有机太阳能电池作为一种简单、高效、环保型光电转化器件受到广泛关注。相对于无机太阳能电池,有机太阳能电池因其质量轻、可溶液加工、柔性可穿戴等优点使其更加地方便人们的日常生活。经过十多年的发展,从富勒烯受体到非富勒烯受体,单节有机太阳能电池器件效率突破18%(非富勒烯受体材料宽的吸收波长,更易于调节的能级结构和适合的结晶性)。这种快速的发展得益于D-A型聚合物给体的设计理念,但是其仍然具有很多缺点比如很难与低LUMO能级的高效窄带隙非富勒烯受体材料能级不匹配、导致器件电压低等,因此仍能进一步提高器件效率。并且,目前高效中宽带隙材料有限如PM6、PTB7-Th、J71等。因此,除了继续优化D-A型聚合物给体材料外,还应该加大对新的聚合物给体结构类型的探究。本文一共分为三个工作,分别设计并合成了基于A1-π-A2型和A1-A2型聚合物结构以及通过侧链工程调控聚合物给体材料的吸收和能级,具体研究内容如下:1)在这个工作中,我们设计合成两个新的缺电子单元4TC和C4T,通过与另外一个缺电子单元BTZ交替共聚,制备出两种A1-π-A2型结构宽带隙聚合物给体材料PBTZ-4TC和PBTZ-C4T。此外,引入长的烷基侧链改善活性层材料的溶解度,优化分子形貌等。在这两个聚合物中,两个吸电子(A)单元的引入,能够有效地降低聚合物给体的HOMO能级使其与非富勒烯受体ITIC-Th1能够很好的匹配。噻吩原子作为π桥,连接A1和A2单元,有效的减少了相邻基团间的空间位阻,提高聚合物主干的平面性,极大地促进了π-π堆叠和器件的迁移率,实现一个良好的电子和空穴平衡。最终,聚合物PBTZ-4TC与非富勒烯受体ITIC-Th1最佳器件效率为8.7%,聚合物PBTZ-C4T则获得了一个更优的器件效率为9.34%。因此,在有机太阳能电池中,聚合物PBTZ-C4T酯基取代噻吩更有利于获得高器件性能。A1-π-A2型共聚物的概念不仅可以提供更大的灵活性来调节能级,而且更大的丰富高性能有机太阳能电池的聚合物给体材料。2)在这一工作中,通过侧链工程和π-桥工程设计合成三种基于A1-A2型共轭聚物给体PBDD-BTZ-1、PBDD-BTZ-2和PBDD-BTZ-3。通过对比发现,合适调控侧链和优化聚合物主干不仅提高了聚合物的吸收系数,还能进一步调控分子的能级结构和活性层表面形貌,最终提高器件的短路电流(Jsc)和开路电压(Voc),其中,聚合物PBDD-BTZ-3取得了 1.1 V高开路电压,器件效率为7.3%。虽然这些这项工作中的器件性能仍然比较低,但可以丰富给体材料,并为开发有效的低HOMO能级共聚物提供了方法。3)设计合成了以S和F原子取代的苯并二噻吩(BDT)为给体单元,以C4T为受体单元的三种新型聚合物给体材料PBDT-C4T,PBDT-F-C4T和PBDT-SF-C4T。研究发现,PBDT-SF-C4T器件的开路电压达到0.99 V,是目前基于IT-4F受体的最高电压值。另外,C4T单元中的S-F,S-O分子内非共价相互作用有利于紧凑的分子堆积,并且PBDT-F-C4T:IT-4F具有更强的Face-on取向。因此,当使用非卤溶剂加工时,PBDT-F-C4T:IT-4F共混物可实现12.5%高的转化效率。这些结果表明能带结构和分子几何学的协同效应可以为高性能有机太阳能电池提供有效的分子设计策略。