許秋近期的目標體係是J2:IDIC4F,而這兩種材料還沒有合成出來,他就有些無所事事。
當然,劃水是不可能劃水的,許秋翻了之前搜集到的偏理論研究方麵的文獻,整理了激子結合能以及激子擴散距離的測試方法。
他打算先在ITIC上試試水,到時候可以直接同步應用到IDIC4F體係中。
這兩個實驗還是比較重要的,是他用來衝刺《自然·能源》或《焦耳》的底牌之一。
如果最終的結果和他料想的一樣,把這兩個結論拆開來,估計發一篇NC、一篇AM應該都沒太大的問題。
但現在需要把兩個重要結論,外加效率13.5%的J2:IDIC4F體係合起來衝刺一篇《自然·能源》或《焦耳》。
沒辦法,想要突破AM這個級彆的界限,達到《自然》大子刊級彆,就是這般困難,尤其是對不算太熱門的有機光伏領域來說。
兩項測試中,激子結合能不需要額外購買材料,許秋便先從這項測試入手。
激子結合能,指的是有機光電材料在產生激子(被束縛的電子/空穴對)後,激子拆分成為自由電子/空穴所需要的能量,類似於化學反應活化能的概念。
對於傳統富勒烯體係來說,給體材料是主要的光吸收材料,受體材料的激子結合能沒有意義,因為不吸光嘛,聚合物給體材料,比如P3HT、PCE10等材料的激子結合能通常在0.3電子伏特左右。
這也是為什麼傳統的有機光伏體係中,給體材料和富勒烯受體材料之間要有至少0.3電子伏特的LUMO能級差,就是用來克服給體材料本身的激子結合能,確保產生的激子能夠被拆分,這也使得傳統有機光伏體係的開路電壓天生就少了0.3伏特左右。
這個0.3電子伏特左右的LUMO能級差,也被稱為“驅動力”。
對於ITIC等非富勒烯體係來說,情況就有所不同,受體材料因為吸光,激子結合能就有意義了。
而且,之前學妹的H43:IT4F體係,發現了當H43和IT4F之間的HOMO能級差在0.1電子伏特時,也能表現出高效、快速的電荷拆分、輸運。
這表明ITIC非富勒烯體係,在傳輸電荷的過程中,似乎並不需要“驅動力”。
因此許秋猜測,造成這樣現象最可能的原因,就是ITIC非富勒烯體係的激子結合能比較低,在0.3電子伏特以內。
畢竟激子拆分是個熱力學過程,激子結合能(Eb)的表達公式,類似於活化能的阿倫尼烏斯公式,k=Aexp(Eb/RT)。
在正常的太陽光照度,常溫條件下:
假設激子結合能為0.3電子伏特時,產生的激子大約90%為被束縛的狀態,10%為自由的電子/空穴,這種情況下,需要額外的能級差作為“驅動力”;
而假設激子結合能為0.1電子伏特時,產生的激子大約10%為被束縛的狀態,90%為自由的電子/空穴,這種情況下,大部分激子已經變成了自由的電子/空穴,自然也就不需要能級差作為“驅動力”了。
如果ITIC非富勒烯受體體係的情況是後者的話,也就可以從理論上解釋,為什麼不需要很大的HOMO能級差,也能進行高效、快速的電荷拆分、輸運。
當然,在測試結果沒有出來之前,這些都是猜測,具體結果是怎麼樣,還是要通過實驗來證明的。
實踐是檢驗真理的唯一標準嘛。
在文獻中,低溫熒光發光(PL)測試是最常見測試激子結合能的方法。
具體的操作,就是測試同一樣品在不同溫度下的PL強度,然後通過擬合,得到激子結合能。
理論上,高溫PL也可以達到類似的效果。
不過,相對於高溫測試來說,低溫測試更加準確一些,因為溫度越低PL強度就越高,實驗誤差也就越小。
至於獲得低溫的方法,自然是用液氮冷卻了。
大多數的低溫實驗,采用的都是液氮。
因為液氮太好獲得了,直接可以從空氣中製取,成本很低,基本就是掏點電費。
在常壓下,液氮的溫度為零下196攝氏度,也就是77開爾文。
熱力學擬合計算中,用到的溫度單位都是開爾文(K),其中,絕對零度為0K,0攝氏度約為273K。
在實際操作的時候,想用液氮把溫度降到77K還是比較難的,不過,達到100K,或者150K還是相對比較容易的,之後隻要緩慢升溫到200K、250K左右即可。
確定實驗方法後,許秋用八磅瓶在邯丹校區這邊打了一壺液氮,帶回了216實驗室。
隨後,他取出了魏興思之前從漂亮國帶回來的低溫測試裝置。
這個低溫測試裝置的結構並不複雜,下方是一個密閉的樣品艙,上方是液氮艙。
樣品艙的四周是四片石英玻璃窗口,內部有一個帶加熱器、熱電偶的樣品台。
加熱器用來提升樣品台的溫度,熱電偶用來實時檢測樣品台的溫度。
樣品台上可以直接放置樣品,也可以放入類似EQE測試時用到的樣品托,再外接線路進行低溫電學測試,當然,這裡隻是測個PL而已,就不需要那麼複雜了,直接放上樣品即可。
樣品艙外部連接一個閥門,可以抽真空,然後在測試過程中,保持樣品艙內是近真空的狀態。
樣品艙上方的液氮艙,主要是用來灌液氮提供低溫環境。
液氮艙和樣品艙之間直接通過金屬連接,進行熱傳導。
在測試的過程中,因為樣品艙內是近似真空的環境,樣品台和石英玻璃在空間上是隔開的,之間很難發生熱傳導。