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随着全球范围内的人口增加,人类对能源的需求量与日俱增。为了解决能源短缺与日益增加的能源需求之间的矛盾,科研界和工业界都在积极探索新的能源利用方式,其中就包括了对太阳能电池进行的大量研究。到目前为止,太阳能电池已发展到基于溶液加工工艺的第三代水平。作为其中的典型代表,本体异质结结构有机薄膜太阳能电池以其成本低、可溶液旋涂成膜、可大批量卷对卷生产等独特优势在推进第三代光伏技术革新中发挥出重要作用。随着人们对有机太阳能电池相关分子工程、界面工程和器件工艺的深入探索,众多新颖、高性能的有机给受体分子材料以及界面修饰材料被开发出来,用以改善活性层中的电荷产生以及界面处的电荷抽取等性质,电池光电性能得到了长足发展。与此同时,新型给体材料的不断丰富也促使科研人员将兴趣越来越多地集中到更深层工作机理的研究上。对电池内部多个复杂物理过程及其限制因素的理解和认识成为指导材料设计、工艺优化并进一步提高器件性能的关键。有机太阳能电池中的物理过程包含了激子生成并扩散、电荷转移、激子分离、载流子传输、载流子抽取和收集等。其核心是以分子之间的载流子传输为媒介的能量传递过程。在这个过程中,载流子很容易被分子局域态或界面缺陷态等所陷从而终止传输行为,这种陷阱效应及伴生的载流子复合损耗贯穿整个电池中的各个物理过程,造成传输到外电路的有效载流子数目减少,是制约电池效率提升的一个关键因素。本论文围绕这一问题展开研究,阐述有机太阳能电池活性层中的分子堆积,传输层、层-层界面处的结构缺陷对载流子陷阱效应的影响,并运用多种稳态和瞬态光电测试手段结合理论模拟对活性层以及电极界面处的陷阱态分布、电荷产生-输运-复合等过程进行系统研究。具体涵盖了一类基于苯并二噻吩共轭材料体系的活性层微观聚集结构优化及其内部载流子动力学机制的研究;另外针对ZnO这种极具潜力的电子传输层提出了一些新的掺杂改性和界面缺陷钝化的策略。最终我们在多个体系中均取得了较高的能量转换效率和储藏稳定性。本论文共分为以下三部分工作,分别对应二、三、四章的内容。第一部分工作:我们通过控制旋涂前溶液中的分子聚集、旋涂中的成膜速率以及旋涂后的薄膜处理,系统地优化了一种基于苯并二噻吩（BDT）共轭聚合物（PBDT-DTffBT）在活性层中的分子聚集结构,并对优化过程中相关载流子动力学问题进行了探讨。结果表明旋涂高温溶液避免超大无定形相的形成是制备光伏器件的先决条件,这与溶液状态下PBDT-DTffBT的温度依赖聚集行为有关。添加剂DIO的运用使薄膜内部形成纳米纤维的给受体互穿网络结构;而对活性层进一步后退火处理促成分子更加有序的π-π堆积、片层堆积,处于face-on取向的分子比例增加。通过多种稳态和瞬态光电实验结合数值模拟,我们发现这些微观聚集结构的优化促使带尾陷阱态密度分布向低能量区移动,有效增加了载流子传输速率,降低传输弥散性,抑制各种形式的载流子复合损失。制备的传统（正置）器件能量转换效率达到9.03%。进一步利用垂直相分离制备ZnO/PBDT-DTffBT:PCBM/Mo O3/Ag的倒置结构给出了75%的高填充因子和9.72%的器件效率。另外,我们还对比研究了一系列BDT基小分子的性质,结果表明分子共轭程度越高,活性层的结晶性越好,相分离尺寸和相连续性都有所改善,空穴迁移率最高提升1个数量级。制备的小分子器件开路电压达到1.04 V,填充因子超过65%。第二部分工作:我们针对ZnO纳米晶表面存在大量结构缺陷导致器件性能降低的问题,提出了等离子体敏化的ZnO纳米晶作电子传输层的策略。为此,我们合成了各向异性的Au纳米棒（AuNRs）对ZnO薄膜进行体掺杂,光致发光谱的研究显示,仅通过可见光辐照ZnO/AuNRs复合结构就可以有效抑制ZnO的缺陷荧光,这归因于等离子体激发的AuNRs产生“热电子”并转移到ZnO基质中填补了其电子陷阱态。对载流子迁移率、瞬态光电流、线性增压电荷抽取等性质的测量,表明陷阱填充的器件展现出更好的电荷输运和更长的载流子复合寿命。另一方面AuNRs还保留了原本的光散射效应从而提高了活性层的陷光。电学性能和光学性能的协同优化促使基于PTB7:PC71BM电池的能量转换效率从7.91%提高到9.36%,器件的储藏稳定性也得到明显改善。第三部分工作:我们利用N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂后处理的方法实现了聚乙烯亚胺（PEI）超薄界面层的可控沉积,并以此修饰低温制备的ZnO电子传输层,有效钝化了ZnO表面的结构缺陷,基于多个活性层体系的电池最高效率达到10.35%。研究结果表明DMF对PEI的再溶解以及两种分子之间较强的氢键相互作用诱导PEI在ZnO表面重构,形成了一层超薄但均匀覆盖的PEI片层,这增加了PEI与ZnO相互作用的位点,对表面暴露的悬挂键、氧空位、吸附氧等产生更彻底的钝化效果。DMF后处理还增强了PEI的界面偶极效应,不仅有助于活性层向ZnO的电子注入,而且在阴极这一侧形成空穴耗尽,降低了载流子在电极界面处的复合几率。我们还发现经过DMF处理的器件,不需要高度精确地控制PEI层厚度,更有利于实际中的大面积生产。