论文概览
针对有机太阳能电池中聚合物-小分子受体（SMA）共混体系相行为复杂、传统Flory-Huggins理论无法解释再入相现象的关键问题，北卡罗来纳州立大学、马克斯·普朗克聚合物研究所等多家机构联合开展系统研究，通过对55种不同聚合物/SMA共混体系的相图分析，揭示了其普遍存在的“再入相行为”（re-entrant phase behaviour）。该研究提出了一种扩展的晶格流体-双态键合模型（LF-TSB），成功解释了沙漏型（hourglass）和回环型（looped）相图的形成机制，并指出构型熵（configurational entropy）和有效单体体积比是决定相行为的关键因素。最终，该研究不仅实现了对非平衡态下相行为的预测，还为有机太阳能电池的材料设计与稳定性优化提供了理论依据。该成果以"Re-entrant phase behaviour of organic semiconductors"为题发表于Nature Materials。
技术亮点
1. 再入相行为普遍性：约50%的聚合物:SMA体系表现出沙漏型或回环型相图，突破传统UCST理论框架。
2.LF-TSB理论模型：融合晶格流体与双态键合理论，引入构型熵与自由体积变化，成功预测复杂相行为。
3. 构型熵驱动机制：再入行为与组分玻璃化转变温度（Tg）密切相关，揭示熵驱动相分离新机制。
4.分子尺寸比关键作用：有效单体体积比 是决定相图形态的核心参数。
研究意义
1理论突破：建立首个能统一解释UCST、沙漏型、回环型相行为的物理模型。
2材料设计指导：提出以单体体积比和Tg为关键参数的材料筛选策略。
3稳定性预测价值：相图形态直接关联器件老化行为，为寿命预测提供依据。
4推动机器学习应用：为基于物理的稳定性预测模型提供理论基础。深入精读
相行为分类与实验验证：
研究团队通过飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS） 对55种聚合物:SMA双层膜进行互扩散实验，绘制出温度-组成相图，并将其分为三类：
UCST型：如PM6:Y6；
沙漏型：如PM6:EH-IDTBR；
回环型：如PM6:PC₆₁BM。
理论模型构建与模拟：
研究提出LF-TSB模型，将混合自由能扩展为六项贡献：
通过调节参数（如凝聚能密度、聚合度、单体体积比），模型成功复现了所有三类相图（图3a–f），并揭示：
沙漏型由EOS效应与构型熵共同导致；
回环型主要由构型熵驱动；
有效体积比 是形态决定因素。
相图形态与稳定性关联：
相图形态直接影响器件的热力学驱动力与老化行为：
宽而陡的混溶隙（如PM6:Y6）驱动快速相分离，稳定性差；
窄的沙漏型隙（如PTB7-Th:EH-IDTBR）稳定性更佳；
高Tg体系可通过动力学阻滞维持形态稳定。
结论展望
本研究通过系统实验与理论建模，首次揭示有机半导体共混体系中再入相行为的普遍性，并建立LF-TSB模型统一解释复杂相图成因。该工作不仅深化了对有机半导体热力学的理解，更为高性能、高稳定性有机太阳能电池的材料设计与工艺优化提供了理论指导与预测工具。未来，结合机器学习与高通量计算，有望实现更精准的相行为预测与材料开发。
文献来源
Peng, Z., Ghasemi, M., Michels, J.J. et al. Re-entrant phase behavior of organic semiconductors. Nat. Mater. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02348-x
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202509/18/50008836.html
