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349 沖擊CNS頂刊的途徑

更新時間:2024-06-07  作者:肥美的韭菜
接下來,許秋遵照之前的策略,安排模擬實驗人員合成包括IDIC4F、IDICM、ITICTh4F等在內的十數種新的非富勒烯受體材料。

他本人則在模擬實驗室I中系統的研究了一下IDIC體系,利用32倍加速,對FTAZ:IDIC體系進行了包括CELIV、SCLC、GIWAXS、DFT等測試表征,畢竟這個體系之前表現出來一些不同于其他ITIC系列的獨有特性。

其中,CELIV和SCLC的結果表明,IDIC的電子遷移率是ITIC的3倍左右。

GIWAXS和DFT的結果,分別在實驗以及理論上證明,IDIC分子在結晶時會呈現出更加緊密的分子排布。

拿到這些表征數據后,許秋可以初步解釋出現“IDIC體系可以制備厚膜器件,同時能量損失比較低,開路電壓也比較高”這一實驗現象的原因。

因為在有機光伏器件有效層的內部,正、負電荷是在給體、受體形成的單獨聚集相區之內進行輸運,當受體材料的晶區中,受體分子呈現出更加緊密的分子排布時,電子在分子間的輸運將更容易進行,從而提升電子遷移率,進而降低能量損失,可以制備厚膜器件。

往前推演一步,造成IDIC分子具有更為緊密的分子排布的原因,便是側鏈的改變,相較于ITIC的苯基側鏈,IDIC的烷基側鏈有著更小的空間位阻,更利于兩個受體分子之間堆疊。

總結下來,從微觀分子結構到宏觀器件表現有一套完整的因果鏈:

側鏈改變→分子間位阻減小→有效層中受體分子排布變得緊密→電子遷移率提高→可以制備厚膜器件,能量損失降低,開路電壓提高。

當然,這也只是許秋整理出來的,他覺得比較合理的一套說法,并不一定就是完全正確的。

畢竟微觀級別的東西,看不見摸不著,真相究竟如何,誰都很難說明白。

這也是為什么搞理論的人,互相都會看對方不順眼,隨時會開噴。

就是因為很多事情都不會有一個確切的真相,公說公有理婆說婆有理。

而不像搞材料的,就比較簡單粗暴,比較客觀。

比如我這邊光電轉換效率13,你不信,覺得我數據是假的,那我就做個第三方檢測唄,結果出來,確實是13,爭論自然就平息了。

針對IDIC體系的發現,許秋繼續分析、推演,主要方向是怎么讓電子遷移率進一步提高,讓能量損失進一步降低。

他發現不論是ITIC還是IDIC,中央D單元都是IDTT單元,為了保證分子的溶解度,引入側鏈的方式是通過sp3雜化的碳原子。

而sp3雜化的碳原子,類似于甲烷的結構,在空間中會伸出兩個支鏈,和中央D單元共軛結構呈現大約為109度28分的二面角。

也就是說,兩個引入的側鏈和中央D單元共軛結構不共平面。

在這種情況下,即使是IDIC這樣具有烷基支鏈的分子,當兩個IDIC分子在垂直方向上進行堆砌時,其實也是會形成較大的位阻,只是相較于ITIC的位阻更小一些罷了。

但不管怎么說,受體分子中的側鏈還是得要的,不然材料都溶解不了,自然也無從用溶液法制備電池器件。

想要解決這個問題,許秋暫時想到了兩種方法,主要思路是變換引入側鏈的方法。

一種方法,是利用氮原子引入側鏈,同為sp3雜化的氮原子,因為孤對電子的存在,只有單根側鏈,可以一定程度的降低位阻。

另一種方法,是利用sp2雜化的碳原子,也即苯環或噻吩環上的碳原子,這種情況下的碳原子,同樣只有單根側鏈,而且因為是sp2雜化,側鏈是和中央D單元共軛結構共平面的,也可以大幅度降低位阻。

不過,如果采用這兩種策略的話,算是對D單元進行大幅度的改變,原先IDT、IDTT的合成思路肯定是沒法用了,合成難度會大幅度增加,又是全新的結構,需要大量的摸索。

許秋打算把這個初步的想法暫時交給模擬實驗室III,讓高級實驗人員幫忙摸索著。

算是走一步閑棋,如果有效果那自然最好,就算沒有效果,也無妨。

等眼下ITIC系列的這些工作完成后,他再投入精力攻關就是了。

除了這種大幅度對分子結構進行改性的手段,許秋還有另外一種可行的策略,有望實現器件效率的突破。

那就是制備疊層太陽能電池器件。

所謂疊層器件,顧名思義,就是多個電池串聯,“疊”在一起。

平常許秋制備的器件都是單結的,也就是一個電池,如果忽略傳輸層,那么結構就是電極/有效層/電極。

要是雙結疊層電池器件,分為雙終端結構和四終端結構,雙終端結構就是電極/有效層1/電極(電荷復合層)/有效層2/電極,四終端結構就是兩個“電極/有效層/電極”。

要是三結疊層電池器件,那么就是三個有效層,四結就是四個有效層。

五結,暫時沒聽說過……

漂亮國的國家可再生能源實驗室(NREL),也就是魏興思回國前的工作單位,在傳統無機硅、砷化鎵、CIGS等體系中常年保持著各項世界紀錄,按照2015年8月份的數據,三結器件的最高效率已經達到了44.4,四結更是到了46.0。

