07.09.2021 - Science China Press

Detección de la orientación molecular mediante espectroscopia de absorción transitoria selectiva de la polarización

La interfaz de heterounión de las células solares orgánicas (OSC) es el lugar donde se producen 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 tridimensional de las moléculas en la interfaz y a la falta de tecnología para medir la orientación molecular local, es un reto determinar la orientación molecular en la interfaz.

La dispersión de rayos X se utiliza ampliamente para estudiar la morfología del empaquetamiento molecular de los materiales orgánicos donantes y aceptores en la capa activa. La dispersión de rayos X de ángulo amplio con incidencia rasante (GIWAXS) muestra la dirección de apilamiento lateral o facial 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 anisotrópica y aceptora isotrópica de fullereno puede medirse mediante el método de dispersión suave de rayos X por resonancia de polarización (P-SoXS) (Figura 1b), el aumento de las células solares sin fullereno presenta nuevos retos 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 utilizaron la absorción transitoria selectiva de la polarización lineal (LP-TA, cuyo diagrama esquemático se muestra en la Figura 1c) para estudiar la orientación molecular en las heterouniones de las células solares orgánicas de moléculas pequeñas. Registrando selectivamente el componente de polarización de la señal de la sonda alineada paralela o perpendicularmente a la polarización lineal del pulso de bombeo, la anisotropía calculada a partir de la señal de absorción transitoria se utiliza para estimar el ángulo entre las moléculas donadoras y aceptoras en sus interfaces.

Utilizaron la espectroscopia LP-TA para detectar la orientación molecular de las heterouniones en tres células solares orgánicas de moléculas pequeñas. El ángulo entre las moléculas donadoras y aceptoras de la interfase se calcula mediante el valor de anisotropía inicial de la señal de absorción transitoria correspondiente al proceso de separación de cargas. Por otra parte, la dinámica de la anisotropía da una pista del proceso de disociación y separación del par electrón/hueco lejos de la interfaz. En el caso de la mezcla ZR1:Y6 (PCE: 14,3%), el análisis mostró que el ángulo entre las moléculas ZR1 e Y6 en la interfaz era cercano a los 90°. Por el contrario, experimentos similares en la mezcla B1:BO-4Cl (PCE: 15,3%) mostraron que las moléculas de B1 y BO-4Cl son paralelas entre sí en la interfaz. La interfaz BTR: BO-4Cl (PCE: 11,3%) es más desordenada y tiene una orientación relativa aleatoria. Analizando la cinética de separación de cargas, la eficiencia de separación de cargas 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 a las mediciones de dispersión de rayos X y ponen de relieve que la espectroscopia de absorción transitoria selectiva de la polarización es una herramienta para sondear la estructura de la interfaz y la dinámica de los pasos fotofísicos clave en la conversión de energía.

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