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有机太阳能电池(organic solar cells,OSCs)不仅原材料来源广泛、器件加工简单、而且应用范围广泛,如集美学与建筑一体化的半透明OSCs(semitransparent OSCs,ST-OSCs)和可穿戴的柔性OSCs等。随着材料和器件工艺的不断发展,目前单结OSCs的光电转换效率(power conversion efficiencies,PCEs)已经超过15%,达到了实际应用的最低标准。OSCs近年来的快速发展离不开高性能非富勒烯受体(nonfullerene acceptors,NFAs)的不断开发。相比于传统富勒烯受体,NFAs在可见和近红外区可拥有更宽的吸收光谱和更强的消光系数,而且能级可调节性强,材料种类繁多。因此,开发高效的NFAs是提高OSCs效率的有效途径之一。合理匹配给体和受体材料也是提高OSCs效率的必备条件之一。但是大多数情况下,双组分的给体和受体材料并不能满足对光谱的全覆盖,并且相应活性层形貌难以调控。在二元体系中加入合适的第三组分来填补光谱吸收缺陷、平滑能级、以及优化活性层可以有效提高OSCs的光伏效率,是提高OSCs效率的又一途径。众所周知,OSCs相对传统硅太阳能电池的优势之一是可以制备各种颜色的ST-OSCs,因此,在近红外区拥有良好光子吸收性能的NFAs无疑是制备ST-OSCs的绝佳材料之一。基于上述理念,本论文不仅合成了新型高效的NFAs,而且通过活性层光伏材料的合理搭配,成功制备了高效的ST-OSCs和三元共混OSCs。主要研究内容如下:(一)制备了基于两个聚合物给体(PTB7-Th和PBDD-ff4T)和一个聚合物受体(N2200)的三元共混OSCs。氟取代的聚噻吩衍生物PBDD-ff4T不仅补充了基于PTB7-Th:N2200二元体系的吸收光谱空缺,而且在PTB7-Th和N2200之间起到了能级桥联的作用,为器件的电荷转移提供了更多的传输通道。当PBDD-ff4T的含量为l0wt%时,三元共混的OSCs拥有更加高效的光子捕获能力、增强的电荷迁移率和由诱导结晶引起的更好活性层形貌。基于PTB7-Th:PBDD-ff4T:N2200的三元OSCs在没有任何额外后处理的情况下具有7.2%的PCE,这明显高于基于PTB7-Th:N2200 和 PBDD-ff4T:N2200 的二元 OSCs 的 PCEs(5.9%和 4.2%)。(二)基于化学结构相似的两种兼容小分子NFAs(IDIC和ITIC)和一种新的D-A型聚合物(PSTZ)给体,制备了高效的三元OSCs。在二元PSTZ:IDIC体系中引入ITIC,不仅平滑了给受体的能级,而且改善了活性层的结晶度和形貌,进而光伏器件实现了有效的激子分离、电荷传输和收集。结果显示,基于PSTZ:ITIC:IDIC(1:0.1:0.9)的最佳三元OSCs收获了11.1%的PCE,这明显高于PSTZ:IDIC(PCE 为 8.06%)或 PSTZ:ITIC(PCE 为 8.13%)为活性层的二元 OSCs。结果表明,将相似结构的两种兼容小分子NFAs作为合金制备三元OSCs是提高OSCs光伏性能的一种有效策略。(三)通过侧链工程修饰小分子NFAs(拥有对位己基苯基侧链的IT-M),分别合成了拥有对位己氧基苯基侧链和间位己氧基苯基侧链的两种新窄带隙NFAs,即POIT-M和MOIT-M。由于在苯基侧链上引入氧原子和间位取代的协同效应,与IT-M和POIT-M相比,MOIT-M显示出了更高的消光系数、更强的分子间π-π堆积相互作用、更高的结晶度和电子迁移率,这些都有助于相应的OSCs获得更高的短路电流(Short-circuit current density,Jsc)和填充因子(Fill factor,FF)。因此,在以宽带隙聚合物PTZ1为给体的光伏器件中,基于MOIT-M的OSCs获得了 11.6%的 PCE,这明显高于 PTZ1:IT-M(9.1%)或 PTZl:POIT-M(9.7%)为基础的 OSCs。研究表明,烷氧基修饰的侧链工程是提高OSCs光伏性能的有效方法之一。(四)制备了基于三氟取代聚合物给体(PBFTT)和四氯取代NFAs(IT-4Cl)的高效ST-OSCs。相比于没有卤素取代的光伏材料(PBT7-Th和ITIC),卤素取代的光伏材料(PBFTT和IT-4Cl)具有更高的消光系数、结晶度和电荷迁移率;同时,PBFTT拥有较低的HOMO能级,IT-4Cl显示了红移的吸收光谱。作为结果,PBFTT:IT-4Cl活性层拥有更加匹配的分子能级,在NIR区域的光谱更加互补,活性层形貌也得到了有效改善。因此,在没有任何后处理的条件下,基于PBFTT:IT-4Cl 的 OSCs 收获了 11.2%的 PCE,其中 Jsc 为 19.7 mA cm-2 和 FF 为 73.9%。由于活性层在NIR区域光谱互补,OSCs在600～830 nm波长范围内拥有较高的EQE值。同时,在人眼最为敏感的黄绿色波长区域(500～600 nm),OSCs显示了较低的EQE值。因此,当平均可见光透射率(AVT)为37.3～27.6%时,基于PBFTT:IT-4Cl的ST-OSCs仍有7.9～9.2%的高PCE。在AVT超过25%时,没有任何后处理条件下的ST-OSCs收获了超过9%的PCE。