349 冲击CNS顶刊的途径（求订阅）

接下来，许秋遵照之前的策略，安排模拟实验人员合成包括IDIC-4F、IDIC-M、ITIC-Th-4F等在内的十数种新的非富勒烯受体材料。

他本人则在模拟实验室I中系统的研究了一下IDIC体系，利用32倍加速，对FTAZ:IDIC体系进行了包括CELIV、SCLC、GIWAXS、DFT等测试表征，毕竟这个体系之前表现出来一些不同于其他ITIC系列的独有特性。

其中，CELIV和SCLC的结果表明，IDIC的电子迁移率是ITIC的3倍左右。

GIWAXS和DFT的结果，分别在实验以及理论上证明，IDIC分子在结晶时会呈现出更加紧密的分子排布。

拿到这些表征数据后，许秋可以初步解释出现“IDIC体系可以制备厚膜器件，同时能量损失比较低，开路电压也比较高”这一实验现象的原因。

因为在有机光伏器件有效层的内部，正、负电荷是在给体、受体形成的单独聚集相区之内进行输运，当受体材料的晶区中，受体分子呈现出更加紧密的分子排布时，电子在分子间的输运将更容易进行，从而提升电子迁移率，进而降低能量损失，可以制备厚膜器件。

往前推演一步，造成IDIC分子具有更为紧密的分子排布的原因，便是侧链的改变，相较于ITIC的苯基侧链，IDIC的烷基侧链有着更小的空间位阻，更利于两个受体分子之间堆叠。

总结下来，从微观分子结构到宏观器件表现有一套完整的因果链：

侧链改变→分子间位阻减小→有效层中受体分子排布变得紧密→电子迁移率提高→可以制备厚膜器件，能量损失降低，开路电压提高。

当然，这也只是许秋整理出来的，他觉得比较合理的一套说法，并不一定就是完全正确的。

毕竟微观级别的东西，看不见摸不着，真相究竟如何，谁都很难说明白。

这也是为什么搞理论的人，互相都会看对方不顺眼，随时会开喷。

就是因为很多事情都不会有一个确切的真相，公说公有理婆说婆有理。

而不像搞材料的，就比较简单粗暴，比较客观。

比如我这边光电转换效率13%，你不信，觉得我数据是假的，那我就做个第三方检测呗，结果出来，确实是13%，争论自然就平息了。

针对IDIC体系的发现，许秋继续分析、推演，主要方向是怎么让电子迁移率进一步提高，让能量损失进一步降低。

他发现不论是ITIC还是IDIC，中央D单元都是IDTT单元，为了保证分子的溶解度，引入侧链的方式是通过sp3杂化的碳原子。

而sp3杂化的碳原子，类似于甲烷的结构，在空间中会伸出两个支链，和中央D单元共轭结构呈现大约为109度28分的二面角。

也就是说，两个引入的侧链和中央D单元共轭结构不共平面。

在这种情况下，即使是IDIC这样具有烷基支链的分子，当两个IDIC分子在垂直方向上进行堆砌时，其实也是会形成较大的位阻，只是相较于ITIC的位阻更小一些罢了。

但不管怎么说，受体分子中的侧链还是得要的，不然材料都溶解不了，自然也无从用溶液法制备电池器件。

想要解决这个问题，许秋暂时想到了两种方法，主要思路是变换引入侧链的方法。

一种方法，是利用氮原子引入侧链，同为sp3杂化的氮原子，因为孤对电子的存在，只有单根侧链，可以一定程度的降低位阻。

另一种方

法，是利用sp2杂化的碳原子，也即苯环或噻吩环上的碳原子，这种情况下的碳原子，同样只有单根侧链，而且因为是sp2杂化，侧链是和中央D单元共轭结构共平面的，也可以大幅度降低位阻。

不过，如果采用这两种策略的话，算是对D单元进行大幅度的改变，原先IDT、IDTT的合成思路肯定是没法用了，合成难度会大幅度增加，又是全新的结构，需要大量的摸索。

许秋打算把这个初步的想法暂时交给模拟实验室III，让高级实验人员帮忙摸索着。

算是走一步闲棋，如果有效果那自然最好，就算没有效果，也无妨。

等眼下ITIC系列的这些工作完成后，他再投入精力攻关就是了。

除了这种大幅度对分子结构进行改性的手段，许秋还有另外一种可行的策略，有望实现器件效率的突破。

那就是制备叠层太阳能电池器件。

所谓叠层器件，顾名思义，就是多个电池串联，“叠”在一起。

平常许秋制备的器件都是单结的，也就是一个电池，如果忽略传输层，那么结构就是电极/有效层/电极。

要是双结叠层电池器件，分为双终端结构和四终端结构，双终端结构就是电极/有效层1/电极（电荷复合层）/有效层2/电极，四终端结构就是两个“电极/有效层/电极”。

要是三结叠层电池器件，那么就是三个有效层，四结就是四个有效层。

五结，暂时没听说过……

漂亮国的国家可再生能源实验室（NREL），也就是魏兴思回国前的工作单位，在传统无机硅、砷化镓、CIGS等体系中常年保持着各项世界纪录，按照2015年8月份的数据，三结器件的最高效率已经达到了44.4%，四结更是到了46.0%。