當然,把效率做這么高,已經不是出于商業化應用的考慮了,主要目的是探索科學的邊界。

換句話來說,就是想知道以人類的力量,能把這個光電轉換效率的數值堆到多高。

在實際應用上呢,并沒有太多的意義。

一方面,30和40差距并不大,只差三分之一罷了,又不像效率從1提升到11,有10倍的差距;

另一方面,對于效率這么高的太陽能電池體系,基本上都用到了砷化鎵,這玩意的成本非常高,只能用于軍用或高端應用領域,比如衛星、空間站之類的,就算把效率優化到100,也沒有民用的價值。

這種疊層器件,是串聯的結構,但和普通干電池的那種串聯有所不同。

疊層器件在空間結構上是一個整體,不論是“雙終端”還是“四終端”,都是一個器件只吸收一單位的太陽光。

比如,對于一個雙結有機太陽能電池疊層器件來說,當太陽光入射后,首先經過頂電池,吸收了300600納米的光,然后剩余的主要是波長大于600納米的光,將被底電池再次吸收。

聽起來很美好,可以規避有機光伏器件激子吸收特性帶來的光吸收范圍窄的問題,有效的利用太陽光能。

但實際上,疊層器件在有機光伏領域的表現并不如意。

目前,純有機光伏的疊層器件的效率,只有12左右,本來和單結器件的12.21相當,而當許秋將單結效率突破到接近13后,疊層器件的性能實際上已經落后于單結了。

主要還是因為之前常年使用的PCBM富勒烯衍生物體系,受體材料幾乎不能吸可見光,只能依靠給體材料吸光。

如果考慮到光吸收互補,采用一個窄帶隙給體的體系和一個寬帶隙給體的體系的話,由于窄帶隙的給體材料對應的短路電流通常較高,可能出現頂電池和底電池電流不匹配的問題。

因為器件是串聯連接的,根據中學物理知識,串聯電路電流處處相等。

假如上下兩個電池器件的短路電流密度差距過大,比如一個10毫安每平方厘米,另一個6毫安每平方厘米,那么最終表現出來的電流就會在6毫安每平方厘米左右。

對于第一個電池來說,就會直接損失大約40的效率。

電壓方面的問題倒是不大,各個電池之間近似是線性疊加的,比如一個是0.8伏特,另一個是0.7伏特,那么最終就是1.4、1.5伏特的樣子。

除了短路電流方面的問題,另外還有加工工藝上的問題。

有機光伏領域現有文獻報道的疊層器件,大多數都是雙結兩終端的結構,在制備疊層器件時,兩個電池中間需要有一層電荷復合層,通常采用的是導電的電極材料。

而這層電極必須是透光的,因為如果不透光,下層的電池就廢了,沒有光可吸收了。

透光的電極,比如ITO,不能通過溶液法制備,只能用磁控濺射等方法。

而磁控濺射的話,一方面溫度高,可能破壞有效層的結構,另一方面,一臺磁控濺射的設備,一般需要5080萬,就用來做個ITO電極,有點大炮打蚊子的意思,除非是那種大課題組,經費花不完,才會買一臺用用。

基于ITO制備困難的現狀,主流的思路是采用金屬電極作為電荷復合層,需要解決的主要問題就是透光性。

其中一個方法,可以采用薄的金屬電極作為電荷復合層,比如蒸鍍幾納米的銀,可以兼顧導電率和透光率。

日常生活中的金屬不透光,本質是金屬原子把入射的光子都吸收或反射了,而在幾納米這個尺度下,哪怕是金屬,也可以透光,當然,透光率不會太高,可能在50左右。

這種方法的優點是制備工藝簡單,只需要修改蒸鍍電極時的厚度即可,缺點則是透光性不理想。

另外一個方法是采用銀納米線、銀納米顆粒等方法,優點是透光性會好一些,缺點是制備工藝比較復雜。

總結下來,制備疊層器件的思路,就是:

利用新開發出來的一系列ITIC衍生物非富勒烯材料,從中找到兩個光吸收、短路電流適配的體系,再解決加工工藝方面的難題,最終實現器件效率的飛躍。

根據理論計算,如果一切順利,效率將有望達到15以上!

這便是許秋試圖沖擊CNS頂刊的途徑。

當然,實際做起來,肯定要分成多步進行,徐徐圖之。

因為疊層器件的工藝難度很大,國內能做疊層器件的課題組也不多,徐正宏算是一個主力,主要是老外在做。

許秋打算先從半透明器件開始入手,這算是制備疊層器件的一個前置條件,像是四終端法的頂電池,其實就是一個半透明器件。

而且,制備半透明器件,還有其他額外的好處:

一方面課題組里開發出來的近紅外非富勒烯受體,比如FN4F、IEICO4F、IEICO4Cl,這些可以利用起來發一些文章;

另一方面這也是有機光伏未來商業化的亮點之一,可以和藍河那邊進行合作,比如把柔件制作成各種各樣的顏色,然后可以貼在樓宇外側,用來裝飾發電。

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