L'interfaccia di eterogiunzione delle celle solari organiche (OSC) è il luogo in cui si verificano processi fotofisici chiave come la separazione di carica e la ricombinazione. L'orientamento molecolare all'interfaccia è uno dei fattori chiave che determinano l'efficienza delle celle solari. A causa della complessa disposizione molecolare tridimensionale sull'interfaccia e della mancanza di tecnologia per misurare l'orientamento molecolare locale, è difficile determinare l'orientamento molecolare all'interfaccia.

La diffusione dei raggi X è ampiamente utilizzata per studiare la morfologia dell'impaccamento molecolare dei materiali organici donatori e accettori nello strato attivo. Lo scattering di raggi X grandangolare di incidenza al pascolo (GIWAXS) mostra la direzione di impilamento laterale o frontale delle fasi del donatore e dell'accettore rispetto al substrato (Figura 1a), ma non può distinguere la direzione relativa tra le due fasi all'interfaccia.

Sebbene l'orientamento relativo tra le fasi del donatore anisotropo e dell'accettore isotropo del fullerene possa essere misurato in base al metodo di dispersione dei raggi X a risonanza di polarizzazione (P-SoXS) (Figura 1b), l'aumento delle celle solari non fullerene presenta nuove sfide per descrivere l'orientamento molecolare locale all'interfaccia di due fasi anisotrope.

Il gruppo di ricerca del professor Wang Cheng dell'Università di Xiamen e dei suoi collaboratori ha utilizzato l'assorbimento transitorio selettivo di polarizzazione lineare (LP-TA, Figura 1c) per studiare l'orientamento molecolare alle eterogiunzioni di celle solari organiche di tutte le piccole molecole. Registrando selettivamente la componente di polarizzazione del segnale della sonda allineata parallelamente o perpendicolarmente alla polarizzazione lineare dell'impulso della pompa, l'anisotropia calcolata dal segnale di assorbimento transitorio viene utilizzata per stimare l'angolo tra le molecole donatore e accettore alle loro interfacce.

Hanno usato la spettroscopia LP-TA per rilevare l'orientamento molecolare delle eterogiunzioni di massa in tre celle solari organiche tutte di piccole molecole. L'angolo tra le molecole del donatore e dell'accettore di interfaccia è calcolato dal valore di anisotropia iniziale del segnale di assorbimento transitorio corrispondente al processo di separazione di carica. D'altra parte, le dinamiche dell'anisotropia danno un accenno al processo di dissociazione e separazione della coppia elettrone/lacuna lontano dall'interfaccia. Per la miscela ZR1:Y6 (PCE:14,3%), l'analisi ha mostrato che l'angolo tra le molecole ZR1 e Y6 all'interfaccia era vicino a 90°. In contrasto, esperimenti simili sulla miscela B1:BO-4Cl (PCE:15,3%) hanno mostrato che le molecole B1 e BO-4Cl sono parallele tra loro all'interfaccia. BTR:L'interfaccia BO-4Cl (PCE:11,3%) è più disordinata e ha un orientamento relativo casuale. Analizzando la cinetica di separazione di carica, l'efficienza di separazione della carica dell'interfaccia B1:BO-4Cl dove le molecole sono orientate in parallelo è maggiore di quella dell'interfaccia ZR1:Y6 dove le molecole sono orientate verticalmente (70%> 63%).

Queste osservazioni forniscono informazioni complementari per le misurazioni della diffusione dei raggi X ed evidenziano la spettroscopia di assorbimento transitorio selettiva per polarizzazione come strumento per sondare la struttura dell'interfaccia e la dinamica dei passaggi fotofisici chiave nella conversione dell'energia.