SPS 光谱里出现一个峰，就一定是“吸收峰”吗？

从带边、亚带隙缺陷到相位响应：重新理解表面光电压光谱到底在测什么?

做半导体光谱时，我们很容易形成一种直觉：光谱上出现峰，就去寻找对应的吸收跃迁。但把这套思路直接搬到表面光电压光谱（surface photovoltage spectroscopy, SPS）上，往往会把问题看得过于简单。

SPS 的信号来源不是“吸收了多少光”本身，而是光照之后半导体表面或界面发生的电荷重新分布，以及由此引起的表面电势变化。因此，SPS与吸收谱当然可能在带边等位置出现关联，但两者并不是一一对应的复制关系。尤其当谱图里出现亚带隙响应、正负变化、峰/肩/拐点或明显相位变化时，真正需要问的不是“这是哪个吸收峰”，而是：哪些光学跃迁产生了可被分离或重新分布的载流子？这些载流子在哪里被驱动、俘获或释放？表面/界面的能带与缺陷又如何参与了这个过程？

图1.SPS 与普通吸收光谱回答的是不同问题。原创概念示意图，用于说明方法学边界，不代表具体样品实测数据。

1. 先分清：吸收光谱与SPS，到底各自在测什么？

吸收光谱主要反映材料对不同光子能量下的光吸收能力，其核心对象是光学跃迁和吸收系数。SPS则监测外部光照引起的表面电势变化；经典SPS 理论把这种变化与表面能带弯曲、表面/界面电荷以及光生载流子的空间分离或重新分布联系起来。[1,2]

因此，“材料发生吸收”只是SPS 产生信号的一部分前提。一个光学跃迁即使很强，如果产生的载流子没有形成可检测的空间电荷重新分布，SPS响应也可能并不强；反过来，一些普通吸收谱里很弱的亚带隙过程，如果能有效改变表面/界面电荷分布，也可能在SPS 中表现得很清楚。

这也是为什么研究SPS 时，更合适的表述不是“这个峰等于某个吸收峰”，而是“这个波段出现了与某类光诱导电荷响应相关的SPS 特征”。只有结合材料能带、吸收边、样品结构和其他独立证据后，才适合继续做具体跃迁归属。

2. 一个SPS 信号，背后至少经历了哪些物理步骤？

把 SPS看成一条“光学激发—电荷响应—电势变化”的链条，会比把它看成另一种吸收谱更准确。

第一步，光子被材料吸收，产生带间载流子，或者触发与缺陷/局域态有关的电子跃迁。

第二步，这些电子和空穴在表面空间电荷区、结区内建电场、浓度梯度或其他驱动力作用下发生分离、扩散、漂移或俘获。

第三步，表面态、界面态和缺陷态改变了局域电荷占据与复合路径。最终，光照态与暗态之间的表面电势发生变化，形成可测量的SPV；对波长进行扫描，就得到SPS。[1,2]

这个链条也说明了一个重要边界：SPS强度不是单一材料参数。它同时受到光生载流子产生、空间分离、复合、表面态占据、能带弯曲、测量几何和调制条件等影响。跨样品直接用“谁的SPS 更高”去定义谁的某一种微观机制更强，通常是不够严谨的。

图2.从光吸收到SPV/SPS 信号的物理链条。原创概念示意图，用于说明方法学边界，不代表具体样品实测数据。

3. 为什么SPS 特别容易看到亚带隙响应？

亚带隙光子能量低于材料的主要带间吸收边，因此如果SPS在这一范围出现稳定、可重复的响应，研究者通常会重点考虑带隙内局域态、表面/界面态、缺陷相关跃迁、带尾态或复杂异质结构中的其他低能电子过程。SPS长期以来就被用于gap-state spectroscopy；2025年对 diamond、β-Ga₂O₃和 AlN 的研究进一步展示了SPV/SPS 对超宽禁带材料缺陷相关跃迁的高灵敏表征能力。[1,5]

但“亚带隙有响应”与“已经测出了某个缺陷能级”之间，仍然隔着很长的证据链。2017年针对卤化物钙钛矿的专门研究就提醒：某些看似很诱人的亚带隙SPV 峰可能来自实验伪影或不符合简单缺陷态模型；对于局域态到能带的连续跃迁，理论上常常更容易表现为onset 或knee，而不是一个孤立的对称峰。[4]

2026 年针对 HPHT diamond 的调制 SPV拟合工作也表明，缺陷跃迁的提取还受到态占据、谱线展宽、X/Y分量和偏置光等因素影响，复杂谱图并不能只靠读峰位完成解释。[6]

