随着全球经济的快速增长,人们对能源的需求日益增加,而化石燃料的过度使用对环境造成了极大地破坏。因此,近几十年来,人们对清洁能源的需求越来越迫切,已开发出一系列的可再生清洁能源,如风能、水能、太阳能等,其中可以实现光能和电能转换的太阳能电池发展十分迅速,基于硅的无机太阳能电池已经进入大规模生产及实用化阶段。然而硅太阳能电池具有成本高、工艺复杂、不能加工柔性器件等缺点。聚合物太阳能电池因其重量轻、可湿法加工和可以制备柔性器件等优点使其具有广阔的发展前景。近年来,聚合物太阳能电池在制备工艺、材料开发、器件结构等方面发展迅速,其最高的光电转换效率已经超过13%。但是为了适应商业化生产的需要,聚合物太阳能电池在效率及稳定性方面仍有待于提高。石墨烯及碳纳米管等碳纳米材料具有非常高的电导率和载流子迁移率、较强的机械性能以及化学稳定性,在光催化、储能器件、传感器及光伏领域中具有广泛的应用。在本论文中,我们将石墨烯和碳纳米管通过化学方法进行功能化,并将所合成的材料应用到聚合物太阳能电池中,这不仅降低了大规模合成的成本,而且不同的功能基团可以赋予石墨烯和碳纳米管新的光电性能,为提高器件性能做出积极探索。本论文主要研究成果如下:1、通过溶剂热法合成了石墨烯量子点GQDs,并将合成的GQDs掺杂在聚合物太阳能电池的活性层中,作为受体材料,制备了基于PC₇₁BM和GQDs两种受体材料的聚合物太阳能电池。掺杂后器件的性能有了显著的提升,其PCE从5.55%提高到7.04%。通过IPCE、PL、UV-vis吸收光谱、开尔文探针等表征手段对器件进行表征后得出结论,GQDs通过对入射光的反射和散射,提高了活性层中的光程长度,增强了活性层对入射光的吸收;其次,GQDs在活性层中提供了大量的激子分离界面,使激子的分离效率大大提高,并且改善了分离后的电子在PC₇₁BM分子之间的传输;而且由于其具有较为合适的功函数,为电子的传输提供了有效的传输路径,有效的抑制了电子和空穴的复合,在提高器件J_sc方面做出了贡献;同时GQDs的掺杂还降低了器件的R_s,增加了R_sh,增加了器件的效率。因此GQDs作为受体材料直接改善了聚合物太阳能电池的性能,为提高光电转换效率做出了贡献。2、我们通过低温溶液法制备了硼酸功能化的碳纳米管bf-MWCNTs,并制备了bf-MWCNTs掺杂的聚合物太阳能电池空穴传输层,极大地改善了光伏器件的光电转换效率,结构为ITO/PEDOT:PSS:bf-MWCNTs/PCDTBT:PC₇₁BM/Li F/Al器件的效率达到了6.953%,与未掺杂的器件相比提高了28%。bf-MWCNTs的掺杂使空穴传输层的电导率大大提高,减小了电荷传输时的电阻,相比于PEDOT:PSS:MWCNTs作为空穴传输层的器件,基于PEDOT:PSS:bf-MWCNTs空穴传输层的器件,其空穴抽取和传输能力有了很大改善,有利于空穴从活性层向ITO电极传输,显著地提高了器件的性能。开尔文探针表征结果显示PEDOT:PSS:bf-MWCNTs空穴传输层的功函数显著提升,降低了界面势垒,加速了空穴的传输及提取,同时也增加了器件的V_oc。因此,硼酸功能基团在提高碳纳米管对空穴的传输及提取过程中起到了十分重要的作用。3、使用石墨烯和MoO₃为原料,通过水热法合成了石墨烯/MoO₃复合纳米粒子G-MoO₃,并将G-MoO₃纳米粒子作为聚合物太阳能电池的阳极界面修饰层,器件结构为ITO/G-MoO₃/PCDTBT:PC₇₁BM/LiF/Al。基于蒸镀MoO₃界面修饰层的器件的效率为5.716%,而基于G-MoO₃界面修饰层的器件的效率提高到了7.092%。G-MoO₃展现出良好的光学和电学性质,其在可见光范围内具有较高的透光率,G-MoO₃的电导率也有了很大的提升。通过对器件进行PL谱和空穴迁移率等表征,基于G-MoO₃界面修饰层的器件表现出优异的空穴传输及提取能力,有效地改善了器件J_sc和FF。我们还通过UPS表征了G-MoO₃的功函数,其功函数有小幅的提高,这不仅降低了界面势垒,加速了空穴传输,还有利于提高了器件的V_oc。