模擬實驗室中,許秋發現將“真空放置一段時間”和“頂電池三元化”兩種策略綜合在一起,確實能夠實現11>1的效果。
不過,現階段的最高器件效率仍然沒有突破17,只有16.94,相較于前值的16.66和16.83,提升幅度并不高。
許秋估計是因為摸索時間比較短的緣故。
這種開創性的摸索工作,只能交給模擬實驗室III來進行。
模擬實驗室III中,只有兩個高級模擬實驗人員,就算它們24小時不間斷的工作,加起來的工作效率也只有現實中的十倍左右。
對于普通器件的體系來說,模擬實驗室III出馬,耗費一兩天的時間,就相當于現實中連續工作十多天、二十多天,足夠把條件摸索的較為完美。
而疊層器件的摸索工作非常的繁瑣,給模擬實驗室幾天的時間顯然是不夠的。
雖說如此,模擬實驗室其實已經做了不少的工作,初步得到了器件效率隨頂電池和底電池厚度變化的二維圖譜。
只是這個二維圖譜的精度不夠,還需要進一步的實驗,把最佳條件給找出來。
許秋從二維圖譜中,找到了兩根主要的等效率線。
14等效率線:頂電池厚度處于90180納米范圍內,底電池厚度處于120300納米范圍內的條件下,得到的疊層器件效率,在大多數情況下可以達到14以上。
16等效率線:頂電池厚度處于120150納米范圍內,底電池厚度處于180210納米范圍內的條件下,器件的效率大多數情況下可以達到16以上。
之所以說是大多數情況,是因為得到的等效率線并不是一個矩形,而是一個近似于三角形的樣子。
也很容易理解,比如在第一種14等效率線的條件下,選取兩個邊界條件,頂電池厚度90納米,底電池厚度300納米,這樣得到的器件性能肯定不會很高。
因為底電池做的非常的厚,它會吸收較多的光,短路電流密度較高,而頂電池厚度比較薄,得到的短路電流密度較小,難以和底電池相匹配,進而就會造成器件性能損失。
因此,現在許秋要做的事情,就是在16等效率線中,把最高效率點給找出來。
他打算親自上陣,進行實驗。
之前模擬實驗人員摸索的時候,是以30納米厚度做為間隔摸索的。
許秋準備以10納米為精度,那么頂電池厚度120150納米范圍內,一共有4個檔次,底電池厚度180210納米范圍內,同樣有4個檔次,也就是一共要摸索4416種條件。
如果每種條件制作3批器件,每批器件重復3片,一共1633144片,這太多了,一個半小時絕對做不完。
如果每種條件制作2批器件,每批器件重復2片,一共64片,好像還是挺多的樣子。
思索片刻,許秋決定繼續降低標準:
每種條件制作1批,每批器件重復1片,那么總器件數量就縮減到只有16片。
一般光伏器件都要重復10批以上,但現在許秋沒有那么多時間,就只能希望自己歐一些,可以一發入魂,突破17!
考慮到接下來的實驗工作可能會消耗比較多的時間,許秋先是回到現實。
他看了看周圍,發現沒有什么異常情況,然后調整了一個比較舒服的坐姿,重新返回到模擬實驗室中。
接著,許秋開啟了塵封許久的模擬實驗室I。
隨著系統的不斷升級,模擬實驗室I現在已經可以開啟最高64倍的加速功能。
不過,因為模擬實驗室II和III可以自動掛機的緣故,所以許秋很少用模擬實驗室I。
但其實,64倍的加速,這個功能還是非常強大的。
對于蒸鍍操作來說,本來要抽一個小時的真空,在64倍速的條件下,就只需要一分鐘的時間。
蒸鍍過后要放置12個小時,64倍速換算過來,也只要10分鐘。
當然,積分消耗也是非常的夸張,64倍速使用一個小時,就需要消耗6400積分。
好在許秋現在剩余積分非常的多,有20多W,足夠他揮霍了。
模擬實驗室I中除了可以加速外,還有不少其他額外的好處。
一方面,基片不用清洗。
而且,最近因為在做疊層器件,所以現在的基片都已經按照最佳的條件,旋涂好了用于疊層器件的兩層傳輸層,氧化鋅和PFNBr。
因此,可以直接從底電池的有效層開始旋涂,從而節省大量的時間。
另一方面,模擬實驗人員已經通過若干次旋涂實驗,結合光吸收光譜儀、掃描電子顯微鏡等手段,得到了旋涂轉速和膜厚之間的對應關系。
許秋可以直接按照指定轉速旋涂,即可得到對應的膜厚,不需要自己重復摸索,也節省了不少的時間。
準備就緒,開始實驗。
許秋取來旋涂好兩層傳輸層的基片,首先開始旋涂不同厚度的J4:IDICM,作為底電池有效層。
在旋涂的過程中,并不能全程64倍加速。
