De organische zonnecel (OSC) heterojunctie-interface is waar belangrijke fotofysische processen zoals ladingsscheiding en recombinatie plaatsvinden. De moleculaire oriëntatie op het grensvlak is een van de belangrijkste factoren die de efficiëntie van zonnecellen bepalen. Vanwege de complexe driedimensionale moleculaire rangschikking op het grensvlak en het gebrek aan technologie om de lokale moleculaire oriëntatie te meten, het is een uitdaging om de moleculaire oriëntatie op het grensvlak te bepalen.

Röntgenverstrooiing wordt veel gebruikt om de moleculaire pakkingsmorfologie van organische donor- en acceptormaterialen in de actieve laag te bestuderen. Grazing incidentie groothoek röntgenverstrooiing (GIWAXS) toont de stapelrichting van de zijde of het gezicht van de donor- en acceptorfasen ten opzichte van het substraat (Figuur 1a), maar het kan de relatieve richting tussen de twee fasen op het grensvlak niet onderscheiden.

Hoewel de relatieve oriëntatie tussen anisotrope donor- en isotrope fullereenacceptorfasen kan worden gemeten op basis van de polarisatieresonantie zachte röntgenverstrooiingsmethode (P-SoXS) (Figuur 1b), de opkomst van niet-fullereen zonnecellen stelt nieuwe uitdagingen voor het beschrijven van de lokale moleculaire oriëntatie op het grensvlak van twee anisotrope fasen.

De onderzoeksgroep van professor Wang Cheng aan de Universiteit van Xiamen en zijn medewerkers maakten gebruik van lineaire polarisatie-selectieve transiënte absorptie (LP-TA, Figuur 1c) om de moleculaire oriëntatie op heterojuncties van organische zonnecellen met volledig kleine moleculen te bestuderen. Door selectief de polarisatiecomponent van het sondesignaal op te nemen dat parallel of loodrecht op de lineaire polarisatie van de pomppuls is uitgelijnd, de anisotropie berekend uit het transiënte absorptiesignaal wordt gebruikt om de hoek tussen de donor- en acceptormoleculen op hun grensvlakken te schatten.

Ze gebruikten LP-TA-spectroscopie om de moleculaire oriëntatie van bulkheterojuncties in drie organische zonnecellen met volledig kleine moleculen te detecteren. De hoek tussen grensvlakdonor- en acceptormoleculen wordt berekend door de initiële anisotropiewaarde van het voorbijgaande absorptiesignaal dat overeenkomt met het ladingsscheidingsproces. Anderzijds, de dynamiek van anisotropie geeft een hint van het dissociatie- en scheidingsproces van het elektron/gat-paar weg van het grensvlak. Voor de ZR1:Y6 (PCE:14,3%) blend, de analyse toonde aan dat de hoek tussen ZR1- en Y6-moleculen op het grensvlak bijna 90 ° was. In tegenstelling tot, vergelijkbare experimenten met het B1:BO-4Cl (PCE:15,3%) mengsel toonden aan dat de B1- en BO-4Cl-moleculen parallel aan elkaar zijn op het grensvlak. BTR:BO-4Cl (PCE:11,3%) interface is meer ongeordend en heeft een willekeurige relatieve oriëntatie. Door de ladingsscheidingskinetiek te analyseren, de efficiëntie van de ladingsscheiding van de B1:BO-4Cl-interface waar de moleculen parallel zijn georiënteerd, is hoger dan die op de ZR1:Y6-interface waar de moleculen verticaal zijn georiënteerd (70%> 63%).

Deze waarnemingen bieden aanvullende informatie voor röntgenverstrooiingsmetingen en benadrukken polarisatie-selectieve transiënte absorptiespectroscopie als een hulpmiddel om de interfacestructuur en dynamiek van belangrijke fotofysische stappen in energieconversie te onderzoeken.