晚上，许秋回到寝室，看到室友孙一凡坐在桌子前打着个台灯，对着电脑搓炉石。孙一凡招呼道：“许秋，回来啦，你看到辅导员发的名单了嘛，我们直博生没人权啊，居然都只有二奖，一奖都被硕博连读的给捞走了。”许秋耸了耸肩，附和了一句：“是啊，我之前也以为我们是一奖呢……不过一奖、二奖也差不多，估计最多也就相差一两千块钱，洒洒水啦。”“那倒也是，”孙一凡点点头，随口问道：“对了，许秋你有申请国奖嘛？我记得你本科文章好像发了不少吧。”“嗯，申请了。”许秋回应道。他在孙一凡后面看了一会儿，游戏刚开局，双方都是30血，看不出什么来，WAR3他是玩过的，但暴雪之后出的包括WOW、炉石之类的都没有接触过。孙一凡突然说道：“我听说我们博士班的班长，穆雪也申请了国奖。”许秋愣了一下，问道：“穆雪，她不是从清北大学保研过来的嘛，怎么申请的？”孙一凡摇摇头：“那我就不清楚了。”两人又聊了几句，许秋听到外面洗手间的浴室有人出来，便带着洗浴用品和一卡通洗澡去了。平常许秋和孙一凡的交流并不多，不像本科时候的室友那么频繁，当然，也可能是陶焱比较自来熟的缘故。洗完澡后，许秋往床上一趟，进入模拟实验室。这些天，针对半透明电池器件，他已经在模拟实验室中进行了不少的尝试，并获得了一些前期工作的结果。半透明器件的制备难度并不大，和传统器件的唯一不同之处就是，电极被更换为了半透明电极材料，包括薄层金属、银纳米线或是ITO等。其中，ITO的制备难度太高，需要用到磁控溅射等手段，于是许秋就只尝试了旋涂银纳米线，以及蒸镀薄层金属电极这两种。之前，许秋本来以为银纳米线旋涂出来，可以兼具导电性和透光性两大优点，成为非常完美的半透明电极材料。但是在实际操作过程中发现，结果并不理想。他使用蓝河公司购买的银纳米线溶液旋涂出来的薄膜，透光性是满足了，看起来非常的通透，可导电性方面就扑街了，制备出来的器件直接是断路状态。为了探明原因，许秋用万用表测试了一下银纳米线薄膜的电阻，发现它的阻值在千欧的级别，而平常ITO电极的电阻阻值一般在几欧姆的级别，差了三个数量级以上。后来，他进一步的探索，用AFM、TEM、SEM等各种电镜进行观察，反正模拟实验室里电镜也不花钱，就索性全用上测一遍。最终结果显示，旋涂得到的银纳米线很多根都是近似平行的或者堆在一起的，而且还有一些已经断掉了的纳米线。纳米线这种东西想要具有良好的导电性，必须要每根纳米线相互之间接触良好，形成一种类似于网格状的结构。因此，现在这样的微观结构，导电率低下也就很容易理解了，可能的原因是旋涂过程中对银纳米线造成了取向和破坏。为了试图解决这个问题，许秋浏览了一下小虫子网站。发现其他人在旋涂银纳米线的时候，也出现过类似的问题，包括导电性差、稳定性差等，而且没有太好的解决方法。于是，许秋又去查阅了一些文献，发现制备银纳米线导电薄膜的常用方法，是刮涂、滴涂，以及“slot-die”的方法。所谓“slot-die”的方法，有点像是刮涂的进阶版本，就是在基片上方一定高度处放一个窄槽，这个窄槽里面不断注入有效层或者传输层溶液，这些溶液会从窄槽中滴落，落到基片上成膜，因为是窄槽，所以形成的薄膜也是细细的窄膜。这个时候，让溶液在滴落的过程中，以一定的速率同步的移动窄槽，就可以使得滴落后的溶液扑满窄槽扫过的面积，也即得到一层薄膜。“slot-die”和刮涂的区别就是刮涂是先把溶液滴在基片上，而“slot-die”是溶液在窄槽内，然后一点点的往出流，因此工艺难度很稍微高一些。