La interfaz de heterounión de células solares orgánicas (OSC) es donde ocurren los procesos fotofísicos clave, como la separación de cargas y la recombinación. La orientación molecular en la interfaz es uno de los factores clave que determinan la eficiencia de las células solares. Debido a la compleja disposición molecular tridimensional en la interfaz y la falta de tecnología para medir la orientación molecular local, es un desafío determinar la orientación molecular en la interfaz.

La dispersión de rayos X se utiliza ampliamente para estudiar la morfología de empaquetamiento molecular de materiales donantes y aceptores orgánicos en la capa activa. La dispersión de rayos X de gran angular de incidencia rasante (GIWAXS) muestra la dirección de apilamiento lateral o frontal de las fases donante y aceptora en relación con el sustrato (Figura 1a), pero no puede distinguir la dirección relativa entre las dos fases en la interfaz.

Aunque la orientación relativa entre las fases donante anisotrópico y aceptor de fullereno isotrópico se puede medir con base en el método de dispersión de rayos X suave por resonancia de polarización (P-SoXS) (Figura 1b), El auge de las células solares sin fullereno presenta nuevos desafíos para describir la orientación molecular local en la interfaz de dos fases anisotrópicas.

El grupo de investigación del profesor Wang Cheng de la Universidad de Xiamen y sus colaboradores hicieron uso de la absorción transitoria selectiva de polarización lineal (LP-TA, Figura 1c) para estudiar la orientación molecular en heterouniones de células solares orgánicas de moléculas pequeñas. Al registrar selectivamente el componente de polarización de la señal de la sonda alineada en paralelo o perpendicular a la polarización lineal del pulso de la bomba, la anisotropía calculada a partir de la señal de absorción transitoria se utiliza para estimar el ángulo entre las moléculas donante y aceptora en sus interfaces.

Utilizaron espectroscopía LP-TA para detectar la orientación molecular de heterouniones masivas en tres células solares orgánicas de moléculas pequeñas. El ángulo entre las moléculas donantes y aceptoras interfaciales se calcula mediante el valor de anisotropía inicial de la señal de absorción transitoria correspondiente al proceso de separación de carga. Por otra parte, la dinámica de la anisotropía da una idea del proceso de disociación y separación del par electrón / hueco lejos de la interfaz. Para la mezcla ZR1:Y6 (PCE:14,3%), el análisis mostró que el ángulo entre las moléculas de ZR1 e Y6 en la interfaz era cercano a los 90 °. A diferencia de, experimentos similares en la mezcla B1:BO-4Cl (PCE:15,3%) mostraron que las moléculas B1 y BO-4Cl son paralelas entre sí en la interfaz. La interfaz BTR:BO-4Cl (PCE:11,3%) está más desordenada y tiene una orientación relativa aleatoria. Al analizar la cinética de separación de cargas, la eficiencia de separación de carga de la interfaz B1:BO-4Cl donde las moléculas están orientadas en paralelo es mayor que la de la interfaz ZR1:Y6 donde las moléculas están orientadas verticalmente (70%> 63%).

Estas observaciones proporcionan información complementaria para las mediciones de dispersión de rayos X y destacan la espectroscopia de absorción transitoria selectiva de polarización como una herramienta para sondear la estructura de la interfaz y la dinámica de los pasos fotofísicos clave en la conversión de energía.