Heterojunction-gränssnittet för organiska solceller (OSC) är där viktiga fotofysiska processer som laddningsseparation och rekombination sker. Den molekylära orienteringen vid gränssnittet är en av nyckelfaktorerna som bestämmer solcellers effektivitet. På grund av det komplexa tredimensionella molekylära arrangemanget på gränssnittet och bristen på teknik för att mäta lokal molekylär orientering, det är utmanande att bestämma den molekylära orienteringen vid gränsytan.

Röntgenspridning används i stor utsträckning för att studera den molekylära packningsmorfologin hos organiska donator- och acceptormaterial i det aktiva lagret. Betningsincidens vidvinkelröntgenspridning (GIWAXS) visar sidans eller ansiktsstaplingsriktningen för donator- och acceptorfaserna i förhållande till substratet (Figur 1a), men den kan inte särskilja den relativa riktningen mellan de två faserna vid gränssnittet.

Även om den relativa orienteringen mellan anisotropisk donator och isotrop fullerenacceptorfaser kan mätas baserat på polarisationsresonans mjuk röntgenspridningsmetoden (P-SoXS) (Figur 1b), ökningen av icke-fulleren solceller ger nya utmaningar för att beskriva den lokala molekylära orienteringen vid gränsytan mellan två anisotropa faser.

Forskargruppen av professor Wang Cheng vid Xiamen University och hans medarbetare använde sig av linjär polarisationsselektiv transient absorption (LP-TA, Figur 1c) för att studera den molekylära orienteringen vid heteroövergångar av organiska solceller med helt små molekyler. Genom att selektivt registrera polarisationskomponenten för sondsignalen inriktad parallellt eller vinkelrätt mot den linjära polariseringen av pumppulsen, anisotropin beräknad från den transienta absorptionssignalen används för att uppskatta vinkeln mellan donator- och acceptormolekylerna vid deras gränssnitt.

De använde LP-TA-spektroskopi för att detektera den molekylära orienteringen av bulkheteroövergångar i tre organiska solceller med helt små molekyler. Vinkeln mellan gränsytdonator- och acceptormolekyler beräknas av det initiala anisotropivärdet för den transienta absorptionssignalen som motsvarar laddningsseparationsprocessen. Å andra sidan, anisotropins dynamik ger en antydan om dissociations- och separationsprocessen för elektron/hålparet bort från gränsytan. För blandningen ZR1:Y6 (PCE:14,3%), analysen visade att vinkeln mellan ZR1- och Y6-molekylerna vid gränsytan var nära 90°. I kontrast, liknande experiment på B1:BO-4Cl-blandningen (PCE:15,3%) visade att B1- och BO-4Cl-molekylerna är parallella med varandra vid gränsytan. BTR:BO-4Cl (PCE:11,3%) gränssnitt är mer oordnat och har en slumpmässig relativ orientering. Genom att analysera laddningsseparationskinetiken, laddningsseparationseffektiviteten för B1:BO-4Cl-gränssnittet där molekylerna är parallellorienterade är högre än den vid ZR1:Y6-gränssnittet där molekylerna är vertikalt orienterade (70%> 63 %).

Dessa observationer tillhandahåller kompletterande information för röntgenspridningsmätningar och framhäver polarisationsselektiv transientabsorptionsspektroskopi som ett verktyg för att undersöka gränssnittsstrukturen och dynamiken i viktiga fotofysiska steg i energiomvandling.