388 哇,世界纪录又被我打破了呢(求订阅)
晚上,许秋回到寝室,看到室友孙一凡坐在桌子前打着个台灯,对着电脑搓炉石。
孙一凡招呼道:“许秋,回来啦,你看到辅导员发的名单了嘛,我们直博生没人权啊,居然都只有二奖,一奖都被硕博连读的给捞走了。”
许秋耸了耸肩,附和了一句:“是啊,我之前也以为我们是一奖呢……不过一奖、二奖也差不多,估计最多也就相差一两千块钱,洒洒水啦。”
“那倒也是,”孙一凡点点头,随口问道:“对了,许秋你有申请国奖嘛?我记得你本科文章好像发了不少吧。”
“嗯,申请了。”许秋回应道。他在孙一凡后面看了一会儿,游戏刚开局,双方都是30血,看不出什么来,WAR3他是玩过的,但暴雪之后出的包括WOW、炉石之类的都没有接触过。
孙一凡突然说道:“我听说我们博士班的班长,穆雪也申请了国奖。”
许秋愣了一下,问道:“穆雪,她不是从清北大学保研过来的嘛,怎么申请的?”
孙一凡摇摇头:“那我就不清楚了。”
两人又聊了几句,许秋听到外面洗手间的浴室有人出来,便带着洗浴用品和一卡通洗澡去了。
平常许秋和孙一凡的交流并不多,不像本科时候的室友那么频繁,当然,也可能是陶焱比较自来熟的缘故。
洗完澡后,许秋往床上一趟,进入模拟实验室。
这些天,针对半透明电池器件,他已经在模拟实验室中进行了不少的尝试,并获得了一些前期工作的结果。
半透明器件的制备难度并不大,和传统器件的唯一不同之处就是,电极被更换为了半透明电极材料,包括薄层金属、银纳米线或是ITO等。
其中,ITO的制备难度太高,需要用到磁控溅射等手段,于是许秋就只尝试了旋涂银纳米线,以及蒸镀薄层金属电极这两种。
之前,许秋本来以为银纳米线旋涂出来,可以兼具导电性和透光性两大优点,成为非常完美的半透明电极材料。
但是在实际操作过程中发现,结果并不理想。
他使用蓝河公司购买的银纳米线溶液旋涂出来的薄膜,透光性是满足了,看起来非常的通透,可导电性方面就扑街了,制备出来的器件直接是断路状态。
为了探明原因,许秋用万用表测试了一下银纳米线薄膜的电阻,发现它的阻值在千欧的级别,而平常ITO电极的电阻阻值一般在几欧姆的级别,差了三个数量级以上。
后来,他进一步的探索,用AFM、TEM、SEM等各种电镜进行观察,反正模拟实验室里电镜也不花钱,就索性全用上测一遍。
最终结果显示,旋涂得到的银纳米线很多根都是近似平行的或者堆在一起的,而且还有一些已经断掉了的纳米线。
纳米线这种东西想要具有良好的导电性,必须要每根纳米线相互之间接触良好,形成一种类似于网格状的结构。
因此,现在这样的微观结构,导电率低下也就很容易理解了,可能的原因是旋涂过程中对银纳米线造成了取向和破坏。
为了试图解决这个问题,许秋浏览了一下小虫子网站。
发现其他人在旋涂银纳米线的时候,也出现过类似的问题,包括导电性差、稳定性差等,而且没有太好的解决方法。
于是,许秋又去查阅了一些文献,发现制备银纳米线导电薄膜的常用方法,是刮涂、滴涂,以及“slot-die”的方法。
所谓“slot-die”的方法,有点像是刮涂的进阶版本,就是在基片上方一定高度处放一个窄槽,这个窄槽里面不断注入有效层或者传输层溶液,这些溶液会从窄槽中滴落,落到基片上成膜,因为是窄槽,所以形成的薄膜也是细细的窄膜。这个时候,让溶液在滴落的过程中,以一定的速率同步的移动窄槽,就可以使得滴落后的溶液扑满窄槽扫过的面积,也即得到一层薄膜。
“slot-die”和刮涂的区别就是刮涂是先把溶液滴在基片上,而“slot-die”是溶液在窄槽内,然后一点点的往出流,因此工艺难度很稍微高一些。
许秋的这番操作,其实也是他在遇到实验失败时的常规步骤:
首先根据实验现象推断可能的原因;
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,PLANA(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PLANB,所以他也懒得去优化银纳米线制备工艺了,直接暂时放弃PLANA,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YangYang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%、%和%,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%、%和%,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%、%和%,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%、%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%、%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%、%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。
因为金的密度是克每立方厘米,银的密度是克每立方厘米,而铝只有克每立方厘米。
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。
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孙一凡招呼道:“许秋,回来啦,你看到辅导员发的名单了嘛,我们直博生没人权啊,居然都只有二奖,一奖都被硕博连读的给捞走了。”
许秋耸了耸肩,附和了一句:“是啊,我之前也以为我们是一奖呢……不过一奖、二奖也差不多,估计最多也就相差一两千块钱,洒洒水啦。”
“那倒也是,”孙一凡点点头,随口问道:“对了,许秋你有申请国奖嘛?我记得你本科文章好像发了不少吧。”
“嗯,申请了。”许秋回应道。他在孙一凡后面看了一会儿,游戏刚开局,双方都是30血,看不出什么来,WAR3他是玩过的,但暴雪之后出的包括WOW、炉石之类的都没有接触过。
孙一凡突然说道:“我听说我们博士班的班长,穆雪也申请了国奖。”
许秋愣了一下,问道:“穆雪,她不是从清北大学保研过来的嘛,怎么申请的?”
