接下來，許秋遵照之前的策略，安排模擬實驗人員合成包括IDIC-4F、IDIC-M、ITIC-Th-4F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於其他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。

　拿到這些表征數據後，許秋可以初步解釋出現“IDIC體系可以製備厚膜器件，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，這也只是許秋整理出來的，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。

　這也是為什麽搞理論的人，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，主要方向是怎麽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，只是相較於ITIC的位阻更小一些罷了。

　但不管怎麽說，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，那麽結構就是電極/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，那麽就是三個有效層，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，把效率做這麽高，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。

　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，並沒有太多的意義。

　一方面，30%和40%差距並不大，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，對於效率這麽高的太陽能電池體系，基本上都用到了砷化镓，這玩意的成本非常高，只能用於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，但和普通乾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”，都是一個器件隻吸收一單位的太陽光。

　比如，對於一個雙結有機太陽能電池疊層器件來說，當太陽光入射後，首先經過頂電池，吸收了300-600納米的光，然後剩余的主要是波長大於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並不如意。

　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%後，疊層器件的性能實際上已經落後於單結了。

　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，由於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，那麽最終表現出來的電流就會在6毫安每平方厘米左右。

　對於第一個電池來說，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，那麽最終就是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，在製備疊層器件時，兩個電池中間需要有一層電荷複合層，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，一台磁控濺射的設備，一般需要50-80萬，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，才會買一台用用。

　基於ITO製備困難的現狀，主流的思路是采用金屬電極作為電荷複合層，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複合層，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。

　這種方法的優點是製備工藝簡單，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，缺點是製備工藝比較複雜。

　總結下來，製備疊層器件的思路，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！

　這便是許秋試圖衝擊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，這算是製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，製備半透明器件，還有其他額外的好處:

　一方面課題組裡開發出來的近紅外非富勒烯受體，比如FN-4F、-4F、-4Cl，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，比如把柔件製作成各種各樣的顏色，然後可以貼在樓宇外側，用來裝飾發電。

　PS:欠更4W，已還3W8，明天大概能把欠更還完吧……這個月日均碼字接近八千，給自己點個讚。

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