太阳能作为一种可再生的绿色能源,在能源日益短缺的今天引起全世界人们的关注。有机太阳能电池具有价格低廉、质量轻便、易于大面积柔性制备等优点,因此受到广大研究者们的青睐。基于有机共轭材料的本体异质结太阳能电池已经取得了长足的进步,一系列新型的材料被合成出来并加以利用,最高能量转换效率已经达到10.6%,显示出广阔的应用前景。　　 有机太阳能电池器件的工作原理大致可描述为四个连续的物理过程:吸收光子产生激子-激子扩散到两相界面-激子分离为载流子-载流子传输。阐明这几个过程的机理,深入理解这几个过程对于材料设计和器件加工工艺的要求,对于制备高效率的太阳能电池是极为重要的。有机共轭材料是本体异质结太阳能电池的基本材料。研究发现,要得到高效率的太阳能电池,有机共轭材料必须在吸收光谱、分子能级、结晶性能、载流子传输性能等各方面都达到一定要求,这对材料设计者来说是一个挑战。同时,器件加工中的多种因素对太阳能电池的工作过程和光电转换效率也有影响,如何经过器件的优化获得高效率的光伏器件也是这一研究的重要内容。本文从以新材料的设计为基础,在材料的结构设计、器件的优化两个方面展开研究,探索材料结构和器件优化手段与器件工作过程和器件效率的关系,并以此为指导来制备高效率的光伏器件。具体研究内容如下:　　 1、为了提高有机本体异质结太阳能电池的开路电压,我们设计了一系列主链中含有炔键的聚合物给体材料。将有弱的吸电子效应的炔键引入聚合物主链来调节聚合物材料的能级结构。这类材料应用于有机太阳能电池,显示出比较高的开路电压,最高的光电转换效率达到了1.6%。通过几种材料之间的对比发现,共轭主链中炔键的位置对于聚合物材料的HOMO和LUMO能级影响很大,这是影响聚合物太阳能电池的开路电压和光电转换效率的关键因素之一。　　 2、为了提高有机本体异质结太阳能电池的短路电流,我们设计合成了一种新的含有9-亚烷基-9H-芴这一平面单元的给受体交替共聚物。由于平面单元的引入,该聚合物表现出良好的结晶性。其在场效应器件中的应用显示其具有较高的空穴传输率。将该聚合物应用在本体异质结有机太阳能电池中,通过使用添加剂能够方便的对共混薄膜的两相的分离尺度进行调控。经过优化,我们得到了开路电压为0.89 V,短路电流密度为9.9 mA/cm2,填充因子达到0.70,最终光电转换效率为6.2%的高效光伏器件。这一结果表明,PAFDTBT这个材料应用于制备高效率的有机太阳能电池器件是非常有前景的,这是第一例将9-亚烷基-9H-芴单元引入窄带隙聚合物的材料。研究结果表明9-亚烷基-9H-芴单元是用来制备高效有机本体异质结太阳能电池材料非常有用的构筑单元;设计平面型的聚合物材料是制备高光电转换效率光伏器件的重要思路,这对于新材料的设计有重要的启示意义。　　 3、综合考虑本体异质结太阳能电池的效率和寿命两个方面,在高效的有机太阳能电池材料结构中引入氟原子。这一方面能够增强分子之间的相互作用提高载流子迁移率;另一方面氟原子对聚合物材料活泼位点的保护也将增强材料的稳定性从而有益于将来制备长寿命的太阳能电池。我们设计合成了一种新的氟原子位于给体单元上的给受体交替共聚物。与引入氟原子之前相比,该聚合物分子之间的相互作用距离变短,相互作用增强,其在薄膜中有较高的有序度。该聚合物有相对低的HOMO能级,具有良好的热稳定性。将该聚合物应用在有机本体异质结太阳能电池中,经过优化,我们得到了开路电压为0.91V,短路电流密度为9.5 mA/cm2,填充因子为0.55,最终光电转换效率为4.8%的光伏器件。其良好的热稳定性及较高的光电转换效率表明,这一材料应用于制备实际应用的有机太阳能电池非常有前景。