许秋的这番操作，其实也是他在遇到实验失败时的常规步骤：首先根据实验现象推断可能的原因；然后用便宜的方法（万用表）初步确认原因；再用贵的方法（各种电镜）确认原因，当然如果组里没钱的话，这一步可以省略；接着，去小虫子看看其他人有没有类似的情况，他们是怎么解决的；最后翻文献，找到解决或者替代的方法。这些顺序也不是完全固定的，可以根据实际需要进行调整。另外，之所以首先要去小虫子逛逛，是因为这里是关于科研的中文论坛，大佬们层出不穷，如果能精准的搜索到别人已经解决的问题，就会省下不少时间，类似于程序圈里用别人造好的轮子。毕竟，检索SCI论文花费的时间可不少，很多时候可能一个小时过去了，好不容易找到了几篇相关的文献，但最后发现都没什么用，解决不了问题。当然，也不是每次经过这番操作，都能解决实验失败的问题。就比如这次，许秋一顿操作猛如虎，最终得出结论，PLANA（计划A）扑街。即基于实验室现有的设备，用银纳米线薄膜的这个方法制备半透明器件的顶电极并不合适。不过，许秋丝毫不慌。因为他还有PLANB，所以他也懒得去优化银纳米线制备工艺了，直接暂时放弃PLANA，先用薄层金属电极的方法搞起，日后如果有需要的话，再重新尝试也不迟。在正式的实验之前，许秋对现有的半透明器件文献做了一个简单的总结。他发现半透明器件这个概念在好几年前就有了，文献也不少，光一区二区的文章就有十多篇，不少都是国外一个大组YangYang发表的。不过，之前只有富勒烯的体系，虽然可见光范围内的平均透过率（AVT）可以做的很高，最高甚至能达到50%，但效率（PCE）一直上不去。光有AVT，没有PCE，这就和“只要面子，没有里子”差不多，就比如50%的AVT配上1%的PCE，没什么太大的意义，光伏器件最终还是得回归到效率的比拼上。目前，性能最好的一个工作是基于PCE10:PCBM的半透明器件，效率只有7%，AVT也只有25%，他们采用的电极是薄层的10纳米银电极。正式实验的时候，许秋尝试了三种薄层电极，分别是常用的金、银、铝，以PCE10:IEICO-4F和PCE10:FNIC-4F两个体系作为标样，制备了不同厚度金属电极的器件，从5纳米到正常的100纳米不等。最终的结果，以PCE10:IEICO-4F体系为例。电极厚度在100纳米条件下，金、银、铝电极，器件最高效率分别为12.3%、12.4%和12.5%，三种电极的器件效率相当。此时器件的AVT约为0，即器件几乎完全不透过可见光。50纳米条件下，最高效率分别为12.0%、12.1%和12.0%，三种电极的器件效率仍然相当。此时器件的AVT同样约为0。30纳米条件下，最高效率分别为10.8%、11.0%和6.2%，三种电极的器件效率产生分化，其中金、银作为电极的器件，效率衰减不明显，而铝作为电极的器件，效率衰减比较严重。此时器件的AVT达到了5%-10%，可见光有部分可以透过，可以模模糊糊的看到器件背后的东西。20纳米条件下，最高效率分别为9.4%、10.2%和0%，金、银作为电极的器件，效率衰减仍不明显，而铝作为电极的器件，已经断路。此时器件的AVT达到了10%-20%，可见光有部分可以透过，可以模模糊糊的看到器件背后的东西。10纳米条件下，最高效率分别为8.0%、9.0%和0%，金、银作为电极的器件，也开始发生分化，银电极的器件效率更高。此时器件的AVT达到了20%-40%，可见光有较大的一部分可以透过，可以较为清楚的看到器件背后的东西。