【摘要】 面向CsPbI3等钙钛矿界面工程项目，梳理XPS与UPS如何联动验证表面化学计量比、功函数变化和表面偶极方向。

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先给结论：在钙钛矿界面工程中，XPS适合确认最表层的化学计量比和元素富集方向，UPS适合判断功函数、能级边位置和表面偶极相关变化。二者只有联动使用，才更适合解释“为什么器件 Voc 和 FF 改了”。

 

1. 为什么只测形貌不够？

界面处理后，即使 SEM 或 AFM 没看到明显形貌差异，最表层的化学计量比、功函数和偶极方向也可能已经显著变化。在本文中，CsI 和 PbI2 蒸镀后薄膜的体相结构变化不明显，但器件表现差异极大，关键就在表层化学和能级重排。

 

2. XPS主要回答什么问题？

在这类项目中，XPS通常用于回答：

  • 表面是否本征富 CsI 或富 Pb；

  • 表面蒸镀后 Cs:Pb 比是否真的改变；

  • 不同处理是否引起卤素或金属元素比例变化；

  • 某种界面处理是否只停留在表面层，而不是改变体相。

本文中，XPS证实 DMAI 路线制备的 CsPbI3 薄膜具有本征富 CsI 表面特征，并且名义 1 nm CsI 或 PbI2 蒸镀可显著调控表面 Cs:Pb 比。

图：XPS与表面处理示意图共同支撑表层化学计量比确实发生变化。

 

3. UPS为什么是偶极与功函数判断的关键？

UPS更适合观察：

  • 功函数变化方向和幅度；
  • 真空能级位置变化；
  • 表面偶极是否可能改变内建电势；
  • 不同表面处理是否更利于电子或空穴抽取。

本文中，作者通过更广泛的表面处理组合，观察到超过 2 eV 的功函数调控范围，并将富 Pb 与富 Cs 表面的相反功函数变化与相反表面偶极联系起来。

图：UPS结果帮助把表面化学变化与功函数、偶极方向和器件输出联系起来。

 

4. XPS+UPS联动时要避免哪些误判？

把功函数变化直接等同于“更好器件”

功函数变化必须结合器件结构、传输层和目标抽取方向来解释。对 PIN 器件有利的偶极，不一定对其他架构同样有利。

只看单一处理样品

本文中超过 2 eV 的调控范围来自整组表面化学处理，不是仅由 CsI 和 PbI2 两种处理得出。做测试时应明确结论适用范围。

忽略蒸镀层连续性问题

作者特别指出，名义 1 nm 蒸镀层未必形成连续膜，因此测试解读不应简单按“完整覆盖层”理解。

 

5. 一套有用的XPS/UPS测试方案应包含什么？

建议在项目沟通时确认：

  • 材料体系与器件架构；

  • 原始表面、处理表面和对照样品；

  • 是否需要不同蒸镀量或多种化学处理；

  • 是否需要与 PL/TRPL、fs-TAS 或器件测试联动；

  • 需要的输出是相对趋势、绝对功函数、能级图还是器件机理解释。

科学指南针可围绕钙钛矿表面化学计量比、功函数、表面偶极和能级分析沟通 XPS/UPS 联动测试方案；具体测试条件与样品制备要求需结合项目确认。

 

常见问题

XPS能直接测出表面偶极方向吗？

不能。XPS更适合确认表面化学成分变化；偶极方向及其能级后果通常需要结合 UPS 和器件表现综合判断。

UPS能替代器件测试吗？

不能。UPS可以解释能级变化趋势，但是否真正改善 Voc、FF 和电子抽取，还需要器件和动力学测试验证。

只做XPS不做UPS可以吗？

如果目标只是确认表面元素比例变化可以；如果要解释功函数、偶极和内建电势变化，通常应联用 UPS。

 

参考文献

The critical role of surface dipoles in CsPbI3 perovskite solar cells. Energy & Environmental Science, 2026. DOI: 10.1039/D5EE07787G.