有機(jī)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(dòng)電子、建筑光伏一體化等領(lǐng)域具應(yīng)用潛力。然而，有機(jī)薄膜的表面能級(jí)結(jié)構(gòu)表征不足嚴(yán)重制約了器件性能優(yōu)化。傳統(tǒng)技術(shù)難以直接測量表面未占據(jù)態(tài)（LUMO）能級(jí)，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(jí)調(diào)控機(jī)制提供了關(guān)鍵手段。

西安交通大學(xué)魯廣昊教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地結(jié)合LEIPS、UPS及多種原位光譜技術(shù)，對(duì)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(jìn)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?xiàng)l件下薄膜表面的LUMO能級(jí)（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(huì)引發(fā)有機(jī)物薄膜表面的LUMO能級(jí)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(jí)變化。                                               

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

同時(shí)利用UPS獲取不同處理?xiàng)l件下的ITIC薄膜和Y6薄膜的HOMO能級(jí)（見圖2）。

圖2. 不同處理?xiàng)l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(jí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而深入剖析有機(jī)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(jí)升至-3.62 eV，導(dǎo)致與給體材料PBDB-T的LUMO能級(jí)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(jí)下降至-4.03 eV，與PBDB-T的能級(jí)匹配度得到大幅提升，從而有效增強(qiáng)有機(jī)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(jià)值的參考。

圖3.（a）不同處理?xiàng)l件下的ITIC薄膜的；（b）不同處理?xiàng)l件下的Y6薄膜的HOMO與LUMO能級(jí)示意圖。（PBDB-T、PM6、ITIC和Y6的能級(jí)來自文獻(xiàn)中通過CV測量的結(jié)果；實(shí)線表示通過UPS測得的HOMO能級(jí)；虛線表示根據(jù)光學(xué)帶隙計(jì)算的LUMO能級(jí)；點(diǎn)劃線表示由LEIPS測得的LUMO能級(jí)）

此項(xiàng)研究不只是深化了對(duì)有太陽能電池界面電荷轉(zhuǎn)移機(jī)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(jìn)表面分析技術(shù)為LEIPS/UPS高精度測量提供了可靠支撐，助力產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新。

LEIPS技術(shù)為有機(jī)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(jí)，避免光學(xué)間接計(jì)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(jí)排列：結(jié)合UPS構(gòu)建完整表面能級(jí)排列，揭示界面電荷傳輸機(jī)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(hào)