所以更稳妥的说法是：亚带隙SPS 特征可以为缺陷/局域态相关过程提供高度敏感的线索，但具体能级与跃迁归属需要模型和其他实验共同支撑。

图3.亚带隙 SPS响应与缺陷相关跃迁的解读边界。原创概念示意图，用于说明方法学边界，不代表具体样品实测数据。

4. 除了幅值，为什么SPS 的“相位”也值得关注？

采用调制光和相敏检测时，测得的不只有响应幅值，还可以得到相对于光学调制参考的同相/正交分量或等效的幅值—相位信息。相位本质上反映响应相对于外部周期激励的时间关系，因此可以帮助区分快、慢过程，或者识别不同响应通道在不同波长和调制条件下的变化。[3,7]

但相位不能被简单当成某一种缺陷或某一种载流子机制的“身份证”。它会受到调制频率、样品RC 响应、载流子与陷阱动力学、测量几何、参考相位定义及电子学链路的共同影响。某些文献在明确的模型和测试条件下，会利用X/Y 信号的符号与相位关系讨论电荷分离方向或较快/较慢过程；这些结论的适用范围必须跟着相应的实验条件一起保留。[3]

因此，幅值告诉我们“响应有多强”，相位更多提供“响应怎样跟随激励”的信息。把二者放在一起，比只盯着一条SPS 幅值谱更有价值。

图4.SPS 幅值与相位响应提供的互补信息。原创概念示意图，用于说明方法学边界，不代表具体样品实测数据。

5. 读一条SPS 光谱，最容易犯的五类错误

(1) 把所有峰都叫作吸收峰。正确做法是先区分吸收与光诱导电势响应。

(2) 把亚带隙峰位直接当成缺陷能级。更稳妥的是先识别onset、knee、peak、sign change 等谱形，再结合能带结构与跃迁模型。

(3) 只看幅值，不看符号与相位。对于相敏SPS，幅值、同相/正交分量和相位之间往往具有互补信息。

(4)忽略调制频率和测试边界。相同样品在不同频率、光强、表面处理或测量几何下，可能强调不同时间尺度或电荷过程。

(5) 单凭一条SPS 曲线给出确定机理。SPS擅长提供表面/界面电荷分离与电势变化的敏感线索，但机理归因仍应结合吸收、PL、光电流、EIS、KPFM、器件电学或其他结构/动力学表征。[1,4]

对于真正复杂的样品，最值得保留的不是“一个峰对应一个答案”，而是一套能够逐步排除歧义的证据链。

图5.SPS 数据的多证据解读流程。原创概念示意图，用于说明方法学边界，不代表具体样品实测数据。

6. 把SPS、SPC和相位响应放在一起，会多看到什么？

SPS/SPV关注的是光照引起的表面/界面电势变化；光电流谱（SPC）则需要形成可测电流回路，关注不同波长激发后进入外部回路或电极收集的光电流响应。两者的物理边界并不相同。

如果一个波段同时出现SPS 与 SPC响应，说明这一能量范围内既发生了能够改变表面/界面电势的光生过程，也存在能够被电流回路收集的载流子贡献；如果二者谱形并不一致，则可能提示表面/界面电荷分离与实际载流子收集之间存在差异。进一步叠加相位响应，可以继续观察不同波段的响应延迟和动态差异。

这里同样需要避免“一对一归因”：SPS、SPC和相位信息是互补证据，而不是三条曲线自动对应三个独立机制。真正可靠的解读仍然要回到样品结构、接触方式、能带排列和独立表征。

图6.SPS / SPC / 相位响应的联合判读思路。原创概念示意图，用于说明方法学边界，不代表具体样品实测数据。

7. 这个方法为什么在今天又变得更重要？

SPS 并不是新方法，但它面对的科学问题正在变得更“界面化”和“缺陷化”。

2025 年的超宽禁带材料研究利用SPV spectroscopy 分析diamond、β-Ga₂O₃和 AlN整个禁带范围内的缺陷相关跃迁，并区分了靠近表面与埋藏界面的不同缺陷贡献。[5] 2026 年 InP 研究进一步利用SPS 幅值与相位比较不同晶面及钝化前后的表面、界面与体态响应。[8]

在钙钛矿太阳能电池领域，2025年 Advanced Materials报道了一种将红外调制action spectroscopy 与 SPV detection 结合的方法，用来访问传统手段难以选择性探测的埋藏界面俘获载流子。[9]更前沿的 2026年 ACS Nano工作则把周期光照、lock-in检测和频域反演结合起来，试图从复杂SPV 频率响应中分离多个并行载流子过程。[10]

这些研究并不意味着常规稳态SPS可以自动完成所有上述高级分析；它们真正说明的是：当研究对象从“材料吸不吸光”转向“光生电荷在表面、界面和缺陷附近怎样重新分布”时，弱SPV 信号、相位与频率响应的价值正在进一步上升。

