我有科研辅助系统 第19节

  难道是一道送分题?

  许秋觉得肯定不会这么简单,便向陈婉清问道:

  “学姐,你做P3HT:PC[60]BM器件的效率最高能到多少?”

  “4.5%吧。”陈婉清道。

  “文献里最高不是能到5.6%吗?”

  “不行哎,别人能做那么高,我做不到的。”

  “现在文献中不都是公开实验条件的吗,完全按照他们公布的方法做,也不行吗?”

  “很难的,虽然实验步骤都写出来了,但具体的细节是不清楚的。

  而且不同课题组的设备不同,实验环境也不同,想要完全重复出别人的结果非常困难。

  所以,其他的课题组的实验方法只能作为参考,在自己进行实验的时候,需要靠不断的摸索、改良实验操作。

  这4.5%也是我优化好多次才得到的,刚来的时候我只能做到1%不到。”

  “好吧。”

  果然,系统的进阶任务不会那么容易完成。

  好在,自己站在了学姐的肩膀上,可以继承她的4.5%,只需要再努努力,将其提高至5%以上便可。

  

第二十四章 性能测试

   “接下来,我们检验一下学弟的成果如何吧。”陈婉清道。

  “学姐你放心,肯定没问题的。”许秋自信满满。

  “好呀,那我拭目以待,”陈婉清道:”先教你如何测试。”

  顺着学姐的指引,许秋看向蒸镀机器右边的一套仪器。

  一台电脑、一个带数显面板的盒子、一个集成了八只探针的元件,一个黑色的罩子;

  最显眼的是一个探照灯状的半球体,嵌在手套箱的底部,旁边的铭牌上标注着“Sol3A Class AAA Solar Simulator, 94043A型太阳模拟器”。

  陈婉清没有急着介绍仪器,而是从原理开始:

  “测试过程,简单来说,就是用模拟的太阳光,照射电池器件。

  在此期间,用线性电压扫描,从而得到电流密度随电压变化的曲线,即J-V特性曲线。

  通过J-V特性曲线,可以计算得到器件的短路电流密度Jsc、开路电压Voc和填充因子FF。

  此外,还有输入功率密度,我们模拟的是AM1.5G条件,也就是太阳光入射于地表的平均照度,具体数值为100毫瓦每平方厘米。

  最终,通过公式得出,器件的光电转换效率(PCE)等于Jsc*Voc*FF/输入功率密度。”

  这几个物理量,许秋之前在综述上看到过,所以并不陌生,但模拟光源却是第一次见。

  他疑惑道:“怎么知道这个光源,它模拟的刚好是一个太阳光的强度呢?”

  “最开始使用时,会用标准硅电池标定它的光照强度,”陈婉清解释道:“不过,在长时间使用下,光照强度会衰退,所以每隔一段时间,就需要重新标定,不然测试结果就会偏低。”

  陈婉清继续道:“它有两个开关,一个是总开关,另一个是灯光控制开关。

  把总开关,也就是那个红色的按键从0拨到1,让它先预热起来,一般需要预热十分钟,这段时间我可以给你介绍其他的部件。”

  许秋将总开关打开,仪器内部传来“呼呼”的声音,像是有风扇在运作。

  “学姐,然后是要打开电脑吗?”

  “是的。”

  许秋进入手套箱内,按下电脑的开机键。

  熟悉的XP系统开机画面加载中。

  等了十几秒钟,蓝天白云的电脑桌面出现。

  不过上面干干净净的,除了“我的电脑”外,就只有一个软件,名称是“魔都综合大学物理实验室”。

  “是这个软件吗?”许秋将鼠标移动过去。

  “是的,这个是魏老师从物理系那边要过来的,他们用LabVIEW编写的。”陈婉清道。

  许秋打开软件,发现软件界面没有什么花里胡哨的东西,非常简洁。

  左上方是参数设置区域,左下方是图像显示区域,有横纵两根坐标轴,横轴是电压,单位是伏特,纵轴是电流密度,单位是安培每平方厘米;

  右上方是测试结果显示区域,包括Jsc、Voc、FF、PCE四项,右下方是暗态补偿、启动、停止按钮。

  参数有默认值,基本上已经设置好了。

  起始扫描电压-1伏特,最大电压1伏特,扫描间隔0.01伏特,电池面积0.09平方厘米,暗态补偿0,当前测试条件为暗态。

  熟悉了软件界面后,许秋看向电脑旁边的带数显面板的盒子,问道:

  “学姐,这个是什么?用来测试电流的吗?”

