有机太阳能电池因其轻质、柔性、色彩可调且具有通过溶液打印技术制备大面积器件的潜力,因此受到广泛关注。随着由给体和受体材料组成的光活性材料的设计与合成、本体异质结形貌的优化以及器件物理机理的研究,有机太阳能电池的能量转换效率得到了迅速提高。在有机太阳能电池中,研究活性层材料结构与其光伏性能的关系,进而通过结构与器件优化提高其能量转换效率是一个重要的研究方向。本文基于广泛使用的苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩(BDT)单元,设计合成了一系列用于有机太阳能电池的共轭聚合物给体材料。围绕着材料分子结构,活性层形貌以及光伏性能之间的关系进行了深入的讨论,主要研究结果和结论总结如下:(1)调整共轭聚合物主链扭曲程度提高有机太阳能电池的能量转换效率。设计并合成了两种聚合物给体(PBTCO-TT和PBTCO-T),相较于PBTCO-TT,PBTCO-T的主链扭曲程度更大。室温下,两种聚合物在溶液和薄膜中都有相似的吸收曲线,但在溶液中,PBTCO-TT具有比PBTCO-T强的随温度变化的聚集特性。循环伏安法和密度泛函计算证实,这两种聚合物均具有相近的分子能级。与受体ITIC共混制备器件,由于两种聚合物器件的活性层形貌差异较大,最终的能量转换效率相差一倍。其中,用T代替TT增加了共轭主链扭曲的有机光伏器件具有更高的能量转换效率,为10.40%。(2)通过三元策略优化活性层形貌实现扭曲聚合物太阳能电池光伏性能的提高。设计并合成了一种基于羰基化的三联噻吩的扭曲聚合物P3TCO-1,该聚合物在普通有机溶剂中有着优异的室温溶解性。紫外可见吸收光谱和循环伏安法表明,P3TCO-1具有1.90 eV的宽光学带隙和-5.39 eV的深HOMO能级。在二元有机太阳能电池中,基于P3TCO-1:ITIC与基于P3TCO-1:PC71BM器件的能量转换效率分别为10.11%和6.67%。当将两个受体ITIC和PC71BM结合时,基于P3TCO-1三元器件的能量转换效率显著提高至11.41%。更重要的是,由于该聚合物优异的溶解性,通过绿色溶剂四氢呋喃加工处理活性层制备的光伏器件获得了与氯苯处理相媲美的光伏性能,其中三元器件的能量转换效率为11.07%。(3)利用分子间氢键实现简单易合成的聚合物光伏材料。将酰胺基引入聚合物侧链,合成了一种新的聚合物PBDT-A。由于酰胺基可形成分子间氢键而使材料具有较强的分子间相互作用,在光学,电化学以及光伏器件方面具有独特的性能。该聚合物在富勒烯体系中与非富勒烯体系中分别获得了 5.25%和5.36%的能量转换效率。尽管该聚合物目前的能量转换效率不高,但由于其简单易合成从而在卷对卷的大面积印刷方面具有巨大潜力,其中的微观结构和堆积方式对快速加工条件的敏感性较低。这一结果为开发高效率可工业化生产的有机太阳能电池提供了一种新的设计思路。图[53]表[28]参[167]