当然，把效率做这么高，已经不是出于商业化应用的考虑了，主要目的是探索科学的边界。

换句话来说，就是想知道以人类的力量，能把这个光电转换效率的数值堆到多高。

在实际应用上呢，并没有太多的意义。

一方面，30%和40%差距并不大，只差三分之一罢了，又不像效率从1%提升到11%，有10倍的差距；

另一方面，对于效率这么高的太阳能电池体系，基本上都用到了砷化镓，这玩意的成本非常高，只能用于军用或高端应用领域，比如卫星、空间站之类的，就算把效率优化到100%，也没有民用的价值。

这种叠层器件，是串联的结构，但和普通干电池的那种串联有所不同。

叠层器件在空间结构上是一个整体，不论是“双终端”还是“四终端”，都是一个器件只吸收一单位的太阳光。

比如，对于一个双结有机太阳能电池叠层器件来说，当太阳光入射后，首先经过顶电池，吸收了300-600纳米的光，然后剩余的主要是波长大于600纳米的光，将被底电池再次吸收。

听起来很美好，可以规避有机光伏器件激子吸收特性带来的光吸收范围窄的问题，有效的利用太阳光能。

但实际上，叠层器件在有机光伏领域的表现并不如意。

目前，纯有机光伏的叠层器件的效率，只有12%左右，本来和单结器件的12.21%相当，而当许秋将单结效率突破到接近13%后，叠层器件的性能实际上已经落后于单结了。

主要还是因为之前常年使用的PCBM富勒烯衍生物体系，受体材料几乎不能吸可见光，只能依靠给体材料吸光。

如果考虑到光吸收互补，采用一个窄

带隙给体的体系和一个宽带隙给体的体系的话，由于窄带隙的给体材料对应的短路电流通常较高，可能出现顶电池和底电池电流不匹配的问题。

因为器件是串联连接的，根据中学物理知识，串联电路电流处处相等。

假如上下两个电池器件的短路电流密度差距过大，比如一个10毫安每平方厘米，另一个6毫安每平方厘米，那么最终表现出来的电流就会在6毫安每平方厘米左右。

对于第一个电池来说，就会直接损失大约40%的效率。

电压方面的问题倒是不大，各个电池之间近似是线性叠加的，比如一个是0.8伏特，另一个是0.7伏特，那么最终就是1.4、1.5伏特的样子。

除了短路电流方面的问题，另外还有加工工艺上的问题。

有机光伏领域现有文献报道的叠层器件，大多数都是双结两终端的结构，在制备叠层器件时，两个电池中间需要有一层电荷复合层，通常采用的是导电的电极材料。

而这层电极必须是透光的，因为如果不透光，下层的电池就废了，没有光可吸收了。

透光的电极，比如ITO，不能通过溶液法制备，只能用磁控溅射等方法。

而磁控溅射的话，一方面温度高，可能破坏有效层的结构，另一方面，一台磁控溅射的设备，一般需要50-80万，就用来做个ITO电极，有点大炮打蚊子的意思，除非是那种大课题组，经费花不完，才会买一台用用。

基于ITO制备困难的现状，主流的思路是采用金属电极作为电荷复合层，需要解决的主要问题就是透光性。

其中一个方法，可以采用薄的金属电极作为电荷复合层，比如蒸镀几纳米的银，可以兼顾导电率和透光率。

日常生活中的金属不透光，本质是金属原子把入射的光子都吸收或反射了，而在几纳米这个尺度下，哪怕是金属，也可以透光，当然，透光率不会太高，可能在50%左右。

这种方法的优点是制备工艺简单，只需要修改蒸镀电极时的厚度即可，缺点则是透光性不理想。

另外一个方法是采用银纳米线、银纳米颗粒等方法，优点是透光性会好一些，缺点是制备工艺比较复杂。

总结下来，制备叠层器件的思路，就是：

利用新开发出来的一系列ITIC衍生物非富勒烯材料，从中找到两个光吸收、短路电流适配的体系，再解决加工工艺方面的难题，最终实现器件效率的飞跃。

根据理论计算，如果一切顺利，效率将有望达到15%以上！

这便是许秋试图冲击CNS顶刊的途径。

当然，实际做起来，肯定要分成多步进行，徐徐图之。

因为叠层器件的工艺难度很大，国内能做叠层器件的课题组也不多，徐正宏算是一个主力，主要是老外在做。

许秋打算先从半透明器件开始入手，这算是制备叠层器件的一个前置条件，像是四终端法的顶电池，其实就是一个半透明器件。

而且，制备半透明器件，还有其他额外的好处：

一方面课题组里开发出来的近红外非富勒烯受体，比如FN-4F、IEICO-4F、IEICO-4Cl，这些可以利用起来发一些文章；

另一方面这也是有机光伏未来商业化的亮点之一，可以和蓝河那边进行合作，比如把柔**件制作成各种各样的颜色，然后可以贴在楼宇外侧，用来装饰发电。

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