【摘要】 解析 CsPbI3 钙钛矿太阳能电池中 1 nm CsI 或 PbI2 表面层对 Cs:Pb 比、功函数、表面偶极和器件 Voc 趋势的影响。

 

行业背景：为什么CsPbI3表面功函数需要重点分析？​

在 CsPbI3 钙钛矿太阳能电池中，表面层的化学计量比变化可能改变表面偶极方向和功函数，进而影响 PIN 器件中的能级匹配与电荷抽取。对于这类界面敏感材料而言，表面并不是简单的终止层，而是影响器件输出的重要区域。

相关研究显示，通过蒸镀约 1 nm CsI 或 PbI2 调控 CsPbI3 最表层 Cs:Pb 比，可引起明显的功函数变化，并影响器件 Voc 趋势。科学指南针可提供 fs-TAS 飞秒瞬态吸收测试服务，并建议在 CsPbI3 表面机制研究中结合 UPS、XPS、PL/TRPL 等表征结果，以更完整地判断表面偶极与界面电荷转移之间的关系。

 

核心问题：1 nm表面层为何能带来超过2 eV功函数变化？​

该研究采用 DMAI 路线制备 CsPbI3 薄膜，并指出该路线得到的薄膜本身具有 Cs-rich 表面特征。随后，研究人员在表面蒸镀约 1 nm CsI 或 PbI2，使样品形成 CsI-rich 或 PbI2-rich 表面。

UPS 结果显示，仅调节最表层约 1 nm 的 Cs:Pb 比，即可引起超过 2 eV 的功函数变化。这说明 CsPbI3 表面化学计量比对表面偶极具有明显影响。更重要的是，不同表面化学计量比引起的功函数变化趋势与器件 Voc 趋势一致，支持了表面偶极参与主导器件性能差异的判断。

 

XPS表征：确认表面Cs:Pb比是否改变

XPS 在该研究中的核心作用，是确认蒸镀 CsI 或 PbI2 后，CsPbI3 最表层 Cs:Pb 比发生变化。对于表面调控研究而言，这是机制分析的基础环节。

如果没有 XPS 对表面组成变化进行验证，后续关于功函数变化、表面偶极方向和器件性能差异的讨论就缺少明确的化学依据。因此，在 CsPbI3 界面工程中，XPS 更适合用于回答“表面处理是否真正改变了表面化学计量比”这一问题。

 

UPS表征：判断功函数和表面偶极变化

UPS 在该研究中用于分析 CsPbI3 表面功函数变化。结果显示，约 1 nm 表面层调控即可导致超过 2 eV 的功函数差异，说明极薄表面化学变化能够对表面能级产生重要影响。

该结果的意义不只是证明功函数发生变化，更在于功函数变化趋势与器件 Voc 趋势一致。结合 CsI-rich 与 PbI2-rich 表面偶极方向不同这一结论，可以看出 UPS 对解释“为什么两类表面处理都能钝化缺陷，但器件输出不同”具有重要价值。

图4：UPS 结果显示，不同表面化学计量比引起的功函数变化与器件 Voc 趋势一致，支撑了“表面偶极主导性能差异”的判断。

 

与fs-TAS的关系：从能级变化到动力学验证

UPS 和 XPS 可以说明表面化学组成与功函数变化，但它们不能单独回答载流子转移过程是否改变。要进一步判断表面偶极是否影响界面电荷抽取，需要结合 fs-TAS 等动力学测试。

fs-TAS 能够在皮秒至纳秒尺度追踪载流子寿命变化和界面电荷转移过程。科学指南针可提供 fs-TAS 测试服务，适合与 UPS、XPS、PL/TRPL 结果联用，用于验证 CsPbI3 表面偶极变化是否进一步影响载流子动力学和器件输出。

 

应用价值：UPS/XPS适合解决哪些CsPbI3表面问题？​

在 CsPbI3 钙钛矿太阳能电池研究中，UPS/XPS 适合用于分析表面处理是否改变最表层化学计量比，表面是否呈现 Cs-rich 或 Pb-rich 状态，功函数是否随 Cs:Pb 比变化而改变，以及表面偶极是否可能影响器件 Voc 和电荷抽取行为。

对于完整机制分析而言，UPS/XPS 应与 PL/TRPL、fs-TAS、XRD/GIXRD 和器件测试结果结合。这样既能确认表面化学和能级变化，也能进一步判断复合行为、载流子动力学和稳定性差异。

 

结语

CsPbI3 表面层调控研究表明，约 1 nm CsI 或 PbI2 表面处理即可改变最表层 Cs:Pb 比，并引起超过 2 eV 的功函数变化。XPS 可用于确认表面化学组成变化，UPS 可用于揭示功函数和表面偶极变化。结合 PL/TRPL 与 fs-TAS 结果，可以进一步说明 CsI-rich 和 PbI2-rich 表面虽然均能钝化缺陷，但因表面偶极方向不同，对 PIN 器件电荷抽取和器件输出产生不同影响。

 

论文原文信息Ran Ji, Nathaniel Gallop, Shivam Singh, Richard Beier, Yitian Du, Zongbao Zhang, Fulya Koc, Marielle Deconinck, Vladimir Shilovskikh, Jose Roberto Bautista-Quijano, Boris Rivkin and Yana Vaynzof.The critical role of surface dipoles in CsPbI3 perovskite solar cells.Energy & Environmental Science, 2026. DOI: 10.1039/D5EE07787G.