8. 结语

不要急着给峰命名，先把证据链建立起来。

所以，SPS光谱里出现一个峰，当然可以与某个光学跃迁相关，但它不能被默认等同于吸收峰，更不能在缺少其他证据时直接等同于某个缺陷能级。

更准确的阅读顺序应该是：先确认光谱特征和测试条件，再理解光生载流子如何形成表面/界面电荷重新分布；随后联合幅值、符号、相位、带边与样品结构，最后再通过吸收、PL、SPC、电学或其他表面/界面表征完成交叉验证。

当这条证据链建立起来以后，SPS的价值才真正体现出来：它不是另一条“吸收曲线”，而是一扇观察半导体表面与界面光生电荷行为的窗口。

9. 相关设备

稳态表面光电流/光电压测量仪SteaPVC

SteaPVC是东谱科技针对光催化、半导体、MOF（Metal- Organic Framework）等光电领域推出的表面光电压谱仪。SteaPVC是TranPVC（瞬态光电流/光电压/光电荷测量仪）的姐妹产品，共同为行业提供了完善的稳、瞬态光电流、光电压、光电荷测量的产品方案。SteaPVC系统可测量光电流谱、光电压谱和相位谱，适用于光催化、半导体、MOF、COF、界面工程和波长依赖电荷行为分析，并通过相位谱与波长扫描分析不同能量激发下的界面响应。

(1) 基于相敏检测技术测量超微弱稳态光电流和光电压信号，适合界面与缺陷态研究。

(2) 支持光电流谱、光电压谱与相位谱，可分析不同激励波长下的电荷分离和传输响应。

(3) 波长覆盖250-2500 nm，并支持单点、波长扫描及频率扫描等多种测量模式。

(4) 频率范围1 Hz–100 kHz，相位测量准确度达到1°级。

(5) 配备可视化全自动进样与位置调控系统，实现样品装载、定位和测量流程自动化。

(6) 波长扫描、频率扫描和相位谱可共同分析表面态响应、载流子分离方向与界面传输速度差异。

SteaPVC

参考文献

[1] Kronik L, Shapira Y. Surface photovoltage phenomena: theory, experiment, and applications. Surface Science Reports, 1999, 37: 1-206. DOI: 10.1016/S0167-5729(99)00002-3.

[2] Kronik L, Shapira Y. Surface photovoltage spectroscopy of semiconductor structures: at the crossroads of physics, chemistry and electrical engineering. Surface and Interface Analysis, 2001, 31: 954-965. DOI: 10.1002/sia.1132.

[3] Donchev V, Kirilov K, Ivanov Ts, Germanova K. Surface photovoltage phase spectroscopy – a handy tool for characterisation of bulk semiconductors and nanostructures. Materials Science and Engineering B, 2006, 129: 186-192. DOI: 10.1016/j.mseb.2006.01.010.

[4] Levine I, Hodes G, Snaith H J, Nayak P K. How to Avoid Artifacts in Surface Photovoltage Measurements: A Case Study with Halide Perovskites. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2017, 8: 2941-2943. DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b01332.

[5] Dittrich T, et al. Surface Photovoltage Spectroscopy of Ultrawide Bandgap Materials. physica status solidi (RRL), 2025. DOI: 10.1002/pssr.202400384.

[6] Fengler S, Ponomarev I, Dittrich T. Effective Absorption Cross Sections of Defects in High Pressure High Temperature Diamond Studied by Modulated Surface Photovoltage Spectroscopy. physica status solidi (a), 2026, 223: e202500531. DOI: 10.1002/pssa.202500531.

[7] Song A, Levine I, van de Krol R, Dittrich T, Berglund S P. Revealing the relationship between photoelectrochemical performance and interface hole trapping in CuBi₂O₄ heterojunction photoelectrodes. Chemical Science, 2020, 11: 11195-11204. DOI: 10.1039/D0SC03030A.

[8] Nimje et al. Identification of Surface, Interface, and Bulk States on the Pristine and Passivated InP (001) and (111) Surfaces Using Surface Photovoltage Spectroscopy. physica status solidi (RRL), 2026. DOI: 10.1002/pssr.202500226.

[9] Hu B, et al. Revealing Trapped Carrier Dynamics at Buried Interfaces in Perovskite Solar Cells via Infrared-Modulated Action Spectroscopy with Surface Photovoltage Detection. Advanced Materials, 2025, 37: 2502160. DOI: 10.1002/adma.202502160.

[10] Ni C, et al. Mapping Concurrent Charge Carrier Dynamics at Semiconductor Surfaces Using Frequency-Domain Surface Photovoltage Inversion. ACS Nano, 2026. DOI: 10.1021/acsnano.6c00306.

[11] https://www.orientalspectra.com/ProductDetail/9828404.html.稳态表面光电流/光电压测量仪SteaPVC 官方产品资料（产品页及产品附件，访问于2026 年 9 月）.