  “很聪明嘛,”陈婉清道:“这个是Keithley 2400源表,它可以提供高度稳定的直流电压,同时实时测试通过的电***度可达1皮安,也就是十的负12次方安培。”

  许秋按下源表的启动键,在“滴”的一声后,仪器启动,两个数显面板亮起,分别显示电流和电压。

  随后,他开始安装基片。

  先取了一片标有“1:1:0,1200r”的氧化锌基片,将基片的背面,也就是玻璃面向下,放置在太阳模拟光源的上方平台。

  平台上有一凹槽,基片刚好可以卡进去,并且正对着模拟光源半球面的上方,

  在开启光源后,光就可以透过玻璃,垂直照射到有效层上,发生光电转换,产生光电流。

  接着,他取来带着八只探针的元件,将其用支架连接,探针朝下,压在基片上方。

  元件外面连接有两组导线,每组导线一黑一红,共四根,以“四线法”的方式与Keithley源表连接着。

  八根探针彼此平行,左右各三根,上下各一根。

  这些探针刚好可以扎在电池器件的边缘。

  其中左右六根探针,刚好扎在器件的六组铝电极的末端,而上下两根则扎在ITO电极上。

  其实六个电池的ITO电极是共用的,只需要一根探针即可,但出于美观、防止探针意外断裂等方面的考虑,还是设计成了两根。

  最后,许秋用黑色的罩子,将太阳模拟光源连同基片、探针元件一起罩起来。

  “好啦,可以准备测试了,”陈婉清道:“测试分为两种,光照和暗态,一般需要先测试一次暗态,然后再持续进行光照下的测试。”

  “因为暗态下,电池器件也会产生少量电流,这部分电流不是因为光照而产生的,所以需要扣除。

  虽然在一般情况下,即使不扣除对结果的影响也不大,但是为了保证结果的严谨性,这个步骤不能省略。”

  “好的。”许秋点击软件的启动按钮。

  “滴。”

  源表开始工作,左侧的电压值以0.01伏特的间隔,从-1伏特开始,不断跳动增加;

  右边电流开始是负值,且只有微安级别,在电压达到0.64伏特后,转为正值,并迅速提高。

  扫描结束,得到结果。

  暗态下,短路电流密度只有-0.0018毫安每平方厘米,光电转换效率为0.0033%。

  许秋点击暗态补偿后,左上角的暗态补偿自动变为-0.0033%。

  看到短路电流密度为负值,他疑惑道:“学姐,这个Jsc为什么是负值呢,文献中都是正值。”

  “这是测试方法导致的,我们给电池提供的是一个反向的偏压,用来抵消它产生的光生电流,因此测得的电流就是负值,代表电流方向与电压方向相反。而在电池器件实际工作的时候,就是正值了。”陈婉清道。

  许秋若有所思的点点头。

  然后,他将软件的测试条件更改为亮态,打开模拟光源的灯光控制开关。

  “啪”的一声响,黑色罩子底部透出一丝丝光线。

  许秋点击启动按钮,电压扫描过后,得到亮态J-V特性曲线。

  软件界面的右边,显示有四项光电参数,短路电流密度为-11.02毫安每平方厘米,开路电压为0.65伏特,填充因子为0.60,光电转换效率为4.30%。

  “学弟,厉害啊!”看到实验结果,陈婉清略显激动道:“第一次做器件就成功啦。”

  

第二十五章 论研究领域的重要性

   “还是学姐更厉害啊,最高能做到4.5%。”许秋道。

  “我那4.5%是最高值,”陈婉清道:“做了几十批器件,只有两次达到过那么高,大多数时候还是在4%到4.4%之间徘徊。”

  “要不是学姐把条件都摸清楚,装置、设备都搭好、接好了,我也不会这么顺利。”许秋道。

  “好啦,不要谦虚了,”陈婉清道:“继续测吧,还要测好久呢。”

  其实在实验结果出来之前,她内心还是有些紧张的,毕竟这是她需要的数据。

  在进行实验时,总会遭遇各种意外,有些可以依靠经验避免,有些则不能。

  比如:清洗好的基片不翼而飞;马上要旋涂有效层时,发现手套箱的氧含量>500ppm;蒸镀到一半保险丝熔断了等等。

  尤其是对于器件制备这样的多段实验来说,其中任何一个步骤出现意外,都可能导致整个实验失败。

  最主要的是,实验的操作者不是她自己,她不确定许秋能不能处理好实验过程中遇到的各种意外情况。

  “现在看来,学弟还是靠谱啊,以后可以再多给他加些担子啦。”陈婉清心中美滋滋的想着。

  相对来说,许秋还是比较淡定的。

  他觉得自己完全按照规范操作,如果这样还失败,那他……

  也没有办法。

  谋事在人,成事在天。

  他只能重新做,试图寻找原因。

  排除了操作方面的原因,那便可能是药品、仪器以及意外造成的原因。

  …………

  许秋继续在光照条件下,对器件进行反复扫描测试,每次测试都保存一次数据。

  光电转换效率在不断波动:

  4.30%、4.36%、4.33%、4.28%、4.30%、4.26%、4.24%、4.25%、4.22%……

  看着这个变化趋势,许秋问道:

  “为什么转换效率在波动下降呢?”

  “因为有效层中的PC[60]BM不稳定,”陈婉清解释道:“在长时间光照下它会产生二聚体,破坏原有的共混薄膜形貌,造成光电转换效率的衰减。”

  “那这种材料对光不稳定,为什么还用来做太阳能电池?这不是坑嘛。”许秋不解。

  “嗯……站在工业化应用的角度来看,确实是个巨大的问题,”陈婉清道:

  “但如果这种材料是完美的,那它也就没有在实验室研究它的必要了,直接拿来工业化应用就可以啦。

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