比如夾取基片等過程,必須要按正常速度或者低倍加速。
不過,在基片旋轉的時候,還是可以加速的。
換算下來,平常旋涂一片需要用時2分鐘,現在64倍速下,大概需要用1015秒鐘。
16片涂完,一共消耗了5分鐘不到的現實時間。
接下來,許秋繼續旋涂MPEDOT,作為第三層傳輸層,旋涂氧化鋅,作為第四層傳輸層。
這兩層旋涂過后需要擦片、退火。
退火雖然需要十分鐘到十五分鐘,但因為可以把所有基片放在一起退火,所以在64倍加速下,實際耗時可以忽略不計。
兩步旋涂,加上擦片、退火,合計時間每片基片大約30秒左右,共計消耗10分鐘不到。
許秋繼續旋涂頂電池的有效層,PCE10:PCBM:COi8DFIC。
這步耗時和底電池有效層旋涂類似,同樣是5分鐘不到。
最后一步,是蒸鍍三氧化鉬和銀電極。
在蒸鍍之前,許秋突然靈機一動,他把旋涂出來的16片基片,各自復制成10份,準備同時蒸鍍10次,這樣就可以得到10批器件。
雖然這10批器件的有效層都是完全一樣的,但是因為蒸鍍操作有差異,可以以此近似的排除蒸鍍操作對器件性能的影響。
包括之后的真空放置操作,許秋也準備同時復制出來多個器件,然后摸索不同放置時間對器件性能的影響。
這樣,他雖然只做了一批器件,但是實際上已經把包括蒸鍍、真空放置的重復性實驗都同時完成了,有更大的概率可以讓自己的器件效率波動的更高。
這算是作為人的優勢,如果是模擬實驗室的模擬人員進行操作,是玩不出許秋這樣套路的,它們只會按部就班的一批一批器件進行制備。
就是不知道現在許秋把這個方法開發了出來,他們會不會同步的學會,這一點還有待觀察。
接下來,許秋蒸鍍了10批器件,并真空放置,在64倍加速下,加起來一共不到30分鐘時間。
10批器件全部制備完畢,共計耗時45分鐘左右。
看似初始條件下許秋只做了16片器件,但經過兩次復制,總的器件數量已經膨脹到了1000多片。
終于到了激動人心的測試環節了。
因為有加速,所以測試還是比較快的。
基本上連線完成,就可以秒出結果。
差不多平均15秒能測試得到一個結果。
許秋選取了自己蒸鍍時手感最好的那批器件,統一選擇真空放置時間條件為12小時。
開艙,進行測試。
許秋的策略是,把初次測試效率低于16.5的器件直接舍棄。
如果初次能達到16.5,那么就給它三次掃描機會,如果性能達不到17,就直接舍棄。
就這樣,許秋接連測試了1#到12#,共計12片器件。
其中,最好的一個體系是7#,最高效率達到了16.96,離17非常近了。
當時許秋額外破例,給了它更多的幾次機會,結果,越測越低,最后他只好放棄。
直到第13#器件,許秋終于第一次拿到了初始效率超過17的數據,達到了17.07。
他更換了遮擋板的位置,連續掃描了十個數據,最高效率為17.11。
許秋想了想,先把14#、15#、16#測了一遍,發現沒有其他初始效率超過17的器件,然后就開始專攻13#。
13#對應的加工條件,是頂電池厚度約130納米,底電池厚度約190納米的條件。
許秋找到了13#器件上百個“兄弟姐妹”們,進行測試。
首先,是不同蒸鍍批次,同樣12小時真空放置時間下的另外9個13#器件,測試完畢后,最高效率提高至17.27。
接著,是針對效率17.27這個最佳批次下的13#器件,在不同放置時間下的器件進行測試,結果表明,放置時間在16小時的器件,性能最佳,可達17.36。
拿到了最終的17.36的結果,許秋了長呼一口氣。
這一個多小時折騰下來,他基本上沒有一刻是能休息的,全程都在專注的進行高強度操作。
許秋有種身體被掏空,進入了“賢者時間”的狀態。
好在,結果非常的不錯,終于取得了突破。
而且,現在只是初步摸索的結果,之前數據量能做上去的話,器件性能還有進一步提升的空間。
因此,現實中重復出超過17效率的概率非常的高。
許秋看了眼時間,距離考試結束還有二十分鐘左右,便沒有急著出去。
他先是將當下的最佳條件,交給模擬實驗人員進行批量重復,然后開始盤點疊層器件一步步走過來的歷程。
最開始,是基于半透明器件,制備較為簡單的“四終端法”疊層器件,當時底電池用的是半透明器件,結果發現即使是薄層金屬電極,光損失仍然非常高,最終的器件效率總是小于10,這說明“四終端法”并不適合有機光伏體系。
于是,許秋選擇了“二終端法”,開始重新嘗試,結果若干個體系試下來,終于把效率做到了10。
