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中係統的研究了一下IDIC體係,利用32倍加速,對FTAZ:IDIC體係進行了包括CELIV、SCLC、GIWAXS、DFT等測試表征,畢竟這個體係之前表現出來一些不同於其他ITIC係列的獨有特性。
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,分彆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。
拿到這些表征數據後,許秋可以初步解釋出現“IDIC體係可以製備厚膜器件,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,可以製備厚膜器件。
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,相較於ITIC的苯基側鏈,IDIC的烷基側鏈有著更小的空間位阻,更利於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→可以製備厚膜器件,能量損失降低,開路電壓提高。
當然,這也隻是許秋整理出來的,他覺得比較合理的一套說法,並不一定就是完全正確的。
畢竟微觀級彆的東西,看不見摸不著,真相究竟如何,誰都很難說明白。
這也是為什麼搞理論的人,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體係的發現,許秋繼續分析、推演,主要方向是怎麼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,類似於甲烷的結構,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分的二麵角。
也就是說,兩個引入的側鏈和中央D單元共軛結構不共平麵。
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,隻是相較於ITIC的位阻更小一些罷了。
但不管怎麼說,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製備電池器件。
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,隻有單根側鏈,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,同樣隻有單根側鏈,而且因為是sp2雜化,側鏈是和中央D單元共軛結構共平麵的,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。
算是走一步閒棋,如果有效果那自然最好,就算沒有效果,也無妨。
等眼下ITIC係列的這些工作完成後,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。
那就是製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。
平常許秋製備的器件都是單結的,也就是一個電池,如果忽略傳輸層,那麼結構就是電極/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(電荷複合層)/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,那麼就是三個有效層,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,在傳統無機矽、砷化镓、CIGS等體係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,把效率做這麼高,已經不是出於商業化應用的考慮了,主要目的是探索科學的邊界。