北京时间2025年3月5日凌晨，上海交通大学化学化工学院刘烽教授团队与英国帝国理工学院Jenny Nelson教授团队合作，将一种新的高熵策略引入了有机光伏材料的设计和器件制备之中。

该研究通过使用多种组分以提升体系的熵值，构建了一种高熵共混相，优化了共混半导体材料的基础特性，从而光伏器件的性能和稳定性得到了提升。

该研究成果以“Efficient and Stable High-entropy Organic Photovoltaics”为题在Joule期刊上发表。论文通讯作者是张明、许胜杰、Jenny Nelson、刘烽；第一作者是张明、朱磊、颜骏。

高熵策略提升有机光伏效率与稳定性

传统有机光伏材料由于能带结构受限，常伴随非辐射复合损失，影响器件的开路电压和整体效率。此外，器件在长期使用过程中容易发生相分离变化或降解，导致性能衰退。为解决这些问题，研究团队借鉴高熵合金的概念，在有机光伏活性层中引入多种类似结构的受体分子以增加熵值，从而改善共混相态，优化电子结构。通过物理混合高达八种光伏材料，可以在不损失电荷传输能力的前提下，调整导带电子态密度的分布。该策略有效提升了器件的有效能量带隙，减少了非辐射复合损失，使得器件获得了大于30meV的开路电压提升。

图1：高熵物理共混设计与基础特性研究。

该研究还将高熵策略拓展到化学合成中，创新性地开发了“高熵共混材料”，在单锅反应中直接投入多种不同的末端基团，从而合成了含有超元组分（多达40余种组分）的非富勒烯受体混合材料。这类高熵共混材料在光伏器件中的应用同样表现出卓越的性能，最高效率达到了20.6%，认证效率20.0%），并且相比于参照器件，T80寿命提高了三倍，热稳定性优秀。

图2：高熵合成材料及性能表征。

机理分析与前沿表征技术

为了进一步揭示高熵策略在有机光伏中的作用机制，研究团队采用了多种先进的表征技术，包括同步辐射散射技术、瞬态光谱技术、冷冻电镜技术等。研究发现，高熵共混策略能够有效降低材料的结晶度，使得薄膜中的共混态显著增多，但薄膜依旧表现出强势的π–π相互作用，这为低结晶体系中电荷的传输提供了保障。有别于传统的二元或三元混合体系，高熵共混构建了一种新的类合金相，其导带电子态密度出现了较大的变化或重构，这是器件开路电压提升，能量损失降低的关键。通过化学方法合成的高熵材料制备的器件性能更优的原因在于，组分主链结构的一致性更高，π–π相互作用更强；同时更多的组分数和末端卤素的组合促进了高熵共混相的形成，因此在本体异质结和逐层涂布器件中，光电转换效率均可超过20%。

图3：高熵共混形貌表征。

图4：高熵共混器件物理、光物理表征。

高熵策略的普适性与未来发展

高熵策略具有较好的普适性，其适用于多种有机光伏体系，匹配PM6、D18等主流聚合物给体材料，并在不同组元数混合（如四元、六元、八元体系）下均表现出更优的器件性能。更重要的是，高熵合成材料在不同批次制备时均能保持较高的可重复性，并且对于合成温度和时间不敏感，制备简单易重复。此外，高熵材料的化学合成方法可以进一步扩展到其他主流的非富勒烯体系，如Y系列、IT系列。

该工作指明，现阶段共混相调控是性能进一步提升的关键。合理优化共混半导体的电子结构及相态特征，有望成为推动有机光伏技术迈向更高效率、更高稳定性的重要途径。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101851