有機太陽電池の相挙動に新たな知見(‘Re-Entrant’ Mixing Behavior in Organic Solar Cells Necessitates New Modeling Approach)

2025-09-08 ノースカロライナ州立大学 (NCState)

ノースカロライナ州立大学とマックス・プランク研究所の国際チームは、有機太陽電池の材料であるポリマーと小分子アクセプター(SMA)の混合物が示す特殊な相挙動を解明した。50種類以上のブレンド相図を解析したところ、温度上昇で混ざりにくくなり、逆に温度低下で再び混ざる「再入混合(re-entrant mixing)」現象が多く観察された。通常のモデルでは説明できないため、研究者らは自由体積とガラス転移温度に基づく新しい理論モデルを提案し、この複雑な温度依存性を再現することに成功した。結果として、有機太陽電池の効率や安定性は分子間相互作用や温度応答に大きく左右されることが示され、今後の高性能材料設計に向けた重要な基盤となる。研究成果は『Nature Materials』に発表され、従来の予測モデルを超える新たな材料科学のアプローチとして注目されている。

有機太陽電池の相挙動に新たな知見(‘Re-Entrant’ Mixing Behavior in Organic Solar Cells Necessitates New Modeling Approach)
Mixing behavior of materials for flexible solar cells determined by thermo-mechanical transitions. Image: Jasper Michels

<関連情報>

有機半導体の再突入相挙動 Re-entrant phase behaviour of organic semiconductors

Zhengxing Peng,Masoud Ghasemi,Jasper J. Michels & Harald Ade
Nature Materials  Published:08 September 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-025-02348-x

Abstract

The number of polymeric and small-molecular acceptors for organic photovoltaics has exploded in the past decade. As a result, physical insights and efforts aiming at elucidating the coupling between composition and behaviour are required more than ever. Here we present an encompassing study into the phase behaviour of 55 polymer:small-molecular acceptor blends, pivotal in determining device performance and stability. Many of these exhibit non-trivial behaviour, which cannot be understood by conventional mixing theory. Interestingly, the phase diagrams are subject to variations in glass transition temperature, strongly suggesting an important role of configurational entropy. We present an extended model for the mixing free energy, accounting for a temperature dependence of free volume and configurational freedom. The phase behaviour can be roughly categorized in terms of the ratio of the monomeric volumes of the individual components. The model qualitatively reproduces all experimental observations and poses a viable starting point for assisting development.

0402電気応用
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