应用分享 | 反光电子能谱IPES专辑之应用案例（二）-XPS

有机太阳能电池（Organic Solar Cells，OSCs）因成本低、柔性好、工艺简单等优势，在移动电子、建筑光伏一体化等领域具应用潜力。然而，有机薄膜的表面能级结构表征不足严重制约了器件性能优化。传统技术难以直接测量表面未占据态（LUMO）能级，而低能反光电子能谱（Low - Energy Inverse Photoemission Spectroscopy，LEIPS）凭借其表面敏感性和直接测量LUMO的优势，为揭示表面能级调控机制提供了关键手段。

西安交通大学鲁广昊教授团队创新性地结合LEIPS、UPS及多种原位光谱技术，对PBDB-T:ITIC系统（涵盖ITIC的衍生物）以及含有添加剂的PM6:Y6的相变进行了深入研究。该工作利用LEIPS测量了ITIC和Y6薄膜在不同处理条件下薄膜表面的LUMO能级（图1），发现：  

1）DIO添加剂使ITIC表面LUMO升高至-3.62 eV；  

2）热退火（TA）后LUMO明显下降至-4.03 eV。  

LEIPS直观且有力地证明，添加剂DIO（1,8 -二碘辛烷）或CN（1-氯萘）的引入会引发有机物薄膜表面的LUMO能级发生明显变化，而后续的热退火处理则能够精确且有效地调节这种能级变化。                                               

图 1. LEIPS谱图直接显示添加剂与TA对ITIC/Y6薄膜LUMO能级的调控作用

同时利用UPS获取不同处理条件下的ITIC薄膜和Y6薄膜的HOMO能级（见图2）。

图2. 不同处理条件下薄膜的UPS谱图：（a）ITIC薄膜；（b）Y6薄膜。

LEIPS结合UPS，便可完整构建出能级结构，进而深入剖析有机太阳能电池中界面电荷转移特性（结果如图3所示）。研究发现，添加DIO后的ITIC薄膜，LEIPS直接观测到：添加DIO后ITIC表面LUMO能级升至-3.62 eV，导致与给体材料PBDB-T的LUMO能级出现不匹配的情况，不利于电荷传输。但是，经过热退火处理后，LUMO能级下降至-4.03 eV，与PBDB-T的能级匹配度得到大幅提升，从而有效增强有机太阳能电池的电荷分离和传输效率。这一重要结论为科研人员合理选择添加剂以及优化器件制备工艺提供了具价值的参考。

图3.（a）不同处理条件下的ITIC薄膜的；（b）不同处理条件下的Y6薄膜的HOMO与LUMO能级示意图。（PBDB-T、PM6、ITIC和Y6的能级来自文献中通过CV测量的结果；实线表示通过UPS测得的HOMO能级；虚线表示根据光学带隙计算的LUMO能级；点划线表示由LEIPS测得的LUMO能级）

此项研究不只是深化了对有太阳能电池界面电荷转移机制的理解，更为高性能器件工艺开发（如添加剂筛选、退火条件优化）指明了方向。ULVAC-PHI的先进表面分析技术为LEIPS/UPS高精度测量提供了可靠支撑，助力产学研协同创新。

LEIPS技术为有机太阳能电池研究提供三大重要优势：

（1）精确性：直接测量表面LUMO能级，避免光学间接计算的误差；

（2）表面灵敏：探测深度只有数纳米，精确表征表界面调控效果；

（3）完整能级排列：结合UPS构建完整表面能级排列，揭示界面电荷传输机制。

参考资料

[1]. Shen ZC; Yu JD; Lu GY; Wu KM; Wang QY; Bu LJ; Liu XF; Zhu YW; Lu GH. Surface crystallinity enhancement in organic solar cells induced by spinodal demixing of acceptors and additives[J]. ENERGY & ENVIRONMENTAL SCIENCE, 2023, Vol.16(7): 2945-2956. 

-转载于《PHI表面分析 UPN》公众号