有机太阳能电池近些年发展非常迅速,这其中主要得益于新型高效活性层材料的设计以及器件优化。有机太阳能电池相较于其他形式的光伏器件具有光吸收范围可调的以及柔性制备等特点,因此有机太阳能电池的对于各种形式的光吸收都有较好的利用。但是有机太阳能电池相较于其他的光伏器件能量损失也最大,因此我们应该理清有机太阳能电池的能量损失原因。本论文主要围绕给体分子设计对器件性能的影响,我们基于D-A二元共聚和侧链工程的方式设计合成了一些系列的二元共聚物给体材料,改善了形貌以及能级结构,并且进一步挖掘了对器件的能量损失机理的研究,为将来设计合成更加高效的给体材料提供了一定的借鉴作用。此外,我们还研究了具有耐弯折性的界面层复合材料,为将来大规模有机太阳能电池的柔性生产制备提供了一定的基础。研究工作与结果如下:1、设计合成了一种新型的基于硅烷基取代苯并二噻吩(BDT)与平面性较好的并二噻唑单元(TZ)的D-A共轭共聚物(PBDS-TZ)。由于BDT单元上σ*(Si)-π*(C)的相互作用,以及TZ单元的较强的电子亲和能保证共聚物具有更低的能级结构能够与受体IT-4F很好的匹配。同时,TZ单元较好的共平面性有利于电荷的高效传输和收集。我们发现当共聚物制备活性层时,很容易地获得理想的微观形貌以及垂直相分离,并且与IT-4F良好的光吸收互补。最终基于PBDS-TZ:IT-4F的器件效率达到了12.01%,填充因此也高达73.1%,短路电流达到20.45mA cm-2,这是当时报道的烷基硅基功能化共聚物给体的最高的器件性能。这些结果表明,通过合理分子设计活性层材料来实现形貌控制对高性能有机太阳能电池至关重要。2、分别设计了基于硅烷基链和氯功能化的BDT与TZ单元共聚的两个新型中宽带隙给体材料(PBDTSi-TZ和PBDTCl-TZ)。结果表明,侧链的改变对于其分子的特性影响非常巨大。其中,PBDTCl-TZ具有更深的HOMO能级以及更好的共平面性致使其更加有序的堆积。当我们将两给体分别与IT4F作为受体制备成有机太阳能电池器件。基于PBDTCl-TZ的器件由于其与IT-4F较好的能级匹配表现出更低的辐射复合损失。此外,基于PBDTCl-TZ器件比基于PBDTSi-TZ的器件的非辐射能量损失低了 45mV,因此具有更低的能量损失以及更高的开路电压。最终,基于PBDTCl-TZ:IT4F的PCE高达12.2%,Voc达到了 0.837V。因此,分子侧链工程是一个非常有效策略来调控有机太阳能电池的活性层的微观形貌以及能级结构。3、设计合成了两个低HOMO能级的给体材料,(PBDS-TPD和PBDTCl-TPD),这主要得益于噻吩吡咯二酮(TPD)单元的较强的吸电子能力以及良好的共平面性也是保证电子能够有足够大离域空间,因此D-A共聚时能够有效的降低分子的HOMO能级。最终,基于PBDS-TPD:IT-4F的PCE达到了 9.91%,其中VOC达到了 0.876 V,Jsc 达到了18.84mAcm-2,FF 达到了 61.30%。而基于PBDTCl-TPD:IT-4F 的 PCE 达到了12.67%,其中VOC到了 0.915 V,JSC达到了 20.50 mA cm-2,FF达到了67.34%。此外,我们还发现这两个类似结构的分子对于第三组分添加剂表现出不同的敏感性,其中基于PBDS-TPD:IT-4F体系的开路电压对于第三组分添加剂不敏感。而基于PBDTCl-TPD:IT-4F体系,器件的对于不同添加剂开路电压从0.915 V提高到0.965 V,这也是基于IT-4F器件的最高开路电压之一。我们通过测试这两个器件的发光效率相差接近一个数量级,因此我们可以看出器件的电压损失不仅关乎于窄带息受体分子发光效率,与给体分子的特性也非常相关,这也为我们将来设计高性能低能量损失的有机太阳能电池提供了一定的参考。4、设计制备了基于有机共轭聚电解质(PNDIT-F3N)与醇溶性高分子量有机弹性体(PVP)相结合复合界面层材料。充分利用两者优点制备成具有耐弯折的复合界面层材料,我们发现掺入PVP后并没有破坏界面层的形貌反而适量掺入有利于改善活性层的相貌并且获得了非常可观的器件效率并且显著提高了其机械弯折性能。其中基于PM6:IT-4F体系的器件效率达到了13.42%,开路电压也达到了0.851V。并且这种复合材料具有较好的普适性,能够在不同活性层体系中都能较好的工作,并且基于富勒烯体系中也能获得可观的器件效率,基于窄带息受体材料体系中器件效率达到了 15.10%的器件效率。这种复合材料将于利于将来柔性有机太阳能电池大规模生产和制备。