偏振瞬态吸收光谱探测本体异质结界面分子取向

厦门大学汪骋教授与中国科学院化学所何畅研究员、国家纳米中心张建齐研究员合作，利用偏振瞬态吸收光谱研究了全小分子有机太阳能电池本体异质结界面分子取向。

有机太阳能电池（OSC）异质结界面是发生电荷分离和重组等关键光物理过程的地方。界面处的分子取向是决定太阳能电池效率的关键因素之一。由于界面分子复杂的三维排列以及缺乏测量局部分子取向的技术，确定有机小分子太阳能电池的界面分子取向一直是一个难点。

X射线散射被广泛用于研究太阳能电池活性层中有机给体和受体材料的分子堆积形貌。掠入射广角X射线散射（GIWAXS）显示了给体和受体相对于基底的边向或面向堆积方向（图1a），但不能测量界面处两相分子的相对方向。尽管基于偏振共振软X射线散射方法(P-SoXS)可用于测量各向异性给体和各向同性富勒烯受体相区之间的相对取向（图 1b），但非富勒烯太阳能电池的兴起对描绘两个各向异性相界面处局部分子方向提出了新的挑战。

图1 (a) GIWAXS、(b) P-SoXS 和 (c) LP-TA示意图。

厦门大学汪骋教授课题组及其合作者利用线性偏振选择性瞬态吸收（Linear polarization-selective transient absorption，简称LP-TA，如图 1c所示）研究全小分子有机太阳能电池本体异质结界面分子取向。

作者选择性地记录与泵浦脉冲的线性偏振方向平行或垂直的偏振探测脉冲信号，以垂直和平行偏振的瞬态吸收计算出的各向异性可用于估计给体和受体分子之间的角度。

作者通过线性偏振选择性瞬态吸收光谱探测了三个全小分子有机太阳能电池中本体异质结的界面分子取向。分子间夹角通过电荷分离过程产生的瞬态吸收信号的初始各向异性值来计算，而各向异性的动力学可用于表征电子/空穴对远离界面的解离和分离过程。

对于 ZR1:Y6 （PCE：14.3％）薄膜，分析显示 Y6 分子相对于界面处的 ZR1 分子的取向接近 90°。相比之下，对 B1:BO-4Cl （PCE：15.3％）的测试结果表明，B1 和 BO-4Cl 分子在界面处彼此平行。BTR：BO-4Cl（PCE：11.3％）薄膜中的界面分子取向更加无序，具有随机取向的特征。通过分析电荷分离动力学，研究者发现分子平行取向的 B1:BO-4Cl 界面的电荷分离比分子垂直取向的 ZR1:Y6 界面效率更高（70%>63%）。

这些观察结果为 X 射线散射测量提供了补充信息，并突出了偏振选择性瞬态吸收光谱作为探测能量转换中关键光物理步骤的界面结构和动力学的工具。

该研究成果以“Probing molecular orientation at bulk heterojunctions by polarization-selective transient absorption spectroscopy”为题在线发表在SCIENCE CHINA Chemistry上。厦门大学博士后张灿坤和2020届本科毕业生张予哲（现为威斯康辛大学麦迪逊分校博士生）为文章的共同第一作者。何畅研究员、张建齐研究员、汪骋教授为文章共同通讯作者。详见：Zhang C, Zhang Y, Wang Z, Su Y, Wei Z, Hou J, He S, Wu K, He C, Zhang J, Wang C. Probing molecular orientation at bulk heterojunctions by polarization-selective transient absorption spectroscopy. Sci China Chem, 2021,64, https://doi.org/10.1007/s11426-021-1046-6

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通讯作者简介

汪骋，厦门大学化学化工学院教授。2009年毕业于北京大学化学与分子工程学院，2013年在美国北卡罗莱那大学教堂山分校获得博士学位。2013-2015年在芝加哥大学开展博士后研究。2015-至今厦门大学教授，入选国家高层次人才计划青年项目，闽江特聘教授。主要研究方向是金属有机单层(Metal-Organic Layer=MOL)及人工光合作用。在包括Nat. Chem.、Nat. Catal.的杂志上发表论文80余篇，他引8000余次。汪骋教授曾获美国化学会无机化学青年化学家奖（2013）、中国化学会青年化学奖(2020)、中国化学会纳米化学新锐奖(2021)等多项奖励。

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