我没上过这个课。

但是大家看到的那个太阳能电池的方案是我做的。今天这个课结课了，说实话想找个地方记录一下这一年发生了的事情。既然这个实验最终归入了无机实验英文班，那就在这儿说说吧…

（想必上了课的同学对下面这个图会很熟悉）

这个实验的由来是2024年的中国大学生物理学术竞赛（CUPT）。这个竞赛的模式是比赛前一年发布17个赛题（赛题实际上是国际性比赛IYPT的题目，国内直接使用一样的题），然后一年后的赛场上每个学校出一个队伍去答辩，也有别的队伍作为反方像辩论赛一样提出质疑，然后评委打分。果汁太阳能电池（Juicy Solar Cell）是CUPT2024（2023.7发布赛题）中的第9题。

2023年10月初，我们组开始在一教做实验（注意CUPT一般要求一人完成题目，因此我们组五个人是五个题目，这个题目是我自己做的）。实验室是长开放的，我这个实验安排在1416的一条桌子上（现在那个地方还能看到不少实验遗迹）。一般而言一教会为各个赛题准备一份参考资料，然后大部分队伍一开始都是参考材料来做实验。我也不例外啦～于是开始按照材料上的说法去做。那时候的二氧化钛浆料是用稀醋酸调开的，然后涂布方法和课上的很像，是玻璃棒刮涂。然而一开始因为我们的浆料太稀了，完全没有能够做出一个能够稳定附着的光阳极，更别说后续去染色和组装电池了。于是早期的实验基本都停留在如何可靠地制备一个均匀的光阳极上。这会儿因为电池根本就不成形，输出电压一直是0.几mV，完全不能用。

上图：第一个做出来的电池，可见惨状（二氧化钛只剩一点附着）。

事情的转机大概出现在11月。当时发现使用酒精灯能够很好地将二氧化钛涂层从白色加热到碳化（因为涂层里面有醋酸这类有机物）的棕褐色，然后再恢复到白色。之前一直用加热台只能加热到浅棕色就无法继续了，而且涂层也不稳固。这回我们能得到稍微稳固一点的二氧化钛层。然而，水基的浆料还是没法很好地让膜稳定下来。之后，通过查资料发现我们用的二氧化钛是试剂级的，颗粒度不能很好地确定，也因此对玻璃的粘附能力较差。一教采购了一些纳米级别的二氧化钛，其中就有常用在光催化的P25二氧化钛，我们用这个才得到比较好的粘附性的涂层。

上图：纳米二氧化钛的涂层，终于染上色了

再后来通过一个写了QQ号的试剂瓶我认识了高同学，他查了一篇文献，指出可以用乙基纤维素作为增稠剂，用松油醇作为主要的溶剂。于是我们开始一起实验和测试。通过增稠，确实能得到更厚、粘附性更好的涂层了，但是涂层总是不均匀。之后上化学原理课的时候请教了一下老师（老师是材料系的），说是可以旋涂，或者是提拉法。那时候不知道一教有旋涂机，也不确定有没有提拉法的设备，于是就问一教的老师要了一个手动位移台，一开始用减速电机驱动但不好控制，后来淘宝买了个步进电机和驱动器，手搓了一个简单的提拉法涂膜的设备。这个设备的效果特别好，以至于后面连续好几个月做这个题目的都用这个设备来涂膜。通过这个设备，我们终于能得到厚度比较均匀的二氧化钛膜。也通过请教高同学，通过调整一些参数（比如电解液），我自己能做到100mV左右的开路电压。

上图1:提拉法做出来比较好的膜；上图2:第一次提拉法的产物；上图3:第一次提拉法的装置；上图4:染色后的结果；上图5:酒精灯加热导致的玻璃片弯曲：上图6:这一阶段的电解液；上图7:提拉法新装置
到了去年年底，偶然间发现电解液如果配得很稀的话可以得到比较高的电压，于是就通过均匀二氧化钛膜+蓝莓果酱染色+自制的电解液和对电极，制备出了电压性能比较好的电池，电压能达到700mV，但是这个电池仍然测不出明显的短路电流。2023年在一教的剩余时间内没怎么能很好地解决这个问题，于是就只是单纯地做了很多电池，可惜在电流上并没有什么长进。然后就是期末周，考试，考完试又在一教做了一个星期实验就回家了。

图1&2:显微镜下看到的膜表面，染色+不染色；图3:测试仪器：图4:这一段时间做的电池的样子

这会儿还做了一个简单的光谱仪，用来快速测试我们的果汁的光谱，这样就不用每次都去1130那边测试了，方便得多。这个装置的程序获得学术蜗编程比赛的一等奖。

寒假在家，因为一教的电化学工作站出了问题用不了，没法测试伏安特性，于是就在家简单地设计了一个通过改变外加电阻并测电压来读取伏安特性曲线的小装置。当时这个装置考虑到电池几乎没有输出能力，于是电阻的取值都很大。寒假结束的时候第一块模块终于做出来了，快递寄回学校，在一教做了简单的测试。

