化石能源的过度开发利用,一方面带来了日趋严重的环境问题;另一方面也使不可再生能源的储量处于紧缺状态。为了解决这些化石能源过度开发利用所带来的环境污染以及能源短缺问题,寻找环境友好型可再生能源以替代不可再生能源变得尤为重要和紧迫。当前主流的可再生能源主要包括水力发电、风力发电、热力发电以及太阳能发电等。相比较太阳能发电,前几种可再生能源在使用上都受到一定的条件限制,比如地理位置、地势等。太阳能发电则表现出较大的优势,它不仅限制性条件少,而且具有用之不竭的特点。在太阳能电池领域中,有机太阳能电池表现出了较大的竞争力。与传统太阳能电池器件相比,有机太阳能电池具有质量轻、生产成本低、柔性、半透明以及可卷对卷打印生产等优点。当前的有机太阳能电池器件主要基于包括电子给体和电子受体的二元体异质结构器件。目前,单结有机太阳能电池器件的能量转换效率己经突破16%。然而,进一步提升有机太阳能电池器件性能是其产业化的必要条件。因此,如何提升有机太阳能电池器件的性能成为了当前的研究热点之一。在包括合成新材料、设计并优化新型器件结构等在内的众多提升有机太阳能电池器件性能的策略中,三元策略,即在二元主体系中引入具有特定功能的第三组分,被证实为是一种有效且工艺简便的手段。不仅如此,三元策略亦可实现特定功能性的有机太阳能电池器件。相对于二元体系,在活性层中引入第三组分意味着引入了更为复杂的相分布状态和物理机制。理解第三组分在二元主体系中的相分布状态以及在相应相分布状态下对主体系所带来的微纳形貌和光物理机制的影响,对于利用三元策略提升太阳能器件性能尤为关键。但目前相关问题研究较少,针对于以上问题,我们进行了较为深入的调研,并开展了以下工作:(1)第一部分工作中,我们在P3HT:PC71BM体异质结中引入有机小分子给体材料p-DTS(FBTTH2)2作为第三组分。p-DTS(FBTTH2)2的分子能级位于P3HT和PC71BM能级之间,从而三个组分的能级可以形成能级级联效应;此外,p-DTS(FBTTH2)2可以增强并拓宽主体系P3HT:PC71BM的吸收光谱;不仅如此,P3HT的稳态PL光谱和p-DTS(FBTTH2)2的吸收光谱有很大程度的交叠,这种交叠为能量转移的有效发生提供了可能。经过对微纳形貌以及光学表征结果进行分析,我们合理推断出第三组分p-DTS(FBTTH2)2分布于主给体P3HT和主受体PC71BM 的界面。15 wt%p-DTS(FBTTH2)2 的添加,可以使基于 P3HT:PC71BM 的二元太阳能电池器件能量转换效率有效提升24%。性能提升的原因主要归结为两方面:一是p-DTS(FBTTH2)2对主体系吸收光谱的增强和拓宽;二是p-DTS(FBTTH2)2在P3HT和PC71BM界面处的分布,可以充分发挥电荷转移和能量转移协同机制的作用,从而使器件性能有较为明显的提升。(2)基于第一部分的工作,我们将双能量转移效应引入到单一体异质结中,这种双能量转移效应存在于第三组分PCDTBT(能量给体)和主给体PTB7-Th(能量受体1)以及主受体ITIC(能量受体2)之间。通过微纳形貌以及光学测试表征发现第三组分PCDTBT均匀分布于主给体PTB7-Th和主受体ITIC中。PCDTBT的这种分布状态,使其与主给体和主受体之间具有有效的界面接触,从而确保了双能量转移效应的发生。此外,PCDTBT的均匀分布状态使主体系的π-π堆积相干长度减小,但它也使π-π堆积的层间距更加紧凑,从而适量的PCDTBT掺入引入并未显著降低电荷传输性能。最终在30 wt%PCDTBT的掺入下,相对于相应二元太阳能电池器件,短路电流由13.89 mA cm-2提升到16.71 mA cm-2,能量转换效率提升了 15%。(3)在第三部分研究工作中,我们将常规的富勒烯衍生物材料PC71BM作为第三组分引入到非富勒烯二元体系PBDB-T:ITIC中制作了三元有机太阳能电池器件。我们采用薄膜断层光谱分析法定量研究了 PC71BM在三元共混薄膜中的分布状态,以及PC71BM对于PBDB-T和ITIC在体异质结中垂直方向的相分布调控作用。通过多种测试手段相结合的方式,我们发现适量的PC71BM引入可以使PBDB-T和ITIC分别在体异质结的顶部和底部富集,且自身主要分布在底部区域。不仅如此,添加PC71BM后,在三元共混薄膜中,PBDB-T和ITIC在顶部和底部区域的结晶性得到一定增强,PC71BM的分布状态和对主体系在垂直方向上的相分布调控使得电荷输运和收集能力得到明显提升,从而可以有效抑制电荷复合的发生。最终,相比较于二元有机太阳能电池器件,三元器件的短路电流和填充因子都有较大增强,能量转换效率也由原本二元太阳能电池器件的9.6%提升到了三元太阳能电池器件的11.0%。(4)在第四部分工作中,我们将具有较窄带隙的有机小分子受体材料IEICO-4F作为第三组分引入到富勒烯体系PTB7-Th:PC71BM和非富勒烯体系PBDB-T:ITIC中制作了三元有机太阳能电池器件。IEICO-4F可以将主体系的吸收光谱拓宽到近红外区域。此外,通过多种测试手段相结合的方式,我们推测IEICO-4F主要分布在主给体和主受体中,并与主给体形成“类合金”模型。IEICO-4F在三元共混薄膜中的这种分布状态可以使其自身以及主给体的结晶性得到增强并为主给体电荷转移提供了更多通道,从而使电荷转移和电荷输运能力得到有效提升。最终,相对于二元太阳能电池器件,添加IEICO-4F的三元太阳能电池器件的光电流有显著提升,从而获得了较高的能量转换效率。