Undersøgelse af molekylær orientering ved polarisationsselektiv forbigående absorptionsspektroskopi

Den organiske solcelle (OSC) heterojunction -grænseflade er, hvor centrale fotofysiske processer som ladningsseparation og rekombination forekommer. Den molekylære orientering ved grænsefladen er en af ​​de nøglefaktorer, der bestemmer solcellernes effektivitet. På grund af det komplekse tredimensionelle molekylære arrangement på grænsefladen og manglen på teknologi til at måle lokal molekylær orientering, det er udfordrende at bestemme den molekylære orientering ved grænsefladen.

Røntgenspredning bruges i vid udstrækning til at studere den molekylære pakningsmorfologi af organiske donor- og acceptormaterialer i det aktive lag. Græsningsforekomst vidvinkel røntgenspredning (GIWAXS) viser side- eller ansigtsstablingsretningen for donor- og acceptorfaserne i forhold til substratet (Figur 1a), men den kan ikke skelne den relative retning mellem de to faser ved grænsefladen.

Selvom den relative orientering mellem anisotropiske donor- og isotrope fullerenacceptorfaser kan måles baseret på polarisationsresonans blød røntgenspredningsmetode (P-SoXS) (figur 1b), fremkomsten af ​​ikke-fulleren solceller præsenterer nye udfordringer for at beskrive den lokale molekylære orientering ved grænsefladen mellem to anisotrope faser.

Forskergruppen for professor Wang Cheng ved Xiamen University og hans medarbejdere brugte lineær polarisationsselektiv forbigående absorption (LP-TA, Figur 1c) for at studere den molekylære orientering ved heterojunctions af organiske solceller med helt små molekyler. Ved selektivt at registrere polarisationskomponenten i probesignalet, der er justeret parallelt eller vinkelret på den lineære polarisering af pumpepulsen, anisotropien beregnet ud fra det forbigående absorptionssignal bruges til at estimere vinklen mellem donor- og acceptormolekylerne ved deres grænseflader.

De brugte LP-TA spektroskopi til at detektere den molekylære orientering af bulk heterojunctions i tre helt små molekyle organiske solceller. Vinklen mellem interfacial donor og acceptormolekyler beregnes af den initiale anisotropi -værdi af det transiente absorptionssignal svarende til ladningsseparationsprocessen. På den anden side, dynamikken i anisotropi giver et fingerpeg om dissociations- og separationsprocessen for elektron/hulparret væk fra grænsefladen. For ZR1:Y6 (PCE:14,3%) blanding, analysen viste, at vinklen mellem ZR1- og Y6-molekyler ved grænsefladen var tæt på 90°. I modsætning, lignende eksperimenter på B1:BO-4Cl-blandingen (PCE:15,3%) viste, at B1- og BO-4Cl-molekylerne er parallelle med hinanden ved grænsefladen. BTR:BO-4Cl (PCE:11,3%) interface er mere uordnet og har en tilfældig relativ orientering. Ved at analysere ladningsseparationskinetikken, ladningsadskillelseseffektiviteten af ​​B1:BO-4Cl-grænsefladen, hvor molekylerne er orienteret parallelt, er højere end ved ZR1:Y6-grænsefladen, hvor molekylerne er orienteret vertikalt (70%> 63%).

Disse observationer giver supplerende information til røntgenspredningsmålinger og fremhæver polarisationsselektiv forbigående absorptionsspektroskopi som et værktøj til at undersøge grænsefladestrukturen og dynamikken i de vigtigste fotofysiske trin i energiomdannelse.