后來,經過一段時間的工藝摸索,許秋選擇了兩個高效率的體系,底電池J2:IDIC4F,頂電池PCE10:IEICO4F,器件效率終于突破12,打破了當時疊層器件的世界紀錄。
再后來,許秋對“二終端法”的疊層器件的器件結構進行優化,不使用中間的薄層電極作為電荷復合層,而是直接用兩層幾乎透明的傳輸層取代,這樣可以顯著減小頂電池器件的光損失,極大的提升頂電池的電流密度,效率躍升到14。
接著,許秋在J2:IDIC4F中引入PCBM,用于調控頂電池和底電池之間的光吸收,使兩者的短路電流密度可以更加容易的匹配,成功將效率沖上15,突破了有機光伏領域公認的一大門檻。
然后,許秋看到Y系列受體在疊層器件中的折戟沉沙,覺得在設計疊層器件結構的時候,不能單單以原單結器件的效率為基準,而是要更多的考慮底電池和頂電池的適配情況,于是他將IDIC4F替換為光吸收范圍偏向于短波長范圍的IDICM,進一步將器件效率往上推進了一些,達到了15.5。
再然后,許秋試圖尋找其他課題組開發的近紅外非富勒烯受體,來取代原先組里使用的IEICO4F,結果發現國家納米科學技術中心李丹課題組開發出來的COi8DFIC,與之前自己的體系最為匹配,最終效率突破16。
前幾天,學妹心血來潮做了一批器件,結果現實器件的效率反超了模擬實驗室的結果,經研究發現“真空放置”可以提升部分體系器件的性能,通過這種策略,成功將效率提升至16.5以上。
同時,許秋還從李丹課題組的三元文章中獲得了靈感,將PCBM從底電池有效層中取出,放到頂電池中,最后同樣將器件效率提高到16.5以上。
現在,許秋整合了“真空放置”和“頂電池三元化”兩大策略,親手操作,終于將器件效率做到了17.36!
盤點完畢,許秋感慨萬分,想要拿到現在這個結果,確實非常的不容易。
即使在有系統這個大殺器的情況下,疊層器件從零開始一步步優化,也花費了兩個多月的時間。
這是許秋迄今為止,耗時最長的一個工作。
按照模擬實驗室的工作效率是現實的十倍來計算,如果換算成現實時間,摸索的過程可能要長達一兩年之久。
其實,這也是CNS級別的工作,普遍需要的工作量。
除非是那種開拓新領域的發現,比如“用膠布撕石墨烯”之類的。
但到了現在的階段,這種新的領域想要開拓出來,非常的困難。
哪怕是諾獎級別的科研大佬,也不能保證自己在有生之年里,還能夠開拓出一個新的領域來,這非常的看運氣。
因此,現階段都是在現有的領域中拼殺,試圖在某個維度上有所突破。
而突破所需要的時間,通常都是以年來計算的。
這也是CNS和AM的不同,許秋疊層器件這一步步優化的過程,如果拆開發表文章的話,每一步優化都能發一篇AM,甚至有的都能達到《自然》大子刊的級別。
現在許秋把它們合到一起,只為沖擊一篇CNS。
除了文章方面,許秋把有機光伏的世界紀錄再次刷新,而且大幅領先于國際其他研究者,這是非常具有里程碑性質的事件。
許秋也算是為國爭光了。
其實,2015年前,國內在光伏能源相關的研究非常的落后。
根據漂亮國國家可再生能源實驗室NREL,出具的各類光伏效率進展圖中,包括硅、銅銦鎵硒、砷化鎵、碲化鎘、有機光伏、鈣鈦礦等各種類型的效率世界紀錄,國內上榜的次數不足一成。
不足一成,那都是好聽的說法,換成不好聽的,就是幾乎為0,榜單上幾乎看不到國內高校或研究所的名字…
占比較多的是NREL本身,它們就是漂亮國專攻光伏、能源相關的研究所,里面有若干個部門,分別攻關不同領域,魏興思之前就是從那邊出來的。
另外上榜次數非常多的組織,還有漂亮國加利福尼亞大學洛杉磯分校,UCLA;袋鼠國新南威爾士大學,UNSW;瑞士洛桑聯邦理工學院,EPFL等等。
當然,這張圖表統計的時間是從1975開始的,國內幾乎沒有上榜,也和國內科研圈是近十年來才開始發力有關。
現階段,除了有機光伏外,包括鈣鈦礦光伏領域,國內的發展也非常好,取得了不少突破性的進展,也算是和有機光伏雙管齊下。
此時,現實中。
講臺上的汪繼增一直在觀察著許秋,他自然聽說過許秋的大名。
不僅如此,他還經常跑到魏興思課題組的網站上,查看許秋最近有沒有什么新的工作發表。
結果,每次看幾乎都有新的文章出來,而且還都是自己求之不得的AM級別以上的文章。
因此,汪繼增非常好奇這位傳奇人物,是怎么做到發文章如喝水一般的呢?