孙一凡摇摇头:“那我就不清楚了。”
两人又聊了几句,许秋听到外面洗手间的浴室有人出来,便带着洗浴用品和一卡通洗澡去了。
平常许秋和孙一凡的交流并不多,不像本科时候的室友那么频繁,当然,也可能是陶焱比较自来熟的缘故。
洗完澡后,许秋往床上一趟,进入模拟实验室。
这些天,针对半透明电池器件,他已经在模拟实验室中进行了不少的尝试,并获得了一些前期工作的结果。
半透明器件的制备难度并不大,和传统器件的唯一不同之处就是,电极被更换为了半透明电极材料,包括薄层金属、银纳米线或是ITO等。
其中,ITO的制备难度太高,需要用到磁控溅射等手段,于是许秋就只尝试了旋涂银纳米线,以及蒸镀薄层金属电极这两种。
之前,许秋本来以为银纳米线旋涂出来,可以兼具导电性和透光性两大优点,成为非常完美的半透明电极材料。
但是在实际操作过程中发现,结果并不理想。
他使用蓝河公司购买的银纳米线溶液旋涂出来的薄膜,透光性是满足了,看起来非常的通透,可导电性方面就扑街了,制备出来的器件直接是断路状态。
为了探明原因,许秋用万用表测试了一下银纳米线薄膜的电阻,发现它的阻值在千欧的级别,而平常ITO电极的电阻阻值一般在几欧姆的级别,差了三个数量级以上。
后来,他进一步的探索,用AFM、TEM、SEM等各种电镜进行观察,反正模拟实验室里电镜也不花钱,就索性全用上测一遍。
最终结果显示,旋涂得到的银纳米线很多根都是近似平行的或者堆在一起的,而且还有一些已经断掉了的纳米线。
纳米线这种东西想要具有良好的导电性,必须要每根纳米线相互之间接触良好,形成一种类似于网格状的结构。
因此,现在这样的微观结构,导电率低下也就很容易理解了,可能的原因是旋涂过程中对银纳米线造成了取向和破坏。
为了试图解决这个问题,许秋浏览了一下小虫子网站。
发现其他人在旋涂银纳米线的时候,也出现过类似的问题,包括导电性差、稳定性差等,而且没有太好的解决方法。
于是,许秋又去查阅了一些文献,发现制备银纳米线导电薄膜的常用方法,是刮涂、滴涂,以及“slot-die”的方法。
所谓“slot-die”的方法,有点像是刮涂的进阶版本,就是在基片上方一定高度处放一个窄槽,这个窄槽里面不断注入有效层或者传输层溶液,这些溶液会从窄槽中滴落,落到基片上成膜,因为是窄槽,所以形成的薄膜也是细细的窄膜。这个时候,让溶液在滴落的过程中,以一定的速率同步的移动窄槽,就可以使得滴落后的溶液扑满窄槽扫过的面积,也即得到一层薄膜。
“slot-die”和刮涂的区别就是刮涂是先把溶液滴在基片上,而“slot-die”是溶液在窄槽内,然后一点点的往出流,因此工艺难度很稍微高一些。
许秋的这番操作,其实也是他在遇到实验失败时的常规步骤:
首先根据实验现象推断可能的原因;
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,PLANA(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PLANB,所以他也懒得去优化银纳米线制备工艺了,直接暂时放弃PLANA,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YangYang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%、%和%,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%、%和%,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%、%和%,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%、%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%、%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%、%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。
因为金的密度是克每立方厘米,银的密度是克每立方厘米,而铝只有克每立方厘米。
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。
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