近年来,随着世界各国的能源危机的出现,科学家们逐渐把目标转移到新的能源利用设备上,有机太阳能电池自从问世以来就受到学术界的广泛关注。相对于富勒烯受体,非富勒烯受体发展迅速,主要是因其分子设计简单,合成方法简便,以及薄膜形貌易调控等等,尤其是近两年,随着一系列新体系窄带隙明星分子和近红外非富勒烯吸收材料 ITIC,ITIC-TH,ITCC,IT-M,COi8DFIC,IEICO-4F,Y6 的合成制备,有机太阳能电池迎来了一个又一个的破纪录高效率,引起了科研界和产业界的广泛关注。但是目前有关于这些新生材料的光电特性以及器件制备方法和器件工作机制的研究很欠缺,因此我们有必要针对这些新型窄带隙材料的器件结构以及器件光电性能做系统性的研究。本论文的创新之处在于在高效窄带隙非富勒烯受体的基础上,研究叠层有机太阳能电池、三元有机太阳能电池、集成有机太阳能电池的制备方法和工作原理,并利用紫外光电子能谱和开尔文探针力显微镜研究薄膜表面功函的变化,利用原子力显微镜和扫描电镜分析薄膜形态的变化、电致发光光谱和光致发光光谱研究三元电池中能量的分布和转移、薄膜的瞬态吸收光谱表征薄膜载流子动力学过程,并定量计算薄膜载流子浓度、耗尽区宽度、三元有机太阳能电池开路电压中辐射和非辐射复合部分的能量损失;最终展示了基于非富勒窄带隙烯受体不同器件的制备方法以及揭示了器件的工作原理。以下是本论文的主要内容:(1)用PBDB-T和窄带隙非富勒烯受体ITIC制作前后对称的叠层有机太阳能电池(TOSC)。然而在TOSC中,制备出用溶液法处理、具有适当功函数、理想导电性和稳定性的连接层(ICL)仍具有挑战性。在本论文中,我们选择后续重掺杂TiOx纳米粒子与聚合物PEDOT:PSS形成p-n结,组成连接层。结果表明,掺杂偶极分子PFN-Br的TiOx薄膜的功函数发生变化,载流子密度大大提升,薄膜的迁移率和电导率也进一步提升,此外,由于PFN-Br具有分子偶极作用,使TiOx与PEDOT:PSS之间的界面电位差进一步增大。因此,基于体/界面协同效应的连接层实现了电子隧穿效应,从而导致叠层太阳能电池的上下子电池实现实现欧姆接触,使来自上下子电池的电荷直接被连接层捕获复合,大大减少了能量的损失。(2)将窄禁带高荧光量子产率非富勒烯材料BDT-IC引入到常见的PBDB-T:ITIC-TH体系中,制备了窄带隙三元有机太阳能电池,并研究了三元有机太阳能电池的开压损失。器件的电致发光(EL)光谱表明,共混器件的EL峰相对于一元的EL峰红移,这说明有机太阳能电池中存在电荷转移态(CT state),有趣的是,窄带隙二元有机太阳能电池PBDB-T:BDT-IC的EL峰相对于PBDB-T:ITIC-TH蓝移,且三元电池的EL峰在两个电池之间,这说明在这两种电池中存在不同的CT态,即在PBDB-T:BDT-IC中具有较高的CT态,在PBDB-T:ITIC-TH中具有较低的CT态,并且这两种CT态在三元有机太阳能电池中共存。器件的电致发光量子产率(EQEEL)表明,在窄带隙PBDB-T:BDT-IC太阳能电池中,具有较低的非辐射能量损耗,而在PBDB-T:ITIC-TH中,非辐射能量损耗较高。因此,这两种电池共存的三元电池表现出可随掺杂比例变化的开路电压(Voc)。同时,电池的电荷迁移率也可以通过掺杂第三组分BDT-IC来调节。我们的工作进一步加深了对三元有机太阳能中载流子动力学过程,对提高有机太阳能电池的Voc具有一定指导意义。(3)将紫外-可见光吸收范围的钙钛矿电池和近红外有机太阳能电池连接为一种无连接层“集成太阳能电池”,即将窄带隙机太阳能电池的电子传输层替换为高迁移率宽带隙钙钛矿电池。这种简单易行的方法拓展了近红外非富勒烯有机太阳能电池的吸收范围,而不影响集成电池中的电荷传输和材料的能级。钙钛矿太阳能电池可以作为有机太阳能电池的电子传输层,适当比例的异质结可优化混合有机太阳能电池薄膜的形貌,此外,异质结还可以当作为钙钛矿电池的优良电荷传输层,增强电导率,平衡电荷传输,抑制薄膜的非辐射复合损失,从而增加了电池的短路电流(Jsc)和填充因子(FF),而集成器件的Voc和钙钛矿电池的Voc保持一致。