作為一個青椒學者來說,文章就是壓在他們頭上的一座大山。
尤其是像他這種沒有什么背景的青椒副教授,能否晉升教授,幾乎全靠自己的學術成果。
之前在監考助教的名單上看到了許秋,汪繼增還有一絲莫名的感覺。
想著能不能借此機會結識一下對方,請教一下發文章的秘訣,結果發現許秋非常的“高冷”,發完試卷就坐在后面的座位上。
然后,紋絲不動。
是真的那種紋絲不動。
汪繼增內心感慨,果然,別人成功不是偶然的。
這種定力就不是自己能做到的。
就在這時,汪繼增突然看到許秋動了,好像要起身的樣子。
然后起了一半,沒起來,又跌坐了回去,還發出了輕微的撞擊聲。
這是在做什么,一種特殊的修煉手段嗎?
果然,大佬的世界,和我這等凡人并不一樣。
另一方面,許秋從模擬實驗室返回現實,發現自己保持一個動作連續坐一個小時,屁股和腿都坐麻了。
本來想站起來的,結果起了一半發現起不來,就又坐回去了,結果力度沒控制好,發出了“duang”的一聲,好在周邊沒有其他學生,不然就尷尬了。
這讓他想起了之前的黑歷史。
當時許秋在衛生間里以蹲著的狀態,進入模擬實驗室,結果回到現實,發現腿麻了,差點掉坑里…
因此,之后他如果要長時間在模擬實驗室中做實驗的話,基本都會選擇在寢室的床上進入模擬實驗室。
平常在外面的話,一般只是進去看一眼結果就跑,不會待在里面太久。
坐在座位上緩了一陣子后,許秋終于恢復了正常。
他起身巡視了一番,發現這屆學生都比較乖,居然沒有作弊的。
不過仔細想想,這是門專業選修課,可能難度并不是很高。
同時,閉卷考試的考題難度一般也比較低,主要是為了不讓學生掛科。
而開卷考試反而因為可以查閱資料,老師會把難度設置的比較高,不然最后全部都是滿分,就很難給成績。
開卷考試為了區分A檔和其他檔,老師在出題時,要么出幾道有區分度的題目,比如像《復合材料》老師就把課堂上講過的,PPT中沒有的題目考了出來;要么就把試卷題目設置的非常多,用來篩選那些寫字手速比較慢的學生。
許秋溜達了一圈,最后走上了講臺。
他發現從上面往下看,視角非常的清晰,幾乎是一覽無余,如果下面的學生有什么異常的情況,一眼就可以發現。
許秋突然明白,之前他都能發現的作弊現象,大概率監考老師也可以發現,只是他們選擇了“睜一只眼閉一只眼”。
又過了一會兒,考試結束的鐘聲,終于再次響起。
這場考試提前交卷的人并不多,只有三個,剩下的都拖到了最后。
一般要提前交卷的話,都是交的很早,提前二十分鐘或者半小時的樣子。
快到考試快結束的時候,再提前交卷,監考老師一般就不會同意了。
因為可能會比較亂,影響老師收卷,而且在裝訂試卷的時候,需要按照學號進行排列。
如果提前交卷的人太多,亂了順序,還需要手動排列,就比較麻煩。