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太阳能电池是有效利用太阳能的重要途径之一,其中聚合物太阳能电池由于其具有质量轻,成本低,制备工艺简单,可制备柔性器件等优点而受到研究者们的广泛关注。聚合物太阳能电池相对较低的能量转换效率(PCE)是阻碍其商业化应用的重要因素。目前提高聚合物太阳能电池器件的能量转换效率的几种主要策略包括:设计合成新型的给/受体材料,调控活性层微观形貌,优化器件结构,界面工程等。其中,通过引入合适的界面材料修饰活性层/电极之间的界面实现界面工程是提高聚合物太阳能电池性能的简单,有效的手段。本论文以聚合物太阳能电池的界面工程研究为出发点,集中于发展新型阴极界面材料以提高聚合物太阳能电池的能量转换效率和稳定性,主要开展了以下四个方面的工作:(1)通过简单的“一锅法”合成了醇溶性的乙醇胺功能化的富勒烯衍生物C60-ETA,并成功将其作为阴极界面层应用于正型聚合物太阳能电池中。在三种不同的活性层体系 PTB7-Th:PC71BM,PTB7:PC71BM 和 PBDTTT-C:PC71BM 中,C60-ETA作为阴极界面层时,器件的最高效率分别达到了 9.66%,8.51%和7.19%,相比于金属钙(Ca)作为阴极界面层的参比器件得到了显著的提升,表明C60-ETA是比金属Ca更有效的阴极界面层材料。基于C60-ETA的电池器件效率的增强主要源于短路电流(Jse)的增加,这归因于C60-ETA的加入导致活性层膜的粗糙度增加从而改善了活性层和阴极之间的界面接触,同时改善了电子传输,促进铝(Al)阴极提取电子。(2)通过简单的共沉淀法制备了不同镁铝比例(2:1,3:1,4:1)的层状双氢氧化物MgxAl-NO3-LDH,并通过超声剥离得到超薄MgxAl-NO3-LDH纳米片,然后将其作为阴极界面材料应用于基于PBDTTT-C:PC71BM的体相异质结反型聚合物太阳能电池。在优化的Mg:A1比例(3:1)下,基于超薄Mg3Al-NO3-LDH纳米片阴极界面层的电池器件的平均能量转换效率达到6.10%,相比于没有阴极界面层的参比器件的效率(3.53%)有显著提升,并超过了以氧化锌(ZnO)作为阴极界面层的器件效率(5.51%)。Mg3Al-NO3-LDH阴极界面层的引入改善了 ITO和活性层之间的界面接触,降低了界面电荷传输电阻,促进了界面电子的传输,有利于器件FF的提升,进而提升了器件的能量转换效率。(3)采取热聚合的方法,以乙二胺四乙酸铜钠为原料,在300℃条件下制备了铜-氮双掺杂的水溶性超薄碳纳米片(Cu,N-CNS),通过傅里叶变换红外(FT-IR)光谱,X-射线光电子能谱(XPS),稳态荧光(PL)光谱以及透射电子显微镜(TEM)等表征手段对其成分和微观结构进行了分析。我们将Cu,N-CNS作为阴极界面层应用于来制备基于PBDTTT-C:PC71BM的反型聚合物太阳能电池中,获得的器件的最高能量换效率达到6.44%,超过了没有阴极界面层的器件(~3.39%)以及以ZnO作为阴极界面层的器件(～6.15%)。Cu,N-CNS在电池器件中表现出优于ZnO阴极界面层材料的性能主要归因于Cu,N-CNS有效地降低了 ITO的功函,从而减小了活性层与电池阴极之间的能级势垒,进而提高电池器件的Voc。同时,Cu,N-CNS的引入有效地降低活性层和电池阴极之间的界面接触电阻以及电荷传输电阻,有利于界面电子的传输,从而提高器件的能量转换效率。(4)以两种带氨基的硅烷偶联剂3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)和3-(2-氨基乙基氨基)丙基三甲氧基硅烷(AEAPTMS)作为阴极界面材料,通过将其在100℃的条件下加热成蒸汽对ITO表面进行处理,有效地降低了 ITO的功函,从而显著地提高了反型聚合物太阳能电池器件的能量转换效率。其中,以AEAPTMS为阴极界面材料的电池器件的能量转换效率最高分别为9.06%(PTB7-Th:PC71BM 体系)和 6.15%(PBDTTT-C:PC71BM 体系),不仅远高于没有阴极界面层的器件,而且超过了传统ZnO作为阴极界面层的器件。器件效率的提升主要来源于Voc,Jsc和FF三个参数的同时提升。在相同条件下,AEAPTMS修饰ITO作为阴极缓冲层的电池器件性能要优于相应的APTMS修饰ITO制备的电池器件,主要归因于AEAPTMS导致ITO的功函降低的幅度更大。