有機太陽能電池（Organic Solar Cells，OSCs）因成本低、柔性好、工藝簡單等優(yōu)勢，在移動電子、建筑光伏一體化等領域具應用潛力。然而，有機薄膜的表面能級結(jié)構(gòu)表征不足嚴重制約了器件性能優(yōu)化。傳統(tǒng)技術難以直接測量表面未占據(jù)態(tài)（LUMO）能級，而低能反光電子能譜（Low - Energy Inverse Photoemission Spectroscopy，LEIPS）憑借其表面敏感性和直接測量LUMO的優(yōu)勢，為揭示表面能級調(diào)控機制提供了關鍵手段。

西安交通大學魯廣昊教授團隊創(chuàng)新性地結(jié)合LEIPS、UPS及多種原位光譜技術，對PBDB-T:ITIC系統(tǒng)（涵蓋ITIC的衍生物）以及含有添加劑的PM6:Y6的相變進行了深入研究。該工作利用LEIPS測量了ITIC和Y6薄膜在不同處理條件下薄膜表面的LUMO能級（圖1），發(fā)現(xiàn)：  

1）DIO添加劑使ITIC表面LUMO升高至-3.62 eV；  

2）熱退火（TA）后LUMO明顯下降至-4.03 eV。  

LEIPS直觀且有力地證明，添加劑DIO（1,8 -二碘辛烷）或CN（1-氯萘）的引入會引發(fā)有機物薄膜表面的LUMO能級發(fā)生明顯變化，而后續(xù)的熱退火處理則能夠精確且有效地調(diào)節(jié)這種能級變化。                                               

圖 1. LEIPS譜圖直接顯示添加劑與TA對ITIC/Y6薄膜LUMO能級的調(diào)控作用

同時利用UPS獲取不同處理條件下的ITIC薄膜和Y6薄膜的HOMO能級（見圖2）。

圖2. 不同處理條件下薄膜的UPS譜圖：（a）ITIC薄膜；（b）Y6薄膜。

LEIPS結(jié)合UPS，便可完整構(gòu)建出能級結(jié)構(gòu)，進而深入剖析有機太陽能電池中界面電荷轉(zhuǎn)移特性（結(jié)果如圖3所示）。研究發(fā)現(xiàn)，添加DIO后的ITIC薄膜，LEIPS直接觀測到：添加DIO后ITIC表面LUMO能級升至-3.62 eV，導致與給體材料PBDB-T的LUMO能級出現(xiàn)不匹配的情況，不利于電荷傳輸。但是，經(jīng)過熱退火處理后，LUMO能級下降至-4.03 eV，與PBDB-T的能級匹配度得到大幅提升，從而有效增強有機太陽能電池的電荷分離和傳輸效率。這一重要結(jié)論為科研人員合理選擇添加劑以及優(yōu)化器件制備工藝提供了具價值的參考。

圖3.（a）不同處理條件下的ITIC薄膜的；（b）不同處理條件下的Y6薄膜的HOMO與LUMO能級示意圖。（PBDB-T、PM6、ITIC和Y6的能級來自文獻中通過CV測量的結(jié)果；實線表示通過UPS測得的HOMO能級；虛線表示根據(jù)光學帶隙計算的LUMO能級；點劃線表示由LEIPS測得的LUMO能級）

此項研究不只是深化了對有太陽能電池界面電荷轉(zhuǎn)移機制的理解，更為高性能器件工藝開發(fā)（如添加劑篩選、退火條件優(yōu)化）指明了方向。ULVAC-PHI的先進表面分析技術為LEIPS/UPS高精度測量提供了可靠支撐，助力產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新。

LEIPS技術為有機太陽能電池研究提供三大重要優(yōu)勢：

（1）精確性：直接測量表面LUMO能級，避免光學間接計算的誤差；

（2）表面靈敏：探測深度只有數(shù)納米，精確表征表界面調(diào)控效果；

（3）完整能級排列：結(jié)合UPS構(gòu)建完整表面能級排列，揭示界面電荷傳輸機制。

參考資料

[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. 

-轉(zhuǎn)載于《PHI表面分析 UPN》公眾號