版本,之后如果更新了体系,直接更换即可。
平常发其他文章,还需要编编故事,讲一讲心路历程。
现在许秋准备投的这篇《科学》,反而不需要那些东西,简简单单把结果讲出来就可以。
毕竟,有器件效率这个最大的亮点进行支撑。
不过,现在叠层器件效率只有15%,许秋觉得这个结果还是不够震撼。
如果能够上16%、17%,那就比较稳了。
如果能上20%……
大概可以把工作一拆为二,一篇《自然》、一篇《科学》,也不用纠结到底是先投《自然》还是《科学》了,两边各发一篇。
当然,20%这个数值,现在也就只能YY一下,一时半会儿根本做不上去。
在绘制第一张“半经验分析”图片时,许秋也有了另外一个想法:
现在Y系列材料之所以不适合做叠层器件,主要还是因为没有与之匹配的顶电池材料,也就是光吸收边可以达到1100甚至1200纳米的有机光伏材料。
如果日后能开发出来一种与之适配的体系,说不定真能产生奇迹,把器件效率冲到20%也说不定。
到时候,主要需要解决的问题可能就是“如何缩减超窄带隙有机光伏材料的能量损失”。
不过,那是之后的事情了,Y系列二元单结体系的潜力,到现在还没有完全挖掘出来呢。
最近因为分配给Y系列受体的算力比较少,一直没有什么亮眼的结果出来,Y系列受体体系的最高效率还是卡在14.8%上不去。
在《科学》文章的大框架做好后,许秋没有急着写正文,因为他打算投的是“报告”类型的工作,只有2500个字。
对现阶段的许秋来说,写这种短文就是分分钟的事情,爆肝的话,不到一周时间就能写完。
另外,也是因为这周四《无机功能材料》课程,要进行期末的PPT汇报,他需要花一些时间准备一下。
虽然许秋没有打算投入太多的精力在课程上面,但也不能完全不准备,如果有可能的话,谁不希望自己的成绩全是A呢?
《无机功能材料》课程的授课老师名叫于冰,教授、“杰青”。
他的课题组主要是做储氢材料相关的,组里有三四个博后,因此科研成果还是非常多的,平均每年能发一篇AM、JACS档次的文章,另外杂七杂八的一二区文章也不少。
单论学术成果,于冰课题组在材料系里估计能排的进前五。
至于目前排行第一的课题组是哪个?自然是魏兴思组。
虽然于冰学术工作做的不错,但他在系里的风评并不是很好。
一方面是比较PUSH,这个比较容易理解,能有大量科研成果产出的课题组,九成以上的氛围都是偏向PUSH的,就如同现在国内的盛世,其实从某种程度上说,也是靠着当下一代人高强度996支撑起来的。
另一方面,于冰也比较“小气”,他们实验室的耗材,比如一次性手套会被要求重复利用一周,而且每个月给学生发的钱也不多,就是属于那种博士生不发钱,硕士生只发六百块的组。
当许秋还是科研小白的时候,他曾经比较困惑:怎么导师会不给学生发钱呢?怎么一个月就给学生发几百块?是不是导师把钱偷偷吃了?