5纳米条件下，最高效率分别为5.3%、1.2%和0%，金电极器件仍然能保持一定的器件效率，而银电极器件效率直接跳水，接近于断路。此时器件的AVT达到了30%-45%，可见光有较大的一部分可以透过，可以很清楚的看到器件背后的东西。另外，电极厚度降低的过程中，器件的效率衰减主要是因为短路电流密度降低所致，开路电压、填充因子两项参数几乎保持不变。针对这些实验现象：小学生的水平，能够得出比较简单的结论。哇，世界纪录又被我打破了呢。这也很正常，以许秋现在手中拥有的资源，不选择某个细分领域也就罢了，一旦选择了某个领域，那也就标志着这个细分领域的世界纪录就要易主了。毕竟，他现在已经暂时成为有机光伏这个大领域的领路人。中学生的水平，可以稍微往深想一想。制备半透明器件，铝电极就是个垃圾，电极还没等达到半透明呢，器件就已经扑街了。大学生的水平，再往深想一想。当前的体系选用银电极比较好，在10-20纳米比较合适的区间内，器件性能都是最佳的那一个，这或许和他是导电性能最好的金属材料有关。硕士生的水平，再再再往深想一想。金电极在5纳米的厚度下，性能反超了银，这说明金属电极能否在薄层状态下导电，密度可能是一个非常关键的因素。因为金的密度是19.32克每立方厘米，银的密度是10.49克每立方厘米，而铝只有2.70克每立方厘米。金属导电的实质，是金属原子之间通过形成“电子气”来传导电子，这里导电有个前提条件，那就是金属原子之间要连续，不能有太多的缺漏。在金属膜比较厚的时候，密度小一些也无所谓，反正可以近似实现紧密堆积，就算偶尔有缺陷，旁边也有其他的金属原子兄弟可以代为传递；而当金属层比较薄的时候，密度小的金属材料在蒸镀时，就会更容易出现不均匀、不致密的现象，这时产生了缺陷，结果旁边没有金属原子兄弟帮忙了，那导致无法顺畅的传导电子，从而造成断路。博士生的水平，还能再再往深想一想。相较于不透明的金属电极，半透明金属电极造成器件性能损失的一个主要来源，是电极导电率的下降，直接影响电极收集电荷的能力，从而造成短路电流密度的降低，最终导致器件效率的衰减。但还有另外一个性能损失的来源，那就是来自不透明金属电极的二次反射光会变少。这个该怎么理解呢？当太阳光入射一个光伏器件表面后，有一部分光会直接反射、散射损失掉，有一部分会转化为热能损失掉，在这之后的太阳光会到达有效层。有一部分到达有效层的光会被有效层吸收，形成激子，之后拆分输运，形成电流，而还有一部分则会穿过有效层，到达顶电极的位置。假如顶电极是100纳米厚的金、银、铝，也就是不透光的，因为金属会反射光，就会让这一部分透过有效层的光重新回到有效层，也就是所谓的“二次反射”，同样会对器件效率造成一定的贡献。而现在金属电极变得半透明了，这部分光就会部分发生“二次反射”，部分穿过金属电极损失掉。到了许秋的水平，他将上述这些整合了起来，想到了一种多层的薄层电极结构。这种薄层金属的结构，是先蒸镀一层薄薄的相对比较致密的金，比如一纳米厚度，然后再往上蒸镀导电性能更好的银，比如10-20纳米。这样的结构，可以产生的预期效果就是：超薄的金层提供了致密的成核中心，从而降低银膜向传输层和有效层中的渗透厚度，提高银膜在低厚度下的均匀性，保证连续银膜的形成，从而得到兼具高透射率和低电阻的薄层金属电极。当然，分析归分析，具体结果如何，还是得用实践来证明一切。PS：今天万字三更，第二更、第三更分别在7、16点。