钙钛矿太阳能电池具有诸多潜在的优势,例如,制作成本低、合成工艺简单、光电转换效率高等等,因此受到学术界与工业界的广泛关注。电荷传输材料则是钙钛矿太阳能电池中必不可少的组成部分,其包括空穴传输材料和电子传输材料,本文主要对这两类材料进行研究以期改善钙钛矿太阳能电池的整体性能。基于量子化学理论方法和分子动力学模拟技术,我们发现适当地改变材料分子的构型,比如改变取代基位置、引入介稳分子结构、改变分子的形状,可针对性地提升材料的光电性能、溶液加工性以及热力学稳定性。本文从本质上阐明了微观的分子或电子结构与宏观的材料性质之间的联系,为开发新型有机电荷传输材料提供了有效的策略以及可靠的理论指导,这也将促进高效稳定的钙钛矿太阳能电池的开发。本文的主要内容如下:第一节:据报道,甲氧基苯胺类空穴传输材料的光电性能与其侧链上甲氧基取代基的位置密切相关。为了解释这一现象,通过改变空穴传输材料FDT上甲氧基的位置,我们设计了五种分子。基于密度泛函理论、马库斯电荷转移理论和爱因斯坦关系式,我们对材料的电子结构、光学性质和空穴传输性能进行了研究。计算结果表明,甲氧基的邻位取代或间位取代可以显著降低FDT分子的HOMO能级,从而有利于钙钛矿器件的开路电压。此外,由于甲氧基在分子平面的同一侧,邻或间位取代的衍生物拥有更小的空间位阻,形成了更有序紧密的分子间π-π堆叠,具有相当大的空穴迁移率。本项研究工作表明,除了电子效应,分子构型的变化将影响分子的空间位阻,进而改变材料的堆垛形貌,这为改善空穴传输材料的光电性能提供了新的思路和详细的理论指导。第二节:本节探索分子构型动力学对材料性质的影响。以几个NDI衍生物为模型分子,我们探索介稳分子构型是否可以使材料的热稳定性和溶解度实现合理的平衡。研究结果表明,与烷基取代的类似物相比,NDI-ID具有更强的分子内和分子间氢键,有利于材料的热稳定性,这表明构型的刚性赋予材料形貌稳定性。此外,在溶解过程中,材料分子与溶剂分子发生相互作用而削弱了其分子晶体内的氢键,这导致分子构型逐渐从刚性分子转变为柔性分子,从而有利于材料的溶解性能。因此,这些结果表明介稳分子构型可以在固相和液相中分别表现出有利于稳定性与溶解性的不同动力学,而新设计的五个电荷传输材料也完美地验证了这一点。本文揭示了结构动力学对材料性能的重要作用,为开发高效稳定电荷传输材料提供了更加直接有效的策略。第三节:电子传输材料的材料性能与分子间的空间排布密切相关。通过在NDI核心中引入不同的环状侧链,我们首次提出构建具有I型构型的材料分子,这种构型的分子可以实现更高的材料性能。理论计算结果表明,引入垂直于分子核心的侧链具有较大的空间位阻,因此不同分子的核心之间无法靠近,这极大地减弱了分子间的泡利排斥力。同时,侧链/侧链与核心/核心相互吸引可以使分子间实现最佳的面面堆叠,从而有利于材料的电荷传输性能。此外,能量分解分析(EDA)表明,环状侧链之间的色散力加强了分子间相互吸引作用,从而有利于材料的热力学稳定性。因此,多功能的I型分子构型可以同时提升电子传输材料的电荷传输性能和稳定性,从而为设计和合成高性能的电子传输材料开辟了新的道路。