L'interface d'hétérojonction des cellules solaires organiques (OSC) est l'endroit où les processus photophysiques clés tels que la séparation et la recombinaison des charges se produisent. L'orientation moléculaire à l'interface est l'un des facteurs clés qui déterminent l'efficacité des cellules solaires. En raison de l'arrangement moléculaire tridimensionnel complexe sur l'interface et du manque de technologie pour mesurer l'orientation moléculaire locale, il est difficile de déterminer l'orientation moléculaire à l'interface.

La diffusion des rayons X est largement utilisée pour étudier la morphologie du tassement moléculaire des matériaux organiques donneurs et accepteurs dans la couche active. La diffusion de rayons X grand angle à incidence rasante (GIWAXS) montre la direction d'empilement latéral ou de face des phases donneuse et acceptrice par rapport au substrat (Figure 1a), mais il ne peut distinguer la direction relative entre les deux phases à l'interface.

Bien que l'orientation relative entre les phases de donneur anisotrope et d'accepteur de fullerène isotrope puisse être mesurée sur la base de la méthode de diffusion des rayons X mous par résonance de polarisation (P-SoXS) (Figure 1b), l'essor des cellules solaires non fullerènes présente de nouveaux défis pour décrire l'orientation moléculaire locale à l'interface de deux phases anisotropes.

Le groupe de recherche du professeur Wang Cheng de l'Université de Xiamen et ses collaborateurs ont utilisé l'absorption transitoire sélective en polarisation linéaire (LP-TA, Figure 1c) pour étudier l'orientation moléculaire aux hétérojonctions de cellules solaires organiques à petites molécules. En enregistrant sélectivement la composante de polarisation du signal de sonde alignée parallèlement ou perpendiculairement à la polarisation linéaire de l'impulsion de pompe, l'anisotropie calculée à partir du signal d'absorption transitoire est utilisée pour estimer l'angle entre les molécules donneuse et acceptrice à leurs interfaces.

Ils ont utilisé la spectroscopie LP-TA pour détecter l'orientation moléculaire des hétérojonctions massives dans trois cellules solaires organiques à petites molécules. L'angle entre les molécules d'interface donneuse et acceptrice est calculé par la valeur d'anisotropie initiale du signal d'absorption transitoire correspondant au processus de séparation de charge. D'autre part, la dynamique de l'anisotropie donne une idée du processus de dissociation et de séparation de la paire électron/trou à l'écart de l'interface. Pour le mélange ZR1:Y6 (PCE :14,3%), l'analyse a montré que l'angle entre les molécules ZR1 et Y6 à l'interface était proche de 90°. En revanche, des expériences similaires sur le mélange B1:BO-4Cl (PCE :15,3%) ont montré que les molécules B1 et BO-4Cl sont parallèles entre elles à l'interface. L'interface BTR :BO-4Cl (PCE :11,3 %) est plus désordonnée et a une orientation relative aléatoire. En analysant la cinétique de séparation des charges, l'efficacité de séparation de charge de l'interface B1:BO-4Cl où les molécules sont orientées en parallèle est supérieure à celle de l'interface ZR1:Y6 où les molécules sont orientées verticalement (70%> 63%).

Ces observations fournissent des informations complémentaires pour les mesures de diffusion des rayons X et mettent en évidence la spectroscopie d'absorption transitoire sélective en polarisation comme outil pour sonder la structure de l'interface et la dynamique des étapes photophysiques clés de la conversion d'énergie.