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光伏可将光能转化为可直接利用的电能，有望缓解当前的能源与环境危机，因此一直成为研究的热点。有机光伏相比于无机光伏，具有质量轻、造价低、可柔性大面积制备等优点，且经过研究人员二十多年的努力，能量效率已由最初的1％提升至10％以上，展现出巨大的商业应用前景。本文主要从分子设计和器件工艺优化两方面入手，不断突破有机聚合物太阳能电池的效率纪录，深入探究效率提升的内在机制。具体内容如下: （一）富勒烯衍生物IC60BA异构体的光伏性能研究 分离提纯富勒烯双加成受体衍生物IC60BA异构体，获得trans-2，trans-3，trans-4，e四种位置异构体，并获得e-IC60BA单晶。相比于IC60BA混合物，IC60BA异构体降低了能级无序，减少了能级陷阱，因此，通过分离提纯异构体，获得高LUMO能级的富勒烯受体，进而提高器件的开路电压(Voc)。另一方面，IC60BA异构体在活性层中，可实现更加规整有序的排列，提供电子传输的快速通道，因此，相比于混合受体，IC60BA异构体提高了器件的电子迁移率。将分离得到的IC60BA异构体与P3HT构筑器件，器件的Voc与电子迁移率大幅度提高，但器件效率却明显降低。究其原因，活性层中IC60BA异构体与P3HT发生过度相分离，导致器件短路电流密度(Jsc）和填充因子(FF)降低。因此，构筑高效率聚合物太阳能电池器件，能级匹配与结构匹配同等重要。 （二）高性能富勒烯界面修饰材料的设计与应用 我们首次合成了双官能团富勒烯界面修饰材料PCMI∶K+，该材料同时引入内嵌K+-18-冠-6和碘甲烷化的吡咯环两种官能团，利用两种官能团的协同效应，同时实现高的电导率和强的表面偶极矩。PCMI∶K+将PTB7-Th∶PC71BM倒置器件效率由8.41％提高至10.30％，这是当时报道的单节器件的最高效率之一。深入探究效率提升的机理，我们发现，PCMI∶K+的引入，同时提高了器件的Voc，Jsc和FF。其中，Voc的提高得益于器件暗态饱和电流密度的显著降低;Jsc的提高，是由于PCMI∶K+大大减少了氧化锌表面的电子陷阱和电荷复合中心，抑制了器件由表面缺陷引起的电荷复合;FF的提高则是因为PCMI∶K+显著降低了器件的串联电阻Rs，同时提高了器件的并联电阻Rsh。另外，PCMI∶K+在PBDTTT-C-T∶PC71BM倒置器件中，也表现出优异性能。因此，PCMI∶K+是一种可以应用于不同给、受体体系的富勒烯界面修饰材料，推进了富勒烯界面修饰材料的商业化进程。 （三）高效率三元共混体系的设计与研究 为了提高三元体系聚合物太阳能电池的效率，同时探索新的三元体系工作机制，我们在综合考察给受体材料的能级、结晶性等物理化学性质之后，设计了PTB7-Th∶PffBT4T-2OD∶PC71BM三元体系。通过仔细调控结晶性不同的两种给体材料的比例，深入研究不同PffBT4T-2OD添加比例对器件光伏参数、光电转换过程和形貌的影响，揭示了器件形貌-性能的关系。实验结果表明，以PTB7-Th∶PC71BM二元体系作为参照，Voc随PffBT4T-2OD比例的增加而降低;FF均在65％以上，且在PffBT4T-2OD的比例为15％时达到最高值72.62％;Jsc则对PffBT4T-2OD的添加比例特别敏感，呈现出正弦波的变化趋势，在15％PffBT4T-2OD的添加比例时，达到最高值19.02 mA/cm2，在50％P ffBT4T-2OD的情况下，Jsc急剧减低至8.82 mA/cm2。因此，能量转换效率(PCE)也呈现正弦变化趋势，15％ PffBT4T-2OD时，取得最高值10.72％，50％ PffBT4T-2OD时取得最低值4.48％。我们从激子产生、电荷解离、电荷传输和电荷复合这四个方面系统研究了不同PffBT4T-2OD的添加比例对光电转换过程的影响。另外，我们从能量转移和形貌变化入手，对该三元体系的机理进行了更加深入的研究。我们发现，吸收截面更大的PffBT4T-2OD向PTB7-Th发生能量转移，提高了活性层对光子的捕获能力。形貌方面，15％的PffBT4T-2OD优化了相区尺寸，提高了相区纯度，因此提供了足够的激子解离所需的给、受体界面，以及良好的电荷传输通道，同时减少了载流子复合。最终实现了器件的Jsc，FF和PCE的大幅度提高。而在50％的情况下，相区纯度虽然很高，但是100 nm左右的相区尺寸，大大增加了活性层中的缺陷与电荷复合中心，从而使器件单分子复合非常严重，因此，器件的Jsc和PCE分别仅为8.82 mA/cm2和4.48％。 （四）非富勒烯受体材料ITIC-Th1的性能研究 与占肖卫老师课题组合作，开发出氟化的高性能非富勒烯受体材料ITIC-Th1。与已报道的ITIC-Th相比，引入氟原子之后，ITIC-Th1增强了分子内与分子间作用力，因此，吸收红移，拓宽器件光谱吸收范围，增强π-π堆积，提高电子迁移率，随后，与高性能给体材料FTAZ构筑器件，器件效率高达12.1％，这是目前文献上报道的单节聚合物太阳能电池的最高效率。由此可知，氟化是设计与合成高性能非富勒烯受体的有效途径之一。 （五）其他高性能非富勒烯受体材料的性能研究 对ITIC-Th、IDIC、INIC系列等多种高性能的非富勒烯受体材料（占肖卫老师组合成），分别构筑与表征反向器件，多次刷新非富勒烯聚合物太阳能电池的效率（由8.71％逐步提高至11.5％）。与此同时，利用平面型受体分子IDIC与五种不同的聚合物给体构筑器件，总结出与非富勒烯受体相匹配的聚合物给体材料应具备的性质: 1、能级匹配，实现低的能量损失，获取高的开路电压; 2、吸收光谱互补，最大限度地增强活性层对太阳光的捕获能力，实现高的短路电流密度和外量子效率; 3、结构兼容，达到理想的活性层形貌，有利于激子的解离与传输，从而实现高的电流密度与填充因子。