上图：测量装置最终的样子

春季学期开学之后，又陆陆续续做了好几块模块，构成了一个简单的测试装置。一开始测试装置的表现并不好，后来电压测试也改成了外接一个数字万用表（Keithley 2000型的）测量，跌跌撞撞终于在一天晚上，在中区创新实践基地测出了第一个伏安特性曲线（商品硅光电池的）和第一个光响应的曲线。当时特别开心，第二天就拿到一教去拿了一个做好的电池来测试，结果一测发现这个电池的特性曲线是凹下去的（正常的是凸起来）。顿时特别失望，也没想到什么解决方法。到四月就一直都在做电池，试图改变这个状况，结果也没多大效果，拿着一个残缺的方案去校赛。我们队的成绩不是很好，但是后来因为这个实验比较少人做的原因，以及先期实验投入巨大的原因，我就给拉去组省赛的队伍了（最后科大只有两三个队能坚持下来做这个实验）。

上图：安徽省赛正方报告

四月中旬安徽省比赛。在安徽省赛这个题目没人选（CUPT前几轮是反方选正方的题目），于是在最后一轮作为正方自选赛题作报告。因为那时候我们实验结果虽然比较差，但是有大量的变量探究和原因解释，也拿到了一个很高的正方的分数。

安徽省赛后又给选入华东赛区科大的队伍（2领队+5队员，领队不上场），这个题目仍然是作为正方最后一轮自选题上场，还是一个很不错的分数。但这次，赛前做出了一个非常大的调整。首先是查资料发现ITO耐受不了退火时候的温度，于是换上了FTO。然后是觉得两个导电玻璃直接接触会短路，于是加上了胶带作为隔离。担心果汁可能长期不稳定影响无关变量，于是用上了植物提取粉。之后由于提拉法的膜太大了，而且不好控制厚度和尺寸，又换了丝网印刷法涂布（一次做15片电池）。这会儿也是从高同学那儿得知之前测出来的那个凹陷的伏安特性是一种叫做S形伏安特性的异常情况，说明电池内阻很大，于是一番排查后觉得对电极有问题。结果仔细问才发现那个我们以为有石墨的铅笔压根就不含石墨！涂了一层不导电的物质当然内阻大啊！这时候看文献发现可以用铂作为对电极，又参考了几个别的学校的方案，决定用铂的电极。找微纳加工中心给几片FTO镀上了铂，作为对电极，一做电池发现：诶！伏安特性变成凸的了！困扰了我们半年的问题终于解决了。这时候用的电解液是和高同学一起配的，乙腈作为溶剂，效果也比之前的有了很大的提升。于是华东赛区的比赛上我们终于有了一个合理的伏安特性曲线了。六月份，这个测试装置也写成了电磁学小论文拿到了校一等奖。

图1:FTO；图2–5、7&8:丝网涂布，也能看到银白色的铂电极；图6:5.20这天做出了520mV的电压；图9:紫外透过法测试面积和厚度

再后来就是间歇着去一教做实验准备国赛。然后就春季学期结束了，进入暑假。暑假修了两门课，分别是计算材料学和生活中化学科普实验。计算材料学主要是为了给这个电池找点理论计算上的依据，科普实验来放松心情😁。也是在科普实验上有一天遇上了李老师（也是我无机上中文班的老师），谈起CUPT的赛题后她发现曾经在Wisconsin做过类似的东西，于是讨论之后觉得这个实验可以开到无机英文班上。我从那个时候开始就断断续续地写起了讲义（50多页的那个东西），显然效率是比较低的，写得慢。八月底国赛，可惜这个题没能作为正方上场，但是最后一轮和浙大&南航来了一场非常精彩的辩论，这次我们是评论方。虽然没有正方上场，但是能有这么精彩的一次评论方的表现也是令人印象深刻的。回到学校就准备开学了，后面这个事情就慢慢地推进着。

图1:膜厚度测试；图2:我们做的一批次光阳极；图3:一教加班观星；图4:陕西师范大学（国赛）

后面就基本上是想起来的时候就去写两下子讲义，然后做做实验。国庆节和十二月初做了实验课的预实验，在无机实验室摸索了一下教学实验的条件。后来计算材料学的郝老师也指出了讲义里面的不少小问题，做了相应的修改。然后就是最终这个实验展现在大家眼前了。

上图1–3:大家做的实验

成功时分享欣喜，失败后互相帮助，学业上共同进步。我想这就是这一年的概括。

这就是这个实验从开始完全做不出现象，再到做出现象了参加比赛，最后到作为教学实验的整个过程。这个持续一年多的项目可以说是一名花园学生在科大的非常独特的一件事情，感谢整个过程中提供帮助的各位老师，以及和我一起在实验室忙活、在青年之家和研讨室讨论、在肥西路填饱肚子（是真能填饱👍）、在赛场上赛场外努力的同学们！谢谢！