有機太陽能電池（Organic Solar Cells，OSCs）因成本低、柔性好、工藝簡單等優勢，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構表征不足嚴重制約了器件性能優化。傳統技術難以直接測量表面未占據態（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的優勢，為揭示表面能級調控機制提供了關鍵手段。

西安交通大學魯廣昊教授團隊創新性地結合LEIPS、UPS及多種原位光譜技術，對PBDB-T:ITIC系統（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），發現：  

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）的引入會引發有機物薄膜表面的LUMO能級發生明顯變化，而后續的熱退火處理則能夠精確且有效地調節這種能級變化。                                               

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結合UPS，便可完整構建出能級結構，進而深入剖析有機太陽能電池中界面電荷轉移特性（結果如圖3所示）。研究發現，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能級出現不匹配的情況，不利于電荷傳輸。但是，經過熱退火處理后，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。這一重要結論為科研人員合理選擇添加劑以及優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測量的結果；實線表示通過UPS測得的HOMO能級；虛線表示根據光學帶隙計算的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移機制的理解，更為高性能器件工藝開發（如添加劑篩選、退火條件優化）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，助力產學研協同創新。

LEIPS技術為有機太陽能電池研究提供三大重要優勢：

（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：探測深度只有數納米，精確表征表界面調控效果；

（3）完整能級排列：結合UPS構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. 

-轉載于《PHI表面分